CN1523765A - 置换式分级并行a／d转换的方法 - Google Patents

Abstract

一级转换：用基本ADC(基本并行A/D转换器)将模拟信号转换为一级数字量，并确定一级等压元件；二级转换：连接出第一级分压链，并以基本分压链等值置换一级等压元件，然后用基本ADC将模拟信号转换为二级数字量，并确定二级等压元件。依次类推，分级测试出模拟电位值对应的各级数字输出量。

Description

置换式分级并行A/D转换的方法

本发明属于电子计算机和数字电子技术领域的发明，是一种将模拟信号转换为数字信号(以下简称A/D转换)的方法。

A/D转换方法主要有三种：双积分式A/D转换、逐次逼近式A/D转换和并行A/D转换。三者各有优缺点，双积分式A/D转换的优点是抗干扰能力强，缺点是速度较慢；逐次逼近式A/D转换的优点是精度高，速度较快，转换时间固定，易与微机接口；并行A/D转换的优点是速度最快，缺点是难以提高分辨率，因为随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个m位分辨率的转换器，所用的比较器数目为2^m-1个。

图1中双虚线框框住的部分，本文称之为基本并行A/D转换器，以下简称为基本ADC，由基本分压元件(电阻或电容)链P₀～P₇、七个可锁存的比较器C₁～C₇和优先编码器组成。对于基本ADC，为了解决提高分辨率会急剧增加元件数的矛盾，1976年有人发明了串并列式转换方法(Pretzl；G.：Schnelle Analog-Digital-Umsetzer.Elektronik25(1976)Nr.12，S.36-42.)。参阅(电子技术基础：数字部分/康华光主编，3版，北京，高等教育出版社，1988.10；第387页。ISBN 7-04-001622-2)。例如8位转换器，先经过第一级四位并行A/D转换得到高四位，再将高四位进行D/A转换得到一模拟量，将输入电位与这模拟电位相减，得到的差再进行四位并行A/D转换得到低四位输出。这种方法虽然在速度上作出了一点牺牲，却大大减少了元件数，在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用。通常将这种方法称为串并列式ADC。

(两级)m位串并列式ADC需要两组m/2位的并行ADC和一个DAC组成，一是不够简便；二是需要反复经过A/D和D/A转换，增加了产生转换误差的概率，三是影响了速度。本发明的目的是解决这三个问题。以下将本发明简称为置换式分级ADC。

置换式ADC主要由基本ADC、分压链和多路开关组成，其关键点之一是采用了分压链(包括电阻式分压链和电容式分压链)，两种分压链可以互相替换，例如：对于电阻式分压链(简称电阻链)，只要电容式分压链(简称电容链)的分压关系与之相同，就可以改换成电容式分压链。所以，为了描述简便，本文件先提出以下约定：①、分压元件P指电阻或电容，如果是电阻，P的量值为电阻值；如果是电容，P的量值为电容值的倒数，简称 容倒；②、用k充当1级、2级、3级……的通配符。③、分压链主要用电阻链进行描述，而权利要求是包括电阻链和电容链；④、若一个分压链是由分压链上部和下部配对而成， 称配对式；⑤、若一个分压链是由若干单个分压元件临时组合而成，称 搭配式；⑥、使用分压链时，按一级链、二级链、三级链顺序工作，称正序 式；⑦、使用分压链时，按三级链、二级链、一级链顺序工作，称逆序式；⑧、每级m位即2^m＝n档，称为每级 分n档；

先给出附图说明，有助于对本发明的描述。

图1——配对式分8档的二级转换；兼基本ADC图，

图2——正序配对式分8档的三级转换；

图3——逆序配对式分8档的四级转换(直接连接)；

图4——逆序配对式分8档的四级转换(带 捷径多路开关S和S’连接)；

图5——配对式非线性分16档的二级转换；

图6——实施例1的一级分压链走向示意图；

图7——配对式非线性分4档的四级转换；

图8——搭配式分16档的三级转换；

图9——电位差式分16档的二级转换；

9个附图中，基本上是相同或类似的元件，因为用1、2、3、4……的标号方法难以表述，所以统一给出元器件本身的标号给予说明。从简明起见，采用根据附图来查找元器件说明的办法，附图中的元器件都能够在下面的元器件分类中找到说明。

图1～图9的共同元器件和符号包括：

A/D——基本ADC，是附图中用双虚线框围住的部分。基本ADC中包括：(P₀～P₇～P_F)——基本分压链的分压元件；(C₁～C₇～C_F)——可锁存的比较器；BMQ——优先编码器；(I₀～I₇～I_F)——优先编码器的输入端；(D₃、D₂、D₁、D₀)——优先编码器的数字量输出端；V_I——模拟电位值；CBQ——采样保持器；CP——时钟脉冲端；(T、T’)——基本分压链的高、低电位端；(V_P0～V_P7～V_PF)——基本分压链的即时电位(不同的连接位置有不同的取值)；+V_P和-V_P——正、负总参考电位点。

对图1～图7的元器件和符号说明包括：(k＝1，2，3，4)

