CN101394183B - 模数直算转换法与模拟-数字级联转换器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模数直算转换法与模拟-数字级联转换器及其应用，属于信号测量与处理及电子设备技术领域。模数直算转换法将残差电压信号放大2倍作为级联信号，输出级联信号的范围与输入模拟信号的范围相同。模拟-数字级联转换器由结构参数完全相同的AD转换单元级联组成，多个AD转换单元级连成级联结构；而AD转换单元由电压比较器、电平转换环节、运算放大器及电阻组成，比较器则完成模拟输入信号的极性鉴别，电阻配合运放则完成残差计算与2倍放大功能，电平转换环节用于实现模拟电路与数字电路接口的电平匹配。

Description

模数直算转换法与模拟-数字级联转换器及其应用

技术领域

本发明涉及模数直算转换法与模拟-数字级联转换器及其应用，模数直算转换法即：模数直接计算转换方法，模拟-数字级联转换器又称：级联型A/D转换器或级联型模数转换器，属于信号测量与处理及电子设备技术领域。

背景技术

在数字化电子设备中，大量模拟信号需要通过模拟-数字(A/D)转换器转换成数字信号进行数字处理，模拟-数字转换器的品质对系统效能至关重要。

模数转换方法有很多种形式，这些模数转换方法通常比较复杂，每种形式常对应一种模拟-数字转换器，而目前最常用的转换方法与转换器是逐次逼近模数转换法与逐次逼近型模数转换器。

模拟-数字转换器主要有双积分型转换器、∑-Δ型转换器、电容阵列逐次比较型转换器、逐次逼近型转换器、流水线型转换器、并行比较型转换器等。

双积分型模数转换器、∑-Δ型模数转换器：电路较复杂、转换速率低。

逐次逼近型模数转换器、流水线型模数转换器：电路较复杂、转换速度一般，高精度型号的A/D芯片价格较高。

并行比较型模数转换器：电路复杂规模大、成本昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供模数直算转换法与模拟-数字级联转换器及其应用。

本发明的目的是通过下述方案实现的。

一种模数直算转换法，即：模拟信号与数字信号的直接计算转换方法，其特征在于：模数直算转换由n级模数转换组成，各级模数转换的工作参数、功能及过程相同，每级模数转换为一位的模数直算转换，其输入为一个模拟信号、输出为一位数字信号及一个级联信号，输出级联信号的范围与输入模拟信号的范围相同；各级模数转换采用级联方式组成n级模数转换，整个n级模数转换输入需转换的模拟信号、输出n位的数字信号、并输出一个级联信号，完成模拟信号至数字信号的转换功能。

模数直算转换过程图如图1所示。

所述的级联方式，将前级输出的级联信号作为后级的模拟信号输入，形成一个信号单向传递的链式信号处理程序及过程，各级模数转换的数字信号并行输出，即：需转换的模拟信号进入第一级模数转换，通过运算，第一级模数转换输出最高一位的数字信号并同时输出一个级联信号，该级联信号输至次一级的模数转换，次级模数转换输出次高一位的数字信号并同时输出次高位的一个级联信号，该级联信号输至再下一级的模数转换，如此直至第n级模数转换；信号运算处理过程中，各级模数转换的数字信号所表示对应的模拟量则统一设置、直接共用。

所述的每级模数转换，输入需转换的模拟信号，通过将模拟信号与零电平即地电平的比较得到输入模拟量的极性信号，将极性信号进行适当电平转换作为模数转换的一位数字信号输出；同时计算输入模拟量与输出数字信号所表示对应的模拟量之差即残差信号，残差信号经2倍的放大作为一个级联信号输出；模拟输入信号的最大摆幅即模拟输入量的最大绝对值则为数字信号所表示对应模拟量绝对值的2倍，级联输出信号的范围与模拟输入信号的范围相同。

单级模数转换过程图如图2所示。

一种简约型模拟-数字级联转换器，采用双电源方式供电，有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO；其特征在于：n位简约型模拟-数字级联转换器由n个结构参数完全相同的简约型AD转换单元级联组成，每个简约型AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端、一位数字信号输出端、一个级联信号输出端，即：第i个AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端zai、一位数字信号输出端zdi、一个级联信号输出端zgi，第j＝i+1个AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端zaj、一位数字信号输出端zdj、一个级联信号输出端zgj；第一个AD转换单元的模拟信号输入端za1接为转换器的模拟信号输入端AI，第i个AD转换单元的数字信号输出端zdi接为转换器的数字信号输出端Di，前一个AD转换单元的级联信号输出端zgi与后一个AD转换单元的模拟信号输入端zaj相连接，第j个AD转换单元的数字信号输出端zdj接为转换器的数字信号输出端Dj，第n个即最后一个AD转换单元的级联信号输出端zgn接为转换器的级联信号输出端AO，n个AD转换单元的接地端连接在一起并接为转换器接地端GND，n个AD转换单元的正负电源端分别相连接并分别接为转换器的正负电源端+Vb与-Vb。

