2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路的并联比较型AD转换器

电路的并联比较型A/D转换器 第10章 数-模转换和模-数转换 电路的并联比较型A/D转换器 并联比较型A/D转换器的电原理图如图10-16所示。它由电压比较器，寄存器和编码器三部分构成。  电压比较器：电压比较器由电阻分压器和七个比较器构成。在电阻分压器中，量化电平依据有舍有入法进行划分，电阻链把参考电压UR分压，得到从1/16UR到13/16UR之间七个量化电平，量化单位为Δ=(2/16)UR=(1/8)UR。然后，把这七个量化电平分别接到七个电压比较器C6~C0的负输入端，作为比较基准。同时，将模拟输入UIN接到七个电压比较器的正输入端，与这七个量化电平进行比较。若UIN大于比较器的参考电平，则比较器的输出Ci=1，否则Ci=0。 第10章 数-模转换和模-数转换 计数器（计数定时电路）： 它由n+1个触发器构成，触发器Fn-1…F1F0构成n位二进制计数器，触发器Fn实现对S的控制。 计数定时电路在启动脉冲的作用下，全部触发器被置0，触发器Fn输出Qn=0，使开关S接输入电压+Ui，同时n位二进制计数器开始计数（设电容C上初始值为0，并开始正向积分， 则此时Uo≤0，比较器输出UC=1，G门开）。当计数器计入 2n个脉冲后，触发器Fn-1…F1F0状态由 11…111回到00…000，Fn-1(Qn-1)触发Fn，使Qn=1，发出定时控制信号，使开关转接至-UR，触发器Fn-1…F1F0再从00…000开始计数，并开始负向积分，Uo逐步上升。当积分器输出Uo＞0时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停止计数，完成一个转换周期，把与输入模拟信号+Ui平均值成正比的时间间隔转换为数字量。 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-15 双积分ADC工作波形 第10章 数-模转换和模-数转换 ① 取样阶段。在启动脉冲作用下，将全部触发器置0，由于触发器Fn输出Qn=0，使开关S接输入电压+Ui，A/D转换开始， +Ui加到积分器的输入端后，积分器对+Ui进行正向积分。由于此时Uo≤0，比较器输出UC=1，G门开，n位二进制计数器开始计数，一直到t=T1=2nTCP（TCP为时钟周期）时，触发器Fn-1…F1F0状态回到 00…000，而触发器Fn由 0 翻转为 1，由于Qn=1，使开关转接至-UR，至此，取样阶段结束，可求 其中τ=RC为积分时间常数。 第10章 数-模转换和模-数转换 当+Ui为正极性不变常量时，Uo（T1）值为 ② 比较阶段。开关转至-UR后，积分器对基准电压进行负向积分，积分器输出为 第10章 数-模转换和模-数转换 当Uo＞0 时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停止计数，完成一个转换周期。假设此时计数器已记录了α个脉冲， 则 可求得 第10章 数-模转换和模-数转换 由上式可见，计数器记录的脉冲数α与输入电压+Ui成正比， 计数器记录α个脉冲后的状态就表示了+Ui的数字量的二进制代码，实现了A/D转换。  这种A/D转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-16 并联比较型A/D转换器 第10章 数-模转换和模-数转换 寄存器：由七个D触发器构成。在时钟脉冲CP的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。  编码器：由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻辑关系为 第10章 数-模转换和模-数转换 表 10-2 并联型A/D转换器的转换关系 第10章 数-模转换和模-数转换 例如，假设模拟输入UIN=3.8V，UR=8V。当模拟输入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于 因此，比较器的输出C6~C0为0001111。在时钟脉冲作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出A/D转换结果：D2D1D0=100。这也就是并联比较型A/D转换器的工作过程。 第10章 数-模转换和模-数转换 $$