多路开关类：S_k——第k级分压链上部的多路开关(如：S₂——第2级分压链上部的多路开关)；h_kg——S_k的公共端；(h_k1～h_k8～h_kF)——S_k的第1路端～第8路端～第F路端；S’_k——第k级分压链下部的多路开关；h’_kg——S’_k的公共端；(h’_k0～h’_k7～h’_kE)——S’_k的第0路端～第7路端～第E路端；h_3y——(图2)控制P_3y的开关；S——(图4)上部分的捷径多路开关；h_g——S的公共端；(h₂、h₃)——S的第2路端和第3路端；S’——下部分的 捷径多路开关；h’_g——S’的公共端；(h’₂、h’₃)——S’的第2路端和第3路端；S_t——(图5、图7)链调整分压元件的多路开关；h_gt——S_t的公共端；(h_8t～h_Ft)——S_t的第8路端～第F路端；

(V₀～V₇～V_F)——第一级子参考电位点(只有一个下标)；(V₃₀～V₃₈和V₅₀～V₅₈)——第二级子参考电位点(有两个下标)；(V₅₄₀～V₅₄₈)——第三级子参考电位点(有三个下标)。(V_P0～V_P8～V_PF)——基本分压链的即时电位；

(P₁₁～P₁₈～P_1F)——第一级分压链上部的分压元件(电阻或电容)；(P’₁₀～P’₁₇～P’_1E)——第一级分压链下部的分压元件；(P₂₁～P₂₇)——第二级分压链上部的分压元件；(P’₂₀～P’₂₆)——第二级分压链下部的分压元件；(P₃₁～P₃₇)——第三级分压链上部的分压元件；(P’₃₀～P’₃₆)——第三级分压链下部的分压元件；(P’₀～P’₃～P’_F)——(图5、7)基本分压链的单个调整分压元件；(P_8t、P_9t、P_At、P_Bt、P_Ct、P_Dt、P_Et、P_Ft)——基本分压链的链调整分压元件；P_3y——(图2)第三级转换时与基本分压链并联的链调整元件。

对图8的特有元器件和符号说明包括：(图8中，定义P_Z为基本分压链的总值)

(1^*P_Z、2^*P_Z、4^*P_Z、8^*P_Z、16^*P_Z、32^*P_Z、64^*P_Z、128^*P_Z)——可搭配式(1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍)分压元件；(S_1*、S_2*、S_4*、S_8*、S_*、S_**)——公共端连接到(1^*P_Z、2^*P_Z、4^*P_Z、8^*P_Z、+V_P、T’)的多路开关；S_8*中的(1、2、4、T、地)——多路端，分别连接到(1^*P_Z、2^*P_Z、4^*P_Z、T、地)以供选通；S_1*、S_2*、S_4*、S_*和S_**与S_8*的表示法相同。

对图9的特有元器件和符号说明，减法和放大电路——单虚线框内部分，包括：

C_S——运算放大器；(R_S0～R_S7)——减法和放大电路中的反馈分压元件；(R_1S、R_2S、R_3S)——(图9)电阻；S_S——选择输入路径的多路开关；h_1s——第一级转换通道；h_2s——第二级转换通道；V_I——第一级转换时的模拟电压，V’_I——第二级转换时的模拟电压。

为了清楚地描述直接式分级并行A/D转换的原理，首先描述目前的基本ADC的原理。图1中双虚线框框住的部分就是基本ADC，由基本分压链P₀～P₇、七个可锁存的比较器C₁～C₇和优先编码器组成，令T端接到总参考电位点V_P，T’端接到地电位V₀＝0，就成为输出为三位的基本ADC的原理图。八个分压元件P₀＝P₁＝……＝P₇将总参考电位V_P均分为八个等级，其子参考电位点分别为V₀＝0、V₁＝V_P/8、V₂＝2^*V_P/8、V₃＝3^*V_P/8、V₄＝4^*V_P/8、V₅＝5^*V_P/8、V₆＝6^*V_P/8、V₇＝7^*V_P/8。其中V₁～V₇七个等级的电位分别作为七个比较器C₁～C₇的参考电位，模拟输入电位为V_I，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当0≤V_I＜V₁时，C₁～C₇的输出状态都为0，当V₂≤V_I＜V₃时，比较器C₁和C₂的输出为1，其余各比较器的状态均为0。根据各比较器的参考电位值，可以确定输入模拟电位值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字输出量D₀、D₁、D₂。用表1列出输入与输出的关系。

               表1三位基本A/D器输入与输出的关系对照表

模拟输入VI	比较器输出状态	数字输出
			C7 C6  C5  C4 C3  C2  C1	D2 D1  D0
	0≤VI＜V1	0    0    0    0    0    0    0			0    0    0
V1≤VI＜V2			0    0    0    0    0    0    1	0    0    1
	V2≤VI＜V3	0    0    0    0    0    1    1			0    1    0
V3≤VI＜V4			0    0    0    0    1    1    1	0    1    1
	V4≤VI＜V5	0    0    0    1    1    1    1			1    0    0
V5≤VI＜V6			0    0    1    1    1    1    1	1    0    1
	V6≤VI＜V7	0    1    1    1    1    1    1			1    1    0
V7≤VI＜VP			1    1    1    1    1    1    1	1    1    1