简约型模拟-数字级联转换器的外部连接图如图3所示，简约型模拟-数字级联转换器的结构框图如图4所示。

所述的简约型AD转换单元由电压比较器、同相电平转换环节、运算放大器、2个阻值相同的电阻组成，即：第i个AD转换单元由电压比较器Bi1、同相电平转换环节、运算放大器Ai2、阻值均为R的电阻Ri1与Ri2组成；比较器Bi1的负输入端接AD转换单元的接地端GND，比较器Bi1的正输入端接为AD转换单元的模拟信号输入端zai，比较器Bi1输出模拟信号极性电压、其输出端与电平转换环节的信号输入端连接，电平转换环节的公共端接AD转换单元的接地端GND，电平转换环节的信号输出端接为AD转换单元的数字信号输出端zdi，运放Ai2的正输入端接AD转换单元的模拟信号输入端zai，运放Ai2的负输入端通过电阻Ri1与比较器Bi1的输出端相连接，电阻Ri2跨接在运放Ai2的输出端与负输入端之间，运放Ai2的输出端接为AD转换单元的级联信号输出端zgi，比较器Bi1与运放Ai2的正负电源端分别相连接并分别接为AD转换单元的正负电源端+Vb与-Vb。

简约型AD转换单元的结构原理图如图5所示。

所述的简约型模拟-数字级联转换器集成在一个单片上作为一个单片A/D转换器使用，单片简约型A/D级联转换器共有5+n个引脚：一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO，如：4位的单片简约型A/D级联转换器共有9个引脚：一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组4位数字信号输出端D1～D4、一个级联信号输出端AO，而8位的单片简约型A/D级联转换器共有13个引脚：一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组8位数字信号输出端D1～D8、一个级联信号输出端AO。

简约型模拟-数字级联转换器的外部连接图如图3所示，简约型模拟-数字级联转换器的电路原理图如图6所示。

一种高速型模拟-数字级联转换器，采用四电源方式供电，有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO，通常电源±Vp的电压大小为电源±Vb电压值的二倍以上；其特征在于：n位高速型模拟-数字级联转换器由n个结构参数完全相同的高速型AD转换单元级联组成，而每个高速型AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端、一位数字信号输出端、一个级联信号输出端，即：第i个AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端zai、一位数字信号输出端zdi、一个级联信号输出端zgi，第j＝i+1个AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端zaj、一位数字信号输出端zdj、一个级联信号输出端zgj；第一个AD转换单元的模拟信号输入端za1接为转换器的模拟信号输入端AI，第i个AD转换单元的数字信号输出端zdi接为转换器的数字信号输出端Di，前一个AD转换单元的级联信号输出端zgi与后一个AD转换单元的模拟信号输入端zaj相连接，第j个AD转换单元的数字信号输出端zdj接为转换器的数字信号输出端Dj，第n个即最后一个AD转换单元的级联信号输出端zgn接为转换器的级联信号输出端AO，n个AD转换单元的接地端连接在一起并接为转换器接地端GND，n个AD转换单元的二组电源端分别相连接并分别接为转换器的四个电源端±Vb与±Vp。

高速型模拟-数字级联转换器的外部连接图如图7所示，高速型模拟-数字级联转换器的结构框图如图8所示。

所述的高速型AD转换单元由电压比较器、反相电平转换环节、运算放大器、6个阻值相同的电阻组成，即：第i个AD转换单元由电压比较器Bi1、反相电平转换环节、运算放大器Ai2、阻值均为R的电阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4a、Ri4b、Ri4c组成；比较器Bi1的正输入端接AD转换单元的接地端GND，比较器Bi1的负输入端接为AD转换单元的模拟信号输入端zai，比较器Bi1的输出端与电平转换环节的信号输入端连接，电平转换环节的公共端接AD转换单元的接地端GND，电平转换环节的信号输出端接为AD转换单元的数字信号输出端zdi，运放Ai2的正输入端接AD转换单元的模拟信号输入端zai，运放Ai2的负输入端通过电阻Ri4a与Ri4b及Ri4c并联接地，电阻Ri3跨接在运放Ai2的输出端与负输入端之间，电阻Ri1与Ri2串联后两端分别接比较器Bi1的输出端与运放Ai2的输出端、而其公共端接为AD转换单元的级联信号输出端zgi，比较器Bi1的电源端接为AD转换单元的电源端±Vb，运放Ai2的电源端接为AD转换单元的电源端±Vp。

