并行式A/D轉換器的結構和工作模式

并行式A/D轉換器（也稱為并行比較型A/D轉換器或閃速A/D轉換器）是一種高速模數轉換器，其特點在于能夠同時處理多個比較操作，從而實現快速的模數轉換。

一、結構

并行式A/D轉換器的核心結構主要由電阻分壓網絡（或參考電壓產生電路）、多個電壓比較器、寄存器以及編碼器組成。以下是各部分的詳細說明：

1. 電阻分壓網絡（或參考電壓產生電路） ：
   • 該部分負責產生多個參考電壓，這些參考電壓被用作電壓比較器的比較基準。在并行式A/D轉換器中，電阻分壓網絡通常將參考電壓（VREF）分成多個等級，每個等級對應一個比較器的參考電壓。
   • 例如，在3位并行比較型A/D轉換器中，可能需要8個電阻將VREF分成8個等級，其中7個等級的電壓分別作為7個比較器的參考電壓。
2. 電壓比較器 ：
   • 并行式A/D轉換器中包含多個電壓比較器，每個比較器都具有獨立的參考電壓輸入端和模擬信號輸入端。
   • 當模擬信號輸入時，所有比較器同時進行比較操作，將模擬信號與各自的參考電壓進行比較。如果模擬信號大于某個比較器的參考電壓，則該比較器輸出高電平（通常為1）；否則，輸出低電平（通常為0）。
3. 寄存器 ：
   • 寄存器用于存儲電壓比較器的輸出狀態(tài)。在并行式A/D轉換器中，每個比較器的輸出都連接到相應的寄存器上，以便在轉換過程中保持和傳輸這些狀態(tài)信息。
4. 編碼器 ：
   • 編碼器負責將寄存器中存儲的比較器輸出狀態(tài)轉換為最終的數字量輸出。編碼器通常是一個多輸出組合邏輯電路，它能夠根據所有比較器的輸出狀態(tài)生成一個唯一的數字編碼。

二、工作模式

并行式A/D轉換器的工作模式基于并行處理的原則，通過同時比較多個參考電壓來實現高速模數轉換。以下是其工作模式的具體步驟：

1. 取樣 ：
   • 在轉換開始之前，首先需要對模擬信號進行取樣操作。取樣操作通常由取樣-保持電路完成，該電路在取樣時刻將模擬信號捕獲并保持一段時間，以便進行后續(xù)的轉換處理。
2. 并行比較 ：
   • 取樣完成后，模擬信號被同時輸入到所有電壓比較器中。每個比較器都將模擬信號與其參考電壓進行比較，并輸出比較結果（高電平或低電平）。
   • 這一過程是并行的，即所有比較器同時進行比較操作，無需等待上一個比較器完成比較后再進行下一個比較。
3. 狀態(tài)存儲 ：
   • 電壓比較器的輸出狀態(tài)被存儲在相應的寄存器中。這些狀態(tài)信息代表了模擬信號與各個參考電壓之間的相對大小關系。
4. 編碼輸出 ：
   • 編碼器接收所有寄存器的輸出狀態(tài)，并根據這些狀態(tài)生成最終的數字量輸出。編碼過程通常涉及將比較器的輸出狀態(tài)轉換為二進制或其他形式的數字編碼。
5. 轉換完成 ：
   • 當所有比較器的輸出狀態(tài)都被正確存儲并編碼為數字量后，并行式A/D轉換器的轉換過程即告完成。此時，轉換器可以輸出轉換結果供后續(xù)的數字處理設備使用。

并行式A/D轉換器，模擬信號同時輸入到2N-1個帶鎖存的比較器中，每個比較器的參考電壓都比下一個的參考電壓高出一個LSB所代表的電壓值。當輸入的模擬信號出現在各個比較器的端口，參考電壓低于輸入信號電平的比較器輸出邏輯為1，參考電平高于輸入信號電平的比較器輸出邏輯為0。輸出結果送往譯碼邏輯處理，輸出最終的二進制結果。

并行式A/D轉換器內一般不含參考電壓產生電路，必須由外部提供，可能需要提供一個或多個參考電壓，經過低阻抗驅動后輸入，以獲得較好的積分線性度。

三、特點與優(yōu)勢

并行式A/D轉換器具有以下特點和優(yōu)勢：

1. 轉換速度快 ：
   • 由于并行處理的原則，并行式A/D轉換器能夠同時處理多個比較操作，從而顯著提高了轉換速度。這使得它在需要高速數據采集和處理的場合中具有廣泛的應用前景。
2. 電路結構復雜 ：
   • 隨著分辨率的提高，并行式A/D轉換器所需的電壓比較器和寄存器數量也會急劇增加。這導致電路結構變得非常復雜且成本高昂。因此，在實際應用中需要根據具體需求權衡分辨率和成本之間的關系。
3. 精度較高 ：
   • 并行式A/D轉換器的精度主要取決于電阻分壓網絡的精度、電壓比較器的靈敏度和編碼器的準確性等因素。通過優(yōu)化這些部件的設計和制造過程，可以獲得較高的轉換精度。
4. 動態(tài)范圍較寬 ：
   • 并行式A/D轉換器的動態(tài)范圍取決于參考電壓（VREF）的大小。通過選擇合適的VREF值，可以適應不同幅度的模擬信號輸入需求。
5. 適用于高速數據采集系統(tǒng) ：
   • 由于其高速轉換的特點，并行式A/D轉換器非常適合用于高速數據采集系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)通常要求在短時間內捕獲大量的模擬信號數據，并將其轉換為數字信號以便進行后續(xù)處理和分析。

綜上所述，并行式A/D轉換器以其高速轉換、高精度和寬動態(tài)范圍等特點在電子領域得到了廣泛應用。然而，其復雜的電路結構和較高的成本也限制了其在某些場合下的應用。因此，在選擇A/D轉換器時需要根據具體需求進行綜合考慮和權衡。