反过来进行D/A转换时，转换到范围值的中点，如D₂、D₁、D₀＝011，转换成模拟量为V₃与V₄的中点3.5^*V_P/8，以保证量化误差相等。

在说明本发明的原理时，先提出以下约定：①、三位基本ADC的基本分压链由分压元件P₀～P₇共8个组成，四位基本ADC的基本分压链由分压元件P₀～P₉、P_A、P_B、P_C、P_D、P_E、P_F共16个组成(下标采用16进制的计数方式)。②、分级分压链为双下标，如：P_KX表示第k级分压链中的第X号分压元件，如果分压链由16个分压元件组成，第二下标采用16进制的计数方式；③、对于配对式分级转换，第k级分压链与基本分压链中的电阻(容倒)值对应成比例，即：P₀/P_k0＝P₁/P_k1＝……＝P₇/P_k7＝P₈/P_k8＝……＝P_F/P_kF；④、假定基本分压链中分压元件的个数为n，将P₀+P₁+…+P_(n-1)简记为∑Pt，默认∑的t＝(0…n-1)。⑤、P_k1～P_k(n-1)称为第k级分压链上部，P’_k0～P’_k(n-2)称为第k级分压链下部，合并称为第k级分压链对，其中对应分压元件的参数相等，即：P_kX＝P’_kX；⑥、当一个分压链对连接成一个分压链时，分压链中的分压元件从0号到n-1号，应该不多一个(如：不会出现P_k6同时还出现P’_k6)，也不少一个(如：不会在分压元件个数等于8分压链中，同时缺少P_k6和P’_k6)。将一个分压链对连接成一个分压链时称为分压链合成。将P’_k0+P’_k1+…+P_k(n-2)+P_k(n-1)简记为∑P_kt，⑦、设模拟电位V_I不超出测量范围，如果有某个分压元件中的某一点电位与V_I相等，则称该分压元件为等压元件(包括等压电阻或等压电容)。⑧、V_abc的意思是：该电位处在第一级的a档，第二级的b档，第三级的c档。⑨、多路开关均为双向开关，其顶端h_kg或底端h’_kg为公共端，连接多个分压元件的一侧(h_k1～h_k8)为多路输入端，每次只选中多路输入端中的一路与公共端接通，简称选通端，选通端与公共端之间的分压元件称被选中分压元件；⑩、选通通路是根据电址编码而定，图中没有画出编码端，只根据文字给予说明。多路开关的开关压降值折合到相邻的分压元件中。

本发明是一种分级并行A/D转换的方法，将模拟信号转换为数字量，其特征是：包括了基本ADC和分级分压链，用基本ADC将模拟信号转换为一级数字量，并确定一级等压元件；然后连接出第一级分压链，并以一级等压元件上的电压范围作为参考电压，再度用基本ADC将模拟信号转换为二级数字量，并确定二级等压元件，依次类推，分级测试出模拟电位值对应的各级数字输出量。

方法一：分压链组对调整法。进行第一级转换时，用基本ADC直接测试出模拟电位值对应的第一级数字输出量，同时确定第一级等压元件；然后做三件事，①、用调整分压元件(链调整分压元件和单个调整分压元件)与基本分压链组合成基本调整链，与第一级等压元件等值；②、将一级分压链对进行合成，并将基本调整链作为一级等压元件合成到一级分压链中；③、用基本ADC直接测试出模拟电位值对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压元件；依次类推进行以下级转换。该方法可以进行线性或非线性转换，如果令相同分压链中每个分压元件都相等就成了线性转换，如果令相同分压链中的分压元件值不相等就成了非线性转换，比如令相同分压链中的分压元件值成等比数列就成了对数特性转换。当第k级分压链上部和下部合成第k级分压链时，用(第k+1)级基本调整链等价置换第k级等压元件。

实施例1，正序配对式分8档，方法一的线性编码(令同一级分压链中的各个分压元件等值)实施例(结合图1说明)：

进行第一级转换。令S₁中的h₁₈为选通端，于是Th_1gh₁₈V_P；令S’₁中的h’₁₀为选通端，于是T’h’_1gh’₁₀地；只要将h_1gh₁₈之间的导通电阻r折合到P₇，h’_1gh’₁₀之间的导通电阻r折合到P₀，就是将T端接到了V_P，T’端接到了地，成为输出为三位的基本ADC的原理图，完成第一级转换，同时确定第一级等压元件。假定比较器C₃输出为“1”，C₄输出为“0”，可知第一级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝011，模拟电位值V_I应该是大于等于V_p3且小于V_p4，即落在P₃的电位范围之内，所以P₃为基本等压元件。

进行第二级转换。第一步是将一级分压链(由上部和下部)合成，因为P₃为基本等压元件，所以与P₃相对应的一级分压链中的P₁₃为一级等压元件，[因为已经约定：第k级分压链与基本分压链中的电阻(容倒)值对应成比例，即：P₀/P_k0＝P₁/P_k1＝……＝P₇/P_k7＝P₁/P_k1＝……＝P_F/P_kF]，合成后的链应该为：P₁₇P₁₆P₁₅P₁₄P₁₃P’₁₂←→P’₁₁P’₁₀；因为已知P₁₃为一级等压元件，需要用下级分压链进行置换，如果设计时，令∑P_t＝P₇+…+P₀＝P₁₃，又控制令使h₁₄和h’₁₃为选通端，就实现了由基本分压链∑P_t等值取代一级等压元件P₁₃的目的，将图1电路连接成以下走向：+V_PP₁₇…P₁₄h₁₄h_1gT(P₇…P₀)T’h’_1gh’₁₃P’₁₂P’₁₁P’₁₀地；简化后，整个回路成了图6的接线走向：+V_PP₁₇…P₁₄(P₇…P₀)P’₁₂P’₁₁P’₁₀地；由于基本ADC的T和T’分别改接至V₄和V₃，基本分压链将P₁₃的电压范围V₄至V₃再细分为8份，所以用基本ADC可以直接测试出模拟电位值V_I对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压元件。