高速型AD转换单元的结构原理图如图9所示。

所述的高速型模拟-数字级联转换器集成在一个单片上作为一个单片A/D转换器使用，单片高速型A/D级联转换器共有7+n个引脚：一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO，如：4位的单片高速型A/D级联转换器共有11个引脚：一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组4位数字信号输出端D1～D4、一个级联信号输出端AO，而8位的单片高速型A/D级联转换器共有15个引脚：一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组8位数字信号输出端D1～D8、一个级联信号输出端AO。

高速型模拟-数字级联转换器的外部连接图如图7所示，高速型模拟-数字级联转换器的电路原理图如图10所示。

所述的简约型AD转换单元增加2个分压电阻构成虚地式AD转换单元，2个分压电阻串联后二端分别接正负电源、其公共端即为虚地Sgnd，用虚地Sgnd代替信号地GND作为电平基准，作为模数转换信号的公共参考电压，可以使模数转换器仅使用单电源完成模数转换功能，而此时电平转换环节的公共端通常接AD转换单元的电源端。

虚地式AD转换单元的结构原理图如图11所示。

所述的简约型AD转换单元增加由1个限流电阻与2个二极管组成的极性电压限幅电路，成为极性电压限幅输出的简约型AD转换单元，极性电压限幅电路接在电压比较器的输出端与电阻Ri1之间，即：限流电阻Ri0与电阻Ri1串联、其公共端通过二极管Di1与Di2分别接电源-Vb与+Vb，简约限幅型AD转换单元的电源则采用四电源供电模式，电压比较器与运算放大器使用电源±Vp供电，而限幅电路使用电源±Vb供电，通常电源±Vp的电压大小比电源±Vb的电压要高一些。

简约限幅型AD转换单元的结构原理图如图12所示。

所述的高速型AD转换单元增加由1个限流电阻与2个二极管组成的极性电压限幅电路，成为极性电压限幅输出的高速型AD转换单元，极性电压限幅电路接在电压比较器的输出端与电阻Ri1之间，即：限流电阻Ri0与电阻Ri1串联、其公共端通过二极管Di1与Di2分别接电源-Vb与+Vb，高速限幅型AD转换单元的电源仍然采用四电源供电模式，电压比较器与运算放大器使用电源±Vp供电，而限幅电路使用电源±Vb供电，通常电源±Vp的电压大小为电源±Vb电压的二倍以上。

高速限幅型AD转换单元的结构原理图如图13所示。

通常使用的多位二进制数字其每位数字的权是相邻低一位数字权的2倍，即：高位数字代表的实际模拟量是相邻低位数字的2倍；各位数字(包括最高位)的权自高到低依次为最高位的2⁰倍、2^-1倍、2^-2倍、2^-3倍、2^-4倍、……。

足够多位(理论上为无穷多位)的模数转换其输出数字信号代表的模拟量范围就是所需转换模拟信号的范围，对于双极性模拟信号而言数字信号所能代表的最大模拟量与所需转换模拟信号的摆幅相同。最高位数字所代表模拟量的绝对值为U_D，所需转换模拟信号的摆幅为U_M，则：

$U_M=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U_D}{2^i}=2U_D$

即：所需转换模拟信号的摆幅为最高位数字信号所代表模拟量绝对值的2倍，或：最高位数字信号所代表模拟量的绝对值是所需转换模拟量摆幅的二分之一。

最简单的模拟信号与数字信号的转换为一位的模数转换，对于双极性模拟信号而言一位模数转换的数字量输出即为该模拟信号的极性，即：正极性电压(如+5V)表示数字量1、负极性电压(如-5V)表示数字量0；实际使用时增加一个电平转换环节将正极性+5V电压与负极性-5V电压转换为相应的数字电压(如TTL电平)+5V(数字1)与0V(数字0)；当然，电平转换环节也可以根据需要转换成其它不同标准的数字电压。而单极性信号可以看作是双极性信号的一种特殊情况，或者可以将单极性信号转化为双极性信号再作相应的处理。

一位模数转换是最简单的、最基础的模数转换，也是最粗糙的模数转换，转换得到的数字信号所表示的模拟量与实际模拟信号之间有较大的误差，但该误差包含有实际模拟信号的信息，可以计算该误差并利用该误差作进一步更精细的模数转换。

实际模拟信号U_A与转换得到的数字信号所表示模拟量之间的误差为U_E，即：U_E＝U_A-U_Dsign(U_A)

实际模拟信号U_A的范围：-U_M～+U_M，即：-2U_D～+2U_D

则误差U_E的范围：-U_D～+U_D

即：误差U_E的范围(或摆幅)为模拟信号U_A范围(或摆幅)的二分之一。

将该误差作为模拟信号进行后一级模数转换，则得到的数字信号所代表的模拟量是其前一级的二分之一，输入模拟信号的范围也为其前一级的二分之一，而经过转换后剩余误差的范围也为其前一级的其二分之一。

