逐次逼近型模数转换器基本原理

逐次逼近型模数转换器基本原理

逐次逼近型模数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，其原理框图如图11-3所示。

图11-3 逐次逼近型模数转换器的原理框图

转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电

压，送到比较器中与进行比较。若＞，说明数字过大了，故将最高位的

1清除；若＜，说明数字还不够大，应将最高位的1保留。然后，再按同

样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。

可见逐次逼近转换过程与用天平称量一个未知质量的物体时的操作过程一样，只不过使用的砝码质量一个比一个小一半。

能实现图11-3所示方案的电路很多。图11-4所示电路是其中的一种，这是

一个四位逐次逼近型模数转换器。图中四个JK触发器～组成四位逐次逼

近寄存器；5个D触发器～接成环形移位寄存器(又称为顺序脉冲发生器)，

它们和门～一起构成控制逻辑电路。

图11-4 四位逐次逼近型模数转换器

现分析电路的转换过程。为了分析方便，设D/A转换器的参考电压为=+8 V，输入的模拟电压为=4.52 V。

转换开始前，先将逐次逼近寄存器的四个触发器～清零，并把环形计数器的状态置为00001。

第1个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器右移一位，其状态变为10000。

由于，均为0，于是触发器被置1，和被置0。

所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为1000，D/A转换器的输出电压为

和在比较器中比较，由于＜，所以比较器的输出电压为。

第2个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为

01000。这时由于，，均为0，于是触发器的1保留。

与此同时，的高电平将触发器置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的

代码为1100，D/A转换器的输出电压为

和在比较器中比较，由于＞，所以比较器的输出电压为。

第3个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为

00100。这时由于，，均为0，于是触发器的1保留，

而被置0。与此同时，的高电平将置1。所以，这时加到D/A转换器输入端的代码为1010，D/A转换器的输出电压为

和在比较器中比较，由于＞，所以比较器的输出电压为。

第4个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00010。

这时由于，，均为0，于是触发器、的状态保持不变，

而触发器被置0。与此同时，的高电平将触发器置1。所以，这时加到

D/A转换器输入端的代码为1001，D/A转换器的输出电压为

和在比较器中比较，由于＜，所以比较器的输出电压为。

第5个时钟脉冲C的上升沿到来时，环形计数器又右移一位，其状态变为00001。

这时由于，，均为0，触发器、、、的状态均

保持不变，即加到D/A转换器输入端的代码为1001。同时，的高电平

将门～打开，使作为转换结果通过门～送出。

这样就完成了一次转换。转换过程如表11-2所示。

表11-2 四位逐次逼近型模数转换器的转换过程

上例中的转换误差为0.02 V。转换误差的大小取决于A/D转换器的位数，位数越多，转换误差就越小。

从以上分析可以看出，图11-4所示四位逐次逼近型模数转换器完成一次转换需要5个时钟脉冲信号的周期。显然，如果位数增加，转换时间也会相应地增加。

逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，是应用非

常广泛的一种模数转换器。