             表2三位基本A/D器关于第二级输入与输出的关系对照表

模拟输入VI将V3～V4分为8小级	比较器输出状态	数字输出
			C7 C6  C5  C4 C3  C2  C1	D2 D1  D0
	V3≤VI＜V31	0    0    0    0    0    0    0			0    0    0
V31≤VI＜V32			0    0    0    0    0    0    1	0    0    1
	V32≤VI＜V33	0    0    0    0    0    1    1			0    1    0
V33≤VI＜V34			0    0    0    0    1    1    1	0    1    1
	V34≤VI＜V35	0    0    0    1    1    1    1			1    0    0
V35≤VI＜V36			0    0    1    1    1    1    1	1    0    1
	V36≤VI＜V37	0    1    1    1    1    1    1			1    1    0
V37≤VI＜V4			1    1    1    1    1    1    1	1    1    1

假定比较器C₅输出为“1”，C₆输出为“0”，可知第二级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝101。继续上面的分析，再扩展到(图2)三级转换。因为模拟电位值V_I应该是大于等于V₃₅且小于V₃₆，即落在P₅的电位范围之内，所以P₅为基本等压元件，对应的(图2)P₂₅为二级等压元件。控制令使h₂₆和h’₂₅为选通端，就由基本分压链∑P_t(非等值)取代二级等压元件P₂₅，如果要实现等值取代二级等压元件P₂₅的目的，应该将基本分压链并联一个链调整元件P_3y，使得基本分压链与P_3y并联后的值等于P₂₅。图2电路连接成以下走向：+V_PP₁₇…P₁₄(P₂₇P₂₆(P_3y∥∑P_t)P’₂₄…P’₂₀)P’₁₂P’₁₁P’₁₀地；再由基本分压链将P₂₅的电压范围再细分为8份(V₃₅、V₃₅₁、V₃₅₂、…、V₃₅₆、V₃₅₇、V₃₆)，所以用基本ADC可以直接测试出模拟电位值V_I对应的第三级数字输出量，同时确定第三级等压元件。以后级别的转换依次类推。

假定是四级转换，以上方法是按一级链、二级链、三级链、四级链的顺序转换的，为正序转换，三级链和四级链就要用到链调整分压元件P’_3y、P’_4y；如果按四级链、三级链、二级链、一级链的顺序转换，为逆序转换，可以省去链调整分压元件P’_3y、P’_4y。请注意，在逆序转换中，转换全部完成前，k级转换并不对应k级链。

实施例2，逆序配对式，方法一的线性编码：(图3中)令同一级分压链中的各个分压元件值相等，且∑P_t＝P₃₁＝P_3x、∑P_3t＝P₂₁＝P_2x、∑P_2t＝P₁₁＝P_1x，于是，可以用基本分压链等价置换三级分压链中的任一分压元件，用三级分压链等价置换二级分压链中的任一分压元件，用二级分压链等价置换一级分压链中的任一分压元件。由于这种方法最好，又最难说清楚，所以先描述一下“传递法”思路。有甲、乙、丙、丁四人递砖，①、丁拿起第一块；②、丁传递给丙，并且丁拿起第二块；③、丙传递给乙，丁传递给丙，并且丁拿起第三块；④、乙传递给甲，丙传递给乙，丁传递给丙，并且丁拿起第四块。于是最后结果为：甲拿到第一块，乙拿到第二块，丙拿到第三块，丁拿到第四块。

①、进行第一级转换时与实施例1相同，由基本ADC(丁)完成第一级转换，电路走向为(图3)：+V_Ph₁₈h_1gh₂₈h_2gh₃₈h_3gTP₇…P₀T’h _3gh’₃₀h’_2gh’₂₀h’_1gh’₁₀地；如果用电容链，可以不考虑多路开关的导通电阻，可以化简为：+V_PTP₇…P₀T’地；成为输出为三位的基本ADC的原理图，完成第一级转换，同时确定第一级等压元件。假定确定了第一级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝101。这时的P₅为一级基本等压元件。

②、第二级转换。将基本分压链(丁)的一级分压关系传递到三级分压链(丙)，同时将第一级等压元件由P₅传递到P₃₅，P₃₅为临时一级等压元件，然后由基本分压链等价置换第一级等压元件P₃₅，由基本ADC将P₃₅上的电位细分为8档，对P₃₅上的电位进行第二级转换，测试出V_I对应的第二级数字输出量。假定比较器C₄输出为“1”，C₅输出为“0”，可知第二级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝100。同时确定第二级等压元件为P₄。