若将前一级的误差放大2倍、并将本级数字信号所代表的模拟量也放大2倍，本级转换的极性信号不变且输入模拟信号范围、经本级转换后剩余误差的范围均与前一级完全相同。若本级转换后剩余误差放大2倍、并将下一级数字信号所代表的模拟量也放大2倍，下一级转换的极性信号不变且输入模拟量范围及经转换后剩余误差的范围均与本级完全相同。

依次转递的多级模数转换的每级之间的误差放大2倍、数字信号所代表的模拟量也放大2倍，相当于信号在原来的基础上自高到低依次放大2⁰倍、2¹倍、2²倍、2³倍、2⁴倍、……，结果：每级模数转换输出的误差信号范围与输入模拟信号范围相同、每位数字的权所对应的模拟量在形式上大小相同。

每级模数转换产生的误差称为残差，将残差放大2倍作为级联信号传递至下一级，并采用同样的方法进行更为精细的模数转换。如此，每级模数转换均通过具有相同功能、形式及参数的处理过程实现。

由于每级模数转换输出的数字信号来自输入模拟信号的极性信号，故每级残差放大2倍后其数字信号输出结果依然不变。

以四位模数转换为例，需转换的模拟量：-8V～+8V，最高位数字所代表的模拟量：数字量1对应+4V、数字量0对应-4V，则模拟量与数字量对应关系表如下：

 

序号	模拟量	极性信号	数字量
				0	+7V～+8V	++++	1111
1	+6V～+7V	+++-	1110
				2	+5V～+6V	++-+	1101
3	+4V～+5V	++--	1100
				4	+3V～+4V	+-++	1011
5	+2V～+3V	+-+-	1010
				6	+1V～+2V	+--+	1001
7	0V～+1V	+---	1000

 

8	-1V～0V	-+++	0111
				9	-2V～-1V	-++-	0110
10	-3V～-2V	-+-+	0101
				11	-4V～-3V	-+--	0100
12	-5V～-4V	--++	0011
				13	-6V～-5V	--+-	0010
14	-7V～-6V	---+	0001
				15	-8V～-7V	----	0000

本发明模数直算转换法，每级模数转换均相同，算法简单直接。

模拟-数字级联转换器由n个(常用n＝4、8、16等)结构参数完全相同的AD转换单元级联组成，即：将第i个AD转换单元的级联输出端与第j个AD转换单元的信号输入端相连(设：j＝i+1，i＝1、…、n-1)，n个AD转换单元的正负电源端与接地端分别连接在一起，形成链式结构，模拟信号从第一个AD转换单元的信号输入端输入，每个AD转换单元输出一位数字信号，n个AD转换单元输出n位转换得到的数字信号。

多个(如4个)n位(如4位)的A/D级联转换器可以继续级联，即：前一个A/D级联转换器的级联信号输出与后一个A/D级联转换器的模拟信号输入相连接，其正负电源端与接地端分别连接在一起，从而组成长链式结构的多位(如4×4＝16位)模数转换器。

每个AD转换单元的输入模拟信号通过电压比较器Bi1与零电位进行比较，比较器Bi1输出模拟信号的极性信号，极性信号经电平转换环节输出适合数字接口传送的数字电平信号(如TTL电平的数字信号)，同时运算放大器Ai2与其外围电阻利用输入模拟信号与极性信号进行残差计算与放大，并作为级联信号输出，供后一级的AD转换单元继续进行低一位更精细A/D转换。

AD转换单元的电阻值决定残差计算与放大的参数，电阻阻值采取：Ri1＝Ri2、Ri3＝Ri4、Ri3＝Ri4a＝Ri4b＝Ri4c。由于电阻Ri4a、Ri4b、Ri4c在电路中呈并联关系，可采用一个阻值为单个电阻三分之一的电阻代替，即采用一个R＝Ri3/3的电阻代替Ri4a与Ri4b及Ri4c三个并联电阻。

简约型AD转换单元的极性输出电压(即比较器输出电压，对应于数字输出信号)U_pi与模拟输入电压U_ai的关系：

U_pi＝V_bsign(U_ai)

级联输出电压U_gi与模拟输入电压U_ai的关系：

U_gi＝2U_ai-U_pi＝2U_ai-V_bsign(U_ai)

残差电压U_ri则为：

$U_{\mathrm{ri}}=\frac{U_{\mathrm{gi}}}{2}=U_{\mathrm{ai}}-\frac{V_b}{2}\mathrm{sign}\left(U_{\mathrm{ai}}\right)$

