逐次比较型A/D转换器

1.转换原理

逐次比较型A/D转换器是目前采用最多的一种直接A/D转换器。逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似（天平称重的过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得物体重量）。逐次比较型A/D转换器仿照这一思路，将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。

n位逐次比较型A/D转换器框图如图1所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移

图1 逐次比较型A/D转换器框图

位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。

工作原理：电路由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路是移位寄存器的最高位置1，其它位置0，其输出经数据寄存器将1000¼0送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压 （ /2）相比较，如 /2，则为0。比较结果存于数据寄存器的 位。然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其它位置0。如果高位已存1，则此时 。于是， 再与 相比较，如 则次高位 ；如最高位为0，则 ， 与 比较，如 ，则 位存1，否则存0……。依次类推，逐次比较得到输出数字量。

为进一步理解逐次比较器A/D转换器的工作原理及转换过程，下面用实例加以说明。

设图2电路为8位A/D转换器，输入模拟量 D/A转换器基准电压 =10V。根据逐次比较D/A转换器的工作原理，可以画出在转换过程中CP、启动脉冲、 ，及D/A转换器输出电压 的波形，如图2所示。

由图2可见，当启动脉冲低电平到来后转换开始。在第一个CP作用下，数据寄存器 =10000000送入D/A转换器，其输出电压 第二个CP到来时，寄存器输出 =11000000， 为7.5V， 再与7.5V比较，因为 存0；输入第三个CP时， =10100000， 再与 比较，……如此重复比较下去，经8个时钟周期，转换结束。由图中 的波形可见，在逐次比较过程中，与输出数字量对应的模拟电压 逐渐逼近 值，最后得到A/D转换器转换结果 为10101111。该数字量所对应的模拟电压为6.8359375V，与实际输入的模拟电压6.84V的相对误差为0.06%.

图2 8位逐次比较型A/D转换器波形图

例题1、四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图3所示。图中5位移位寄存器可进行并入/并出或串入/串出操作，其F为并行置数端，高电平有效，S为高位串行输入。数据寄存器由D边沿触发器组成，数字量从 输出，试分析电路的工作原理。

图3 4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路

解：电路工作过程如下：当启动脉冲上升到来后， 被清零， 置1， 的高电平开启 门，时钟CP脉冲进入移位寄存器。在第一个CP脉冲作用下，由于移位寄存器的置数使能端F已由0变成1，并行输入数据ABCDE置入， 。 的低电平使数据寄存器的最高位置1，即 =1000。D/A转换器将数字量1000转换为模拟电压 ，送入比较器C与输入模拟电压 比较，若输入电压 ，则比较器C输出 为1，否则为0。比较结果送 。

第二个CP脉冲到来后，移位寄存器的串行输入端S为高电平， 的0移至次高位 。于是数据寄存器的 由0变成1，这个正跳变作为有效触发信号加到 的CP端使 的电平得以在 保存下来。此时，由于其他触发器无跳变脉冲， 的信号对他们不起作用。 变1后建立了新的D/A转换器的数据，输入电压再与其输出电压 相比较，比较结果在第三个时钟脉冲作用下存于 。如此进行，直到 封锁，转换完毕。于是电路的输出端 得到与输入电压 成正比的数字量。

由此以上分析可见，逐次比较型A/D转换器完成一次转换的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率越高,转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度快，精度高的特点。