③、第三级转换，将三级链(丙)的一级分压关系传递到二级分压链(乙)，同时将第一级等压元件由P₃₅传递到P₂₅；将基本分压链(丁)的二级分压关系传递到三级分压链(丙)，同时将第二级等压元件由P₄传递到P₃₄；由基本分压链对P₃₄进行等价置换；由基本ADC对P₃₄上的电位进行第二级转换，测试出模拟电位V_I对应的第三级数字输出量。假定比较器C₁输出为“1”，C₂输出为“0”，可知第三级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝001。同时确定第三级等压元件为P₁。

④、第四级转换，将二级链(乙)的一级分压关系传递到一级分压链(甲)，同时将第一级等压元件由P₂₅传递到P₁₅；将三级链(丙)的二级分压关系传递到二级分压链(乙)，同时将第二级等压元件由P₃₄传递到P₂₄；将基本分压链(丁)的三级分压关系传递到三级分压链(丙)，同时将第三级等压元件由P₁传递到P₃₁；由基本分压链对P₃₁进行等价置换；所以可以用基本ADC测试出模拟电位V_I对应的第四级数字输出量。

最后的电路走向图为(图3)：+V_PP₁₇P₁₆h₁₆h_1gP₂₇P₂₆P₂₅h₂₅h_2gP₃₇P₃₆P₃₅P₃₄P₃₃P₃₂h₃₂h_3gTP₇…P₀T’h’_3gh’₃₁P’₃₀h’_2gh’₂₄P’₂₃P’₂₂P’₂₁P’₂₀h’_1gh’₁₅P’₁₄P’₁₃P’₁₂P’₁₁P’₁₀地。

施例3。(图3电路)第一级转换时，电路走向为：+V_Ph₁₈h_1gh₂₈h_2gh₃₈h_3gTP₇…P₀T’h’_3gh’₃₀h’_2gh’₂₀h’_1g←→h’₁₀地；如果用分压链，必须附加三级多路开关的导通电阻，影响转换精度，所以将电路改为(图4)，增加一个上部分的捷径多路开关S和一个下部分的捷径多路开关S’；电路走向为：+V_Ph_gh₃TP₇…P₀T’h’₃h’_g地。S和S’的导通电阻分别折合到P₇和P₀中，由于S₃和S’₃的导通电阻也是分别折合到P₇和P₀中，所以电阻折合值大小刚好相等，解决了影响转换精度难题。

采用分级分压链组对调整法和电位差转换法时，进行线性转换的方法是令相同分压链中每个分压元件都相等，进行非线性转换的方法是令相同分压链中的分压元件值不相等，令相同分压链中的分压元件值成等比数列就成了对数特性转换；还可以线性与非线性混合使用，在前面级别的转换进行线性转换，后面级别的转换进行非线性转换。

施例4，在数字通信技术中，通常采用非线性编码来提高信噪比。采用配对式对数特性分档方式是很好的，施例4为方法一的等比数列法分16档非线性编码。

图5为等比数列数法编码电路原理图。进行对数特性转换；将基本分压链和一级分压链的16段分压元件的分压元件值(电阻值或容倒值)按等比数列规则设计成正负各8大段，各大段按等比数列规则设计分压元件值，令基本分压链与一级分压链的对应分压元件等值(或对应成比例)。如果按照近似于对数曲线进行信号压缩，因为V₈＝0电位，所以基本分压链和一级分压链分压元件值的设计方案是：中间小，两头大。令分压元件值：①、公比为q(q≥1)；②、P_1x＝P’_1x；③、P₈＝P₁₈＝P₇＝P’₁₇＝P，P₉＝P₁₉＝P₆＝P’₁₆＝q^*P，P_A＝P_1A＝P₅＝P’₁₅＝q^2*P，P_B＝P_1B＝P₄＝P’₁₄＝q^3*P，P_C＝P_1C＝P₃＝P’₁₃＝q^4*P，P_D＝P_1D＝P₂＝P’₁₂＝q^5*P，P_E＝P_1E＝P₁＝P’₁₁＝q^6*P，P_F＝P_1F＝P₀＝P’₁₀＝q^7*P。

一级转换时，令多路开关s_t全不通且单个调整分压元件(P’₀～P’_F)全部断开，一级转换后，图5中正半区，V₈＝0，V₉＝P，V_A＝V₉+q^*P，V_B＝V_A+q^2*P，V_C＝V_B+q^3*P，V_D＝V_C+q^4*P，V_E＝V_D+q^5*P，V_F＝V_E+q^6*P，+V_P＝V_F+q^7*P；如果用纵坐标表示数字输出量(0，1，…，7，8)，横坐标表示电位(V₈～V_P)，成为8大段对数折线，加上负半区8大段对数折线，(由于正半区和负半区结合部的两条折线合并成一条折线)合成为正负各8大段的15段对数折线，共16大段，所以一级转换共四位输出。