简约型AD转换单元模拟输入电压U_ai的范围：

-V_b≤U_ai≤V_b

简约型AD转换单元级联输出电压U_gi的范围：

-V_b≤U_gi≤V_b

简约型AD转换单元的级联输出电压其范围与模拟输入电压的范围相同。

高速型AD转换单元的极性输出电压(即比较器输出电压，对应于数字输出信号)U_pi与模拟输入电压U_ai的关系：

U_pi＝-V_bsign(U_ai)

级联输出电压U_gi与模拟输入电压U_ai的关系：

$U_{\mathrm{gi}}=2U_{\mathrm{ai}}+\frac{U_{\mathrm{pi}}}{2}=2U_{\mathrm{ai}}-\frac{V_b}{2}\mathrm{sign}\left(U_{\mathrm{ai}}\right)$

残差电压U_ri则为：

$U_{\mathrm{ri}}=\frac{U_{\mathrm{gi}}}{2}=U_{\mathrm{ai}}-\frac{V_b}{4}\mathrm{sign}\left(U_{\mathrm{ai}}\right)$

高速型AD转换单元模拟输入电压U_ai的范围：

$-\frac{V_b}{2}\≤U_{\mathrm{ai}}\≤\frac{V_b}{2}$

高速型AD转换单元级联输出电压U_gi的范围：

$-\frac{V_b}{2}\≤U_{\mathrm{gi}}\≤\frac{V_b}{2}$

高速型AD转换单元的级联输出电压其范围与模拟输入电压的范围相同。

简约型AD转换单元的电路比较简单，但残差计算与放大需待极性比较信号输出后进行，故转换速度相对较低一些。

高速型AD转换单元由于其极性比较与残差计算放大同时进行，其转换速度相对较高，但电路结构与使用的电源要复杂一些。

模拟-数字级联转换器第一级、第二级、第三级AD转换单元的电压比较器输出电压(极性信号电压)与模拟输入总电压的关系曲线、第一级、第二级、第三级AD转换单元的级联信号输出电压与模拟输入总电压的关系曲线分别如图14a、图14b、图14c所示。

数字-模拟(D/A)转换器与模拟-数字(A/D)转换器完成互为相反的功能，这就可以利用D/A转换器的配合验证A/D转换器的功能与效果，A/D级联转换器的验证测试电路如图15所示，电路输入正弦波电压信号，通过模拟-数字(A/D)级联转换器输出的数字信号经控制开关从高位到低位逐级接通(增加转换器的位数，提高分辨率)，D/A转换器输出相应的模拟信号波形，该模拟信号与输入正弦波电压信号相比即可观测到模拟-数字(A/D)级联转换器的转换效果。

一位A/D级联转换器的转换效果波形如图16a所示，二位A/D级联转换器的转换效果波形如图16b所示，三位A/D级联转换器的转换效果波形如图16c所示。

实际使用时，电压比较器可以采用运算放大器或具有类似功能的电路实现。AD转换单元需要稳定对称的正负电源，电压比较器或代替比较器的运放电路选用正负输出电压最大摆幅与正负电源电压的差异一致或较接近电源电压的类型(分析计算时为方便起见，电压比较器的正负输出电压最大摆幅取正负电源电压)，运算放大器选用正负输出电压摆幅接近电源电压的类型或适当提高运放的电源电压，限幅用的二极管选用低导通压降型的二极管。

组成AD转换单元的电阻Ri0、Ri1、Ri2、Ri3、Ri4、Ri4a、Ri4b、Ri4c的阻值通常(但不限于)取5KΩ～50KΩ。

本发明模拟-数字转换器其AD转换单元的结构参数均相同，模拟-数字转换器的电源为总线形式，各AD转换单元的模拟信号端与级联信号端前后串接，而转换器的数字信号则为并行输出形式，相应的模数转换器即为模拟-数字级联转换器，又称为级联型A/D转换器或级联型模数转换器。

本发明涉及的模拟-数字级联转换器其AD转换单元的结构参数均相同，每个AD转换单元均为一位模数转换器并具有残差计算与2倍的放大功能，输出的级联电压即经放大的残差电压其范围与模拟输入电压的范围相同，AD转换单元通过级联方式进行连接，构成多位的模数转换器。模拟-数字级联转换器的级联连接方式有助于简化结构、增加可靠性、降低成本，而AD转换单元的残差电压放大功能则有助于提高转换器的有效分辨率。模拟-数字级联转换器仅采用半导体器件与电阻构成，具有结构简单、成本低廉、性能可靠稳定、转换速度快、级联扩展方便、易于集成化等特点，在测量采样、信号处理、电气自控系统与电子设备中有着广泛的应用价值。

