簡單認識逐次比較式A/D轉換器

逐次比較式A/D轉換器（也稱為逐位比較式A/D轉換器）是模數(shù)轉換器（A/D Converter, ADC）的一種重要類型，廣泛應用于各種需要高精度和中等速度模數(shù)轉換的場合。

一、特點

1. 高精度
   • 逐次比較式A/D轉換器通過逐位比較的方式，能夠逐步縮小模擬信號與推測信號之間的差距，從而實現(xiàn)高精度的模數(shù)轉換。這種轉換方式使得轉換器在需要高分辨率的應用中具有廣泛的應用前景。
   • 轉換精度主要取決于SAR（逐次逼近比較寄存器）和D/A（數(shù)模轉換器）的位數(shù)。隨著位數(shù)的增加，轉換精度也會相應提高。
2. 轉換時間固定
   • 逐次比較式A/D轉換器的轉換時間是固定的，不隨輸入信號的變化而變化。這一特點使得它能夠在不同的工作條件下保持穩(wěn)定的性能，適用于需要穩(wěn)定轉換時間的場合。
3. 轉換速度快
   • 相比于積分型A/D轉換器，逐次比較式A/D轉換器采用了逐位比較的方式，能夠快速地完成模數(shù)轉換過程。這使得它在需要高速數(shù)據(jù)采集的場合中具有明顯的優(yōu)勢。
4. 抗干擾能力強
   • 逐次比較式A/D轉換器具有較強的抗干擾能力，能夠在噪聲環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，確保轉換結果的準確性。這一特點使得它在復雜的工作環(huán)境中也能可靠地工作。
5. 適中的電路規(guī)模
   • 逐次比較式A/D轉換器的電路規(guī)模屬于中等水平，既不像并行比較型A/D轉換器那樣需要大量的比較器，也不像積分型A/D轉換器那樣需要復雜的積分電路。這使得它在成本和性能之間達到了較好的平衡。
6. 價格適中
   • 在低分辨率（<12位）的應用中，逐次比較式A/D轉換器的價格相對較為便宜。然而，在高精度（>12位）的應用中，其價格可能會相對較高。但總體而言，它的價格相對于其他類型的A/D轉換器來說仍然是適中的。

二、結構

逐次比較式A/D轉換器主要由以下幾個部分組成：逐次逼近比較寄存器（SAR）、D/A轉換器、比較器以及時序和控制邏輯等。

1. 逐次逼近比較寄存器（SAR）
   • SAR是逐次比較式A/D轉換器的核心部件之一，用于存儲和更新推測信號的數(shù)字量。在轉換過程中，SAR從最高位開始逐位設定數(shù)字量，并通過D/A轉換器轉換為模擬信號（推測信號），與待轉換的模擬輸入信號進行比較。
2. D/A轉換器
   • D/A轉換器用于將SAR中的數(shù)字量轉換為模擬信號（推測信號）。這個模擬信號將與待轉換的模擬輸入信號進行比較，以確定下一位的數(shù)字量。D/A轉換器的精度和穩(wěn)定性對逐次比較式A/D轉換器的整體性能有重要影響。
3. 比較器
   • 比較器是逐次比較式A/D轉換器的另一個關鍵部件，用于比較模擬輸入信號和推測信號。根據(jù)比較結果，比較器會輸出相應的信號給控制邏輯部分，以調整推測信號的數(shù)字量。
4. 時序和控制邏輯
   • 時序和控制邏輯負責控制整個轉換過程的時序和邏輯。它根據(jù)比較器的輸出信號調整SAR中的數(shù)字量，并控制D/A轉換器的轉換過程。同時，時序和控制邏輯還負責處理轉換結束后的輸出信號，以便將轉換結果輸出給后續(xù)的數(shù)字設備處理。

三、工作原理

逐次比較式包括一個高分辨率比較器、高速DAC和控制邏輯，以及逐次比較寄存器SAR。

模擬信號加到比較器的一個輸入端，比較器的另一個輸入端與D/A轉換器的輸出端相連。

轉換過程：轉換命令發(fā)出，DAC的半量程MSB輸出與輸入信號比較，若輸入高于MSB，該位保持為高。對下一比特1/4量程進行比較，若加上第二位仍小于輸入信號，第二位保持高。依次類推，直到最低位。轉換過程結束，指示輸出寄存器為有效信號。

逐次比較式A/D轉換器的工作原理基于二分法逼近的原理。具體來說，它首先將來自傳感器的模擬輸入信號與推測信號進行比較。如果模擬輸入信號大于推測信號，則比較器輸出為1，控制邏輯將使推測信號增大；反之，如果模擬輸入信號小于推測信號，則比較器輸出為0，控制邏輯將使推測信號減小。這個過程會不斷重復，直到推測信號與模擬輸入信號相等或足夠接近為止。

在轉換過程中，逐次比較式A/D轉換器采用了一種逐位比較的方式。它從SAR的最高位開始，依次對每一位進行比較和判斷。如果某一位的比較結果為1，則將該位置為1；否則，將該位置為0。通過這種方式，逐次比較式A/D轉換器能夠逐步縮小模擬信號與推測信號之間的差距，最終實現(xiàn)高精度的模數(shù)轉換。

四、應用領域

逐次比較式A/D轉換器廣泛應用于各種領域，包括音頻處理、生物醫(yī)學設備、通信系統(tǒng)和無線電頻譜監(jiān)測等。

• 生物醫(yī)學設備 ：在心電圖儀、血壓計等生物醫(yī)學設備中，逐次比較式A/D轉換器用于實時地將生理信號轉換為數(shù)字信號，有助于醫(yī)生更準確地診斷疾病和監(jiān)測患者的健康狀況。
• 通信系統(tǒng) ：在通信系統(tǒng)中，逐次比較式A/D轉換器用于將模擬信號轉換為數(shù)字信號以便于進行數(shù)字信號處理，這有助于提高通信系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性。
• 無線電頻譜監(jiān)測 ：在無線電頻譜監(jiān)測中，逐次比較式A/D轉換器用于將無線電頻譜轉換為數(shù)字信號以便于進行實時監(jiān)測和分析，有助于實現(xiàn)頻譜管理和頻譜分配等功能。

綜上所述，逐次比較式A/D轉換器以其高精度、轉換時間固定、轉換速度快、抗干擾能力強以及適中的電路規(guī)模和價格等特點，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。隨著科技的不斷發(fā)展進步和人們對于數(shù)字化處理需求的不斷增長，逐次比較式A/D轉換器將會得到更加廣泛的應用和發(fā)展。