二级转换时，要将各大段内的电位等比地分为16小段，单个调整分压元件(P’₀～P’_F)对基本分压链进行调整(P’₀∥P₀＝P”₀，P’₁∥P₁＝P”₁，……，P’_F∥P_F＝P”_F)，当一级等压元件处在正8大段时，要将基本分压链调整成等比q加大，对等压元件进行替换：P”₀＝q^-8*P，P”₁＝q^-7*P，P”₂＝q^-6*P，P”₃＝q^-5*P，P”₄＝q^-4*P，P”₅＝q^-3*P，P”₆＝q^-2*P，P”₇＝q^-1*P，P₈＝P，P₉＝q^1*P，P_A＝q^2*P，P_B＝q^3*P，P_C＝q^4*P，P_D＝q^5*P，P_E＝q^6*P，P_F＝q^7*P；当一级等压元件处在负8大段时，要将基本分压链调整成从大到小对等压元件进行替换：P₀＝q^7*P，P₁＝q^6*P，P₂＝q^5*P，P₃＝q^4*P，P₄＝q^3*P，P₅＝q^2*P，P₆＝q^1*P，P₇＝P，P₈＝q^-1*P，P”₉＝q^-2*P，P”_A＝q^-3*P，P”_B＝q^-4*P，P”_C＝q^-5*P，P”_D＝q^-6*P，P”_E＝q^-7*P，P”_F＝q^-8*P。

设P_Z＝P₀+…+P₇+P”₈+…+P”_F＝P”₀+…+P”₇+P₈+…+P_F；由于一级等压元件有8个不同的值，所以要使用链调整分压元件P_8t～P_Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压元件，令P_8t∥P_Z＝P₁₇＝P₁₈，P_9t∥P_Z＝P₁₆＝P₁₉，P_At∥P_Z＝P₁₅＝P_1A，P_Bt∥P_Z＝P₁₄＝P_1B，P_Ct∥P_Z＝P₁₃＝P_1C，P_Dt∥P_Z＝P₁₂＝P_1D，P_Et∥P_Z＝P₁₁＝P_1E，P_Ft∥P_Z＝P₁₀＝P_1F；然后通过控制多路开关S_t，在链调整分压元件P_8t～P_Ft中调用合适的一个与调整分压链并联，可以等价置换任何一个一级等压元件，于是，将每个大段的电位都可以按等比数列的规则分为16小段。二级转换也是四位输出。一、二级转换合并起来，形成正负各128折线的压缩特性曲线。将调整后基本分压链简称基本调整链。

将施例4进行简化，可以得到目前使用的13折线法。

施例5，(图7)方法一的配对式非线性分4档四级转换。以等比数列法编码为例，基本分压链安排为：P₀＝P₃＝q^1*P，P₁＝P₂＝P；一级转换后，成为正负各两大段，P₀和P₃段长是P₁和P₂的q倍，相邻大段之间的比例为q。正负各两大段，共4大段为两位，一级转换共两位输出。进行二级转换时，如果等压元件在正半区，单个调整分压元件(P’₀和P’₁)将基本分压链调整为(P”₀＝q^-2*P，P”₁＝q^-1*P，P₂＝P；P₃＝q^1*P)；如果等压元件在正半区，单个调整分压元件(P’₂和P’₃)将基本分压链调整为(P₀＝q^1*P，P₁＝P，P”₂＝q^-1*P；P”₃＝q^-2*P)；简称调整分压链，其中(P”₀＝P₀∥P’₀，P”₁＝P₁∥P’₁，P”₂＝P₂∥P’₂；P”₃＝P₃∥P’₃)，然后用调整后基本分压链等价置换第一级等压元件，由基本ADC得到第二级转换值的两位输出。进行三级转换时，用链调整分压元件(P_8t、P_9t、P_At、P_Bt)对调整分压链再次进行调整，使之可以等价置换任何一个第二级等压元件，由基本ADC得到第三级转换值的两位输出。进行四级转换时，用链调整分压元件(P_Ct、P_Dt、P_Et、P_Ft)对调整分压链再次进行调整，使之可以等价置换任何一个第三级等压元件，由基本ADC得到第四级转换值的两位输出。四级共实现正负各7位的等比数列分段(各128段)。

方法二：开关搭配分压链法(即搭配式)(图8)。设P_Z＝P₀+…+P₇+…+P_F，设计一组可搭配分压元件，可以在有效范围内搭配成P_Z的任意整数倍分压元件值。(如可搭配分压元件为：1^*P_Z、2^*P_Z、4^*P_Z、8^*P_Z、16^*P_Z、32^*P_Z、64^*P_Z、128^*P_Z；可以任意搭配成1^*P_Z～255^*P_Z的分压元件值)。先用基本ADC完成一级转换，并确定第一级等压元件后，将可搭配分压元件与(基本分压链P_Z)搭配成一级分压链，使(基本分压链P_Z)正好等价置换第一级等压元件。然后用基本ADC完成二级转换，并确定第二级等压元件后，再将可搭配分压元件与(基本分压链P_Z)重新搭配成一、二级分压链，使P_Z正好等价置换第二级等压元件。依次类推。

施例6，方法二的线性编码例(图8)：每个可搭配分压元件由一个分压元件连接多路开关公共端组成，多路输入端中的每一路(1、2、4、8、16、32、64、128、T、地)分别通过导线连接对应的分压元件或接头(1^*P_Z、2^*P_Z、4^*P_Z、8^*P_Z、16^*P_Z、32^*P_Z、64^*P_Z、128^*P_Z、T、地)；所以通过对多路输入端的选择，可以将可搭配分压元件任意搭配成1^*P_Z～255^*P_Z的分压元件值。由于可搭配分压元件都是从大到小取值，所以每个可搭配分压元件的多路输入端只需要考虑小分压元件即可，例如，8^*P_Z的多路输入端就只需要(1、2、4、T、地)。