附图说明

图1 模数直算转换过程图。

图2 单级模数转换过程图。

图3 简约型模拟-数字级联转换器的外部连接图。

图4 简约型模拟-数字级联转换器的结构框图。

图5 简约型AD转换单元的结构原理图。

图6 简约型模拟-数字级联转换器的电路原理图。

图7 高速型模拟-数字级联转换器的外部连接图。

图8 高速型模拟-数字级联转换器的结构框图。

图9 高速型AD转换单元的结构原理图。

图10 高速型模拟-数字级联转换器的电路原理图。

图11 虚地式AD转换单元的结构原理图。

图12 简约限幅型AD转换单元的结构原理图。

图13 高速限幅型AD转换单元的结构原理图。

图14a、14b、14c 模数级联转换器第一级、第二级、第三级AD转换单元的输出电压与模拟输入总电压的关系曲线图。

图15 模拟-数字级联转换器的验证测试电路图。

图16a、16b、16c 一位、二位、三位模拟-数字级联转换器的转换效果波形。

图17 双电源16位经济型模数转换器结构原理图。

图18 双电源16位高速型模数转换器结构原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例说明如下：

实施例1

双电源16位经济型模数转换器

双电源16位经济型模数转换器结构原理图如图17所示。

双电源16位经济型模数转换器由采样保持电路S/H、4个四位简约型模拟-数字级联转换器、2个八位锁存器、2个稳压电源组成。

4个四位的简约型A/D级联转换器级联连接，形成级联结构，其模拟信号输入端与采样保持电路S/H的输出端相连接，采样保持电路S/H外接模拟输入信号。

4个四位的简约型A/D级联转换器输出的16位数字信号分别与2个八位锁存器的输入相连接。

2个稳压电源分别输出正负电源电压，给采样保持电路S/H与A/D级联转换器及锁存器供电。

采样保持电路S/H的时钟端与2个八位的锁存器的时钟端相连接。

时钟信号为0时，采样保持电路S/H处于采样状态，其输出电压与输入电压相同，此时A/D级联转换器开始对模拟输入电压信号进行变换，但数字信号(特别是低位信号)的输出处于变动状态；时钟信号变为1时，采样保持电路S/H处于保持状态，其输出电压保持在时钟上升沿时刻的值，稍后，A/D级联转换器完成对模拟输入电压信号的变换，输出稳定数字信号；当时钟信号再次变为0时，锁存器在时钟下降沿时刻保存A/D级联转换器输出的数字信号，完成一个完整的A/D转换过程。

实施例2

双电源16位高速型模数转换器

双电源16位高速型模数转换器结构原理图如图18所示。

双电源16位高速型模数转换器由采样保持电路S/H、4个四位高速型模拟-数字级联转换器、2个八位锁存器、2个双输出稳压电源组成。

4个四位的高速型A/D级联转换器级联连接，形成级联结构，其模拟信号输入端与采样保持电路S/H的输出端相连接，采样保持电路S/H外接模拟输入信号。

4个四位的高速型A/D级联转换器输出的16位数字信号分别与2个八位锁存器的输入相连接。

2个稳压电源分别输出二组正负电源电压，给采样保持电路S/H与A/D级联转换器及锁存器供电。

采样保持电路S/H的时钟端与2个八位的锁存器的时钟端相连接。

时钟信号为0时，采样保持电路S/H处于采样状态，其输出电压与输入电压相同；时钟信号变为1时，采样保持电路S/H处于保持状态，其输出电压保持在时钟上升沿时刻的值，稍后，A/D级联转换器完成模数变换输出数字信号；当时钟信号再次变为0时，锁存器在时钟下降沿时刻保存数字信号，完成一个完整的A/D转换过程。

Claims (12)

1.一种模数直算转换法，即模拟信号与数字信号的直接计算转换方法，其特征在于：模数直算转换由n级模数转换组成，各级模数转换的工作参数、功能及过程相同，每级模数转换为一位的模数直算转换，其输入为一个模拟信号、输出为一位数字信号及一个级联信号，输出级联信号的范围与输入模拟信号的范围相同；各级模数转换采用级联方式组成n级模数转换，整个n级模数转换输入需转换的模拟信号、输出n位的数字信号、并输出一个级联信号，完成模拟信号至数字信号的转换功能；所述的级联方式，将前级输出的级联信号作为后级的模拟信号输入，形成一个信号单向传递的链式信号处理程序及过程，各级模数转换的数字信号并行输出，即：需转换的模拟信号进入第一级模数转换，通过运算，第一级模数转换输出最高一位的数字信号并同时输出一个级联信号，该级联信号输至次一级的模数转换，次级模数转换输出次高一位的数字信号并同时输出次高位的一个级联信号，该级联信号输至再下一级的模数转换，如此直至第n级模数转换；信号运算处理过程中，各级模数转换的数字信号所表示对应的模拟量则统一设置、直接共用；所述的每级模数转换，输入需转换的模拟信号，通过将模拟信号与零电平即地电平的比较得到输入模拟量的极性信号，将极性信号进行适当电平转换作为模数转换的一位数字信号输出；同时计算输入模拟量与输出数字信号所表示对应的模拟量之差即残差信号，残差信号经2倍的放大作为一个级联信号输出；模拟输入信号的最大摆幅即模拟输入量的最大绝对值则为数字信号所表示对应模拟量绝对值的2倍，级联输出信号的范围与模拟输入信号的范围相同。