用基本ADC完成一级转换，假定得到D₃、D₂、D₁、D₀＝1011，(1011换算成16进制后等于B)，并确定第一级等压元件为P_B。搭配成一级分压链时，基本分压链(P_Z)应该在位置(16进制)B，B以下的分压元件值共11^*P_Z，用1^*P_Z、2^*P_Z、8^*P_Z四个串联后替代(图8，用触头T’连接)；B以上的分压元件值共4^*P_Z，用4^*P_Z替代(用触头T连接)。

基本分压链等值替换一级等压元件后，用基本ADC完成二级转换，假定得到D₃、D₂、D₁、D₀＝0100，(0100换算成16进制后等于4)，并确定第二级等压元件为P₄。得到基本分压链以下的分压元件值共16^*(11^*P_Z)+4^*P_Z，用4^*P_Z、16^*P_Z、32^*P_Z、128^*P_Z四个串联后替代(图8，将触头T’改连接至128^*P_Z的上端)；基本分压链以上的分压元件值共16^*(4^*P_Z)+11^*P_Z，用1^*P_Z、2^*P_Z、8^*P_Z、64^*P_Z四个串联后替代(将触头T’改连接至1^*P_Z的下端)，完成了基本分压链对二级等压元件P₄的等价置换，这时可以用基本ADC完成三级转换。依次类推。

方法三：电位差转换法(图9)。先用基本ADC直接测试出模拟电位值V_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定一级等压元件，再将一级等压元件的低端电位v_X经过h_1g输入到减法放大电路，将(V_I-v_X)放大数倍(放大倍数为2^*V_P除以一级等压元件上的压降)，得到二级模拟电位值V’_I，然后用基本ADC测试出二级模拟电位值V’_I对应的第二级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)。

施例7，方法三的线性编码实施例。令(图9)基本分压链的各电压元件等值，一级分压链的各电压元件等值，不要P’₀～P’_F链。先用基本ADC直接测试出模拟电位值V_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定一级等压元件，再将一级等压元件的低端电位v_X经过h_1g输入到减法放大电路，将(V_I-v_X)放大16倍，得到二级模拟电位值V’_I，然后用基本ADC测试出二级模拟电位值V’_I对应的第二级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)。

施例8，方法三的非线性编码实施例：(图9)高电位＝V_P，中点电位V₈＝V_P/2，低电位＝地，基本分压链和一级分压链分压元件值的设计方案以及一级转换都与施例4相同。先用基本ADC直接测试出模拟电位值V_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定一级等压元件，再将一级等压元件的低端电位v_X经过h_1g输入到减法放大电路，将(V_I-v_X)放大数倍，得到二级模拟电位值V’_I，放大倍数为V_P除以一级等压元件上的压降，因为等压元件有8个不同的值，分别为：P₇＝P₈，P₆＝P₉，P₅＝P_A，P₄＝P_B，P₃＝P_C，P₂＝P_D，P₁＝P_E，P₀＝P_F；所以有不同的8个放大倍数，其放大反馈电阻分别为：R_S0～R_S7，负反馈放大电阻(P_S0、…、P_S7)的选用，根据谁是一级等压元件而确定，目的是将V’_I电压范围确定在(0～V_P)。然后由基本ADC进行二级转换。

Claims (10)

1.一种置换式分级并行A/D转换的方法，将模拟信号转换为数字量，其特征是：包括了基本ADC和分级分压链，用基本ADC将模拟信号转换为一级数字量，并确定一级等压元件；然后连接出第一级分压链，并以一级等压元件上的电压范围作为参考电压，再度用基本ADC将模拟信号转换为二级数字量，并确定二级等压元件，依次类推，分级测试出模拟电位值对应的各级数字输出量。

2.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：分压链的分压元件可以是电阻器，也可以是电容器。

3.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：分压链组对调整法。进行第一级转换时，用基本ADC直接测试出模拟电位值对应的第一级数字输出量，同时确定第一级等压元件；然后做三件事，①、用调整分压元件(链调整分压元件和单个调整分压元件)与基本分压链组合成基本调整链，与第一级等压元件等值；②、将一级分压链对进行合成，并将基本调整链作为一级等压元件合成到一级分压链中；③、用基本ADC直接测试出模拟电位值对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压元件；依次类推进行以下级转换；该方法包括进行线性或非线性转换，如果令相同分压链中每个分压元件都相等就成了线性转换，如果令相同分压链中的分压元件值不相等就成了非线性转换，比如令相同分压链中的分压元件值成等比数列就成了对数特性转换。

4.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级分压链组对调整法时，第k级分压链由第k级分压链上部(P_k1～P_k(n-1))和第k级分压链下部(P’_k0～P’_k(n-2))合成，上部和下部合称为第k级分压链对，其中对应分压元件的值相等，即：P_kX＝P’_kX，当一个分压链对连接成一个分压链(P’_k0+P’_k1+…+P_k(n-2)+P_k(n-1))时，分压链中的分压元件从0号到n-1号，应该不多一个(如：不会出现P_k6同时还出现P’_k6)，也不少一个(如：不会在分压元件个数等于8的链中，同时缺少P_k6和P’_k6)；当第k级分压链上部和下部合成第k级分压链时，用(第k+1)级基本调整链等价置换第k级等压元件。当第k级分压链上部和下部合成第k级分压链时，用(第k+1)级基本调整链等价置换第k级等压电阻。

5.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：分压链对的分压链上部(和下部)都是由一个分压链加上一个多路开关组成，多路开关均为双向开关，其顶端h_kg或底端h’_kg为公共端，连接多个分压元件的一侧(h_k1～h_k8～h_kF)为多路输入端，每次只选中多路输入端中的一路与公共端接通，简称选通端，选通端与公共端之间的分压元件称被选中分压元件；(K级上部被选中元件)+基本调整链+(K级下部被选中元件)组成K级分压链；由基本调整链等价置换K级分压链中的等压元件；选通通路是根据电址编码而定。

6.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：电位差转换法(图9)。先用基本ADC直接测试出模拟电位值V_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定一级等压元件，再将一级等压元件的低端电位v_X经过h_1g输入到减法放大电路，将(V_I-v_X)放大数倍(放大倍数为2*V_P除以一级等压元件上的压降)，得到二级模拟电位值V’_I，然后用基本ADC测试出二级模拟电位值V’_I对应的第二级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)。

7.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级分压链组对调整法和电位差转换法时，令相同分压链中每个分压元件值(电阻或容倒)都相等就成为线性转换的方法；令相同分压链中每个分压元件值成等比数列就成了对数特性转换

8.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级分压链组对调整法进行多级转换时，包括正序配对式和逆序配对式，逆序配对式又包括(带捷径多路开关S和S’连接式)和(直接连接式)。

9.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用开关搭配分压链法(即搭配式)(图8)。设P_Z＝P₀+...+P₇+...+P_F，设计一组可搭配分压元件，可以在有效范围内搭配成P_Z的任意整数倍分压元件值。(如可搭配分压元件为：1*P_Z、2*P_Z、4*P_Z、8*P_Z、16*P_Z、32*P_Z、64*P_Z、128*P_Z；可以任意搭配成1*P_Z～255*P_Z的分压元件值)。先用基本ADC完成一级转换，并确定第一级等压元件后，将可搭配分压元件与(基本分压链P_Z)搭配成一级分压链，使(基本分压链P_Z)正好等价置换第一级等压元件。然后用基本ADC完成二级转换，并确定第二级等压元件后，再将可搭配分压元件与(基本分压链P_Z)重新搭配成一、二级分压链，使P_Z正好等价置换第二级等压元件。依次类推。

10.根据权利要求1所述的置换式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级分压链组对调整法和电位差转换法时，进行对数特性转换；将基本分压链和一级分压链的n段分压元件以中点分界，按(电阻或容倒)等比数列规则设计成正反各n/2大段，进行一级转换，成为正反各n/2大段的n-1段折线；

二级转换时，要将各大段内的电位等比地分为n小段，对于n＝16而言，用单个调整分压元件(P’₀～P’_F)对基本分压链进行调整(P’₀∥P₀＝P”₀，P’₁∥P₁＝P”₁，……，P’_F∥P_F＝P”_F)，当一级等压元件处在正8大段时，要将基本分压链调整成等比q加大，对等压元件进行替换：P”₀＝q^-8*P，P”₁＝q^-7*P，P”₂＝q^-6*P，P”₃＝q^-5*P，P”₄＝q^-4*P，P”₅＝q^-3*P，P”₆＝q^-2*P，P”₇＝q^-1*P，P₈＝P，P₉＝q¹*P，P_A＝q²*P，P_B＝q³*P，P_C＝q⁴*P，P_D＝q⁵*P，P_E＝q⁶*P，P_F＝q⁷*P；当一级等压元件处在负8大段时，要将基本分压链调整成从大到小对等压元件进行替换：P₀＝q⁷*P，P₁＝q⁶*P，P₂＝q⁵*P，P₃＝q⁴*P，P₄＝q³*P，P₅＝q²*P，P₆＝q¹*P，P₇＝P，P₈＝q^-1*P，P”₉＝q^-2*P，P”_A＝q^-3*P，P”_B＝q^-4*P，P”_C＝q^-5*P，P”_D＝q^-6*P，P”_E＝q^-7*P，P”_F＝q^-8*P。

设P_Z＝P₀+...+P₇+P”₈+...+P”_F＝P”₀+...+P”₇+P₈+...+P_F；由于一级等压元件有8个不同的值，所以要使用链调整分压元件P_8t～P_Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压元件，令P_8t∥P_Z＝P₁₇＝P₁₈，P_9t∥P_Z＝P₁₆＝P₁₉，P_At∥P_Z＝P₁₅＝P_1A，P_Bt∥P_Z＝P₁₄＝P_1B，P_Ct∥P_Z＝P₁₃＝P_1C，P_Dt∥P_Z＝P₁₂＝P_1D，P_Et∥P_Z＝P₁₁＝P_1E，P_Ft∥P_Z＝P₁₀＝P_1F；然后通过控制多路开关S_t，在链调整分压元件P_8t～P_Ft中调用合适的一个与调整分压链并联，可以等价置换任何一个一级等压元件，于是，将每个大段的电位都可以按等比数列的规则分为16小段。二级转换也是四位输出。一、二级转换合并起来，形成正负各128折线的压缩特性曲线。

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