2.一种采用如权利要求1所述的模数直算转换法的简约型模拟-数字级联转换器，采用双电源方式供电，有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO；其特征在于：n位简约型模拟-数字级联转换器由n个结构参数完全相同的简约型AD转换单元级联组成，每个简约型AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端、一位数字信号输出端、一个级联信号输出端，即：第i个AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端zai、一位数字信号输出端zdi、一个级联信号输出端zgi，第j＝i+1个AD转换单元有一个接地端GND、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端zaj、一位数字信号输出端zdj、一个级联信号输出端zgj；第一个AD转换单元的模拟信号输入端za1接为转换器的模拟信号输入端AI，第i个AD转换单元的数字信号输出端zdi接为转换器的数字信号输出端Di，前一个AD转换单元的级联信号输出端zgi与后一个AD转换单元的模拟信号输入端zaj相连接，第j个AD转换单元的数字信号输出端zdj接为转换器的数字信号输出端Dj，第n个即最后一个AD转换单元的级联信号输出端zgn接为转换器的级联信号输出端AO，n个AD转换单元的接地端连接在一起并接为转换器接地端GND，n个AD转换单元的正负电源端分别相连接并分别接为转换器的正负电源端+Vb与-Vb。

3.按权利要求2所述的简约型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的简约型AD转换单元由电压比较器、同相电平转换环节、运算放大器、2个阻值相同的电阻组成，即：第i个AD转换单元由电压比较器Bi1、同相电平转换环节、运算放大器Ai2、阻值均为R的电阻Ri1与Ri2组成；比较器Bi1的负输入端接AD转换单元的接地端GND，比较器Bi1的正输入端接为AD转换单元的模拟信号输入端zai，比较器Bi1输出模拟信号极性电压、其输出端与电平转换环节的信号输入端连接，电平转换环节的公共端接AD转换单元的接地端GND，电平转换环节的信号输出端接为AD转换单元的数字信号输出端zdi，运放Ai2的正输入端接AD转换单元的模拟信号输入端zai，运放Ai2的负输入端通过电阻Ri1与比较器Bi1的输出端相连接，电阻Ri2跨接在运放Ai2的输出端与负输入端之间，运放Ai2的输出端接为AD转换单元的级联信号输出端zgi，比较器Bi1与运放Ai2的正负电源端分别相连接并分别接为AD转换单元的正负电源端+Vb与-Vb。

4.按权利要求3所述的简约型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的简约型AD转换单元增加2个分压电阻构成虚地式AD转换单元，2个分压电阻串联后二端分别接正负电源、其公共端即为虚地Sgnd，用虚地Sgnd代替信号地GND作为电平基准，作为模数转换信号的公共参考电压，可以使模数转换器仅使用单电源完成模数转换功能，而此时电平转换环节的公共端接AD转换单元的电源端。

5.按权利要求3所述的简约型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的简约型AD转换单元增加由1个限流电阻与2个二极管组成的极性电压限幅电路，成为极性电压限幅输出的简约型AD转换单元，极性电压限幅电路接在电压比较器Bi1的输出端与电阻Ri1之间，即：限流电阻Ri0与电阻Ri1串联、其公共端通过二极管Di1与Di2分别接电源-Vb与+Vb，简约限幅型AD转换单元的电源则采用四电源供电模式，电压比较器与运算放大器使用电源±Vp供电，而限幅电路使用电源±Vb供电，电源±Vp的电压大小比电源±Vb的电压要高。

6.按权利要求2、3、4或5所述的简约型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的简约型模拟-数字级联转换器集成在一个单片上作为一个单片A/D转换器使用，单片简约型A/D级联转换器共有5+n个引脚：一个接地端GND或虚地端Sgnd、二个电源端即负电源端-Vb和正电源端+Vb、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO。

7.一种采用如权利要求1所述的模数直算转换法的高速型模拟-数字级联转换器，采用四电源方式供电，有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO，电源±Vp的电压大小为电源±Vb电压值的二倍以上；其特征在于：n位高速型模拟-数字级联转换器由n个结构参数完全相同的高速型AD转换单元级联组成，而每个高速型AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端、一位数字信号输出端、一个级联信号输出端，即：第i个AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端zai、一位数字信号输出端zdi、一个级联信号输出端zgi，第j＝i+1个AD转换单元有一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端zaj、一位数字信号输出端zdj、一个级联信号输出端zgj；第一个AD转换单元的模拟信号输入端za1接为转换器的模拟信号输入端AI，第i个AD转换单元的数字信号输出端zdi接为转换器的数字信号输出端Di，前一个AD转换单元的级联信号输出端zgi与后一个AD转换单元的模拟信号输入端zaj相连接，第j个AD转换单元的数字信号输出端zdj接为转换器的数字信号输出端Dj，第n个即最后一个AD转换单元的级联信号输出端zgn接为转换器的级联信号输出端AO，n个AD转换单元的接地端连接在一起并接为转换器接地端GND，n个AD转换单元的二组电源端分别相连接并分别接为转换器的四个电源端±Vb与±Vp。

8.按权利要求7所述的高速型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的高速型AD转换单元由电压比较器、反相电平转换环节、运算放大器、6个阻值相同的电阻组成，即：第i个AD转换单元由电压比较器Bi1、反相电平转换环节、运算放大器Ai2、阻值均为R的电阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4a、Ri4b、Ri4c组成；比较器Bi1的正输入端接AD转换单元的接地端GND，比较器Bi1的负输入端接为AD转换单元的模拟信号输入端zai，比较器Bi1的输出端与电平转换环节的信号输入端连接，电平转换环节的公共端接AD转换单元的接地端GND，电平转换环节的信号输出端接为AD转换单元的数字信号输出端zdi，运放Ai2的正输入端接AD转换单元的模拟信号输入端zai，运放Ai2的负输入端通过电阻Ri4a与Ri4b及Ri4c并联接地，电阻Ri3跨接在运放Ai2的输出端与负输入端之间，电阻Ri1与Ri2串联后两端分别接比较器Bi1的输出端与运放Ai2的输出端、而其公共端接为AD转换单元的级联信号输出端zgi，比较器Bi1的电源端接为AD转换单元的电源端±Vb，运放Ai2的电源端接为AD转换单元的电源端±Vp。

9.按权利要求8所述的高速型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的高速型AD转换单元增加由1个限流电阻与2个二极管组成的极性电压限幅电路，成为极性电压限幅输出的高速型AD转换单元，极性电压限幅电路接在电压比较器Bi1的输出端与电阻Ri1之间，即：限流电阻Ri0与电阻Ri1串联、其公共端通过二极管Di1与Di2分别接电源-Vb与+Vb，高速限幅型AD转换单元的电源仍然采用四电源供电模式，电压比较器与运算放大器使用电源±Vp供电，而限幅电路使用电源±Vb供电，电源±Vp的电压大小为电源±Vb电压的二倍以上。

10.按权利要求7、8或9所述的高速型模拟-数字级联转换器，其特征在于：所述的高速型模拟-数字级联转换器集成在一个单片上作为一个单片A/D转换器使用，单片高速型A/D级联转换器共有7+n个引脚：一个接地端GND、二组共四个电源端±Vb与±Vp、一个模拟信号输入端AI、一组n位数字信号输出端D1～Dn、一个级联信号输出端AO。

11.一种采用如权利要求2、3、4、5或6所述的简约型模拟-数字级联转换器的双电源16位经济型模数转换器，其特征在于：双电源16位经济型模数转换器由采样保持电路S/H、4个四位简约型模拟-数字级联转换器、2个八位锁存器、2个稳压电源组成；4个四位的简约型A/D级联转换器级联连接，形成级联结构，其模拟信号输入端与采样保持电路S/H的输出端相连接，采样保持电路S/H外接模拟输入信号；4个四位的简约型A/D级联转换器输出的16位数字信号分别与2个八位锁存器的输入相连接；2个稳压电源分别输出正负电源电压，给采样保持电路S/H与A/D级联转换器及锁存器供电；采样保持电路S/H的时钟端与2个八位的锁存器的时钟端相连接。

12.一种采用如权利要求7、8、9或10所述的高速型模拟-数字级联转换器的双电源16位高速型模数转换器，其特征在于：双电源16位高速型模数转换器由采样保持电路S/H、4个四位高速型模拟-数字级联转换器、2个八位锁存器、2个双输出稳压电源组成；4个四位的高速型A/D级联转换器级联连接，形成级联结构，其模拟信号输入端与采样保持电路S/H的输出端相连接，采样保持电路S/H外接模拟输入信号；4个四位的高速型A/D级联转换器输出的16位数字信号分别与2个八位锁存器的输入相连接；2个稳压电源分别输出二组正负电源电压，给采样保持电路S/H与A/D级联转换器及锁存器供电；采样保持电路S/H的时钟端与2个八位的锁存器的时钟端相连接。

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