简单认识逐次比较式A/D转换器

逐次比较式A/D转换器（也称为逐位比较式A/D转换器）是模数转换器（A/D Converter, ADC）的一种重要类型，广泛应用于各种需要高精度和中等速度模数转换的场合。

一、特点

1. 高精度
   • 逐次比较式A/D转换器通过逐位比较的方式，能够逐步缩小模拟信号与推测信号之间的差距，从而实现高精度的模数转换。这种转换方式使得转换器在需要高分辨率的应用中具有广泛的应用前景。
   • 转换精度主要取决于SAR（逐次逼近比较寄存器）和D/A（数模转换器）的位数。随着位数的增加，转换精度也会相应提高。
2. 转换时间固定
   • 逐次比较式A/D转换器的转换时间是固定的，不随输入信号的变化而变化。这一特点使得它能够在不同的工作条件下保持稳定的性能，适用于需要稳定转换时间的场合。
3. 转换速度快
   • 相比于积分型A/D转换器，逐次比较式A/D转换器采用了逐位比较的方式，能够快速地完成模数转换过程。这使得它在需要高速数据采集的场合中具有明显的优势。
4. 抗干扰能力强
   • 逐次比较式A/D转换器具有较强的抗干扰能力，能够在噪声环境下保持稳定的性能，确保转换结果的准确性。这一特点使得它在复杂的工作环境中也能可靠地工作。
5. 适中的电路规模
   • 逐次比较式A/D转换器的电路规模属于中等水平，既不像并行比较型A/D转换器那样需要大量的比较器，也不像积分型A/D转换器那样需要复杂的积分电路。这使得它在成本和性能之间达到了较好的平衡。
6. 价格适中
   • 在低分辨率（<12位）的应用中，逐次比较式A/D转换器的价格相对较为便宜。然而，在高精度（>12位）的应用中，其价格可能会相对较高。但总体而言，它的价格相对于其他类型的A/D转换器来说仍然是适中的。

二、结构

逐次比较式A/D转换器主要由以下几个部分组成：逐次逼近比较寄存器（SAR）、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等。

1. 逐次逼近比较寄存器（SAR）
   • SAR是逐次比较式A/D转换器的核心部件之一，用于存储和更新推测信号的数字量。在转换过程中，SAR从最高位开始逐位设定数字量，并通过D/A转换器转换为模拟信号（推测信号），与待转换的模拟输入信号进行比较。
2. D/A转换器
   • D/A转换器用于将SAR中的数字量转换为模拟信号（推测信号）。这个模拟信号将与待转换的模拟输入信号进行比较，以确定下一位的数字量。D/A转换器的精度和稳定性对逐次比较式A/D转换器的整体性能有重要影响。
3. 比较器
   • 比较器是逐次比较式A/D转换器的另一个关键部件，用于比较模拟输入信号和推测信号。根据比较结果，比较器会输出相应的信号给控制逻辑部分，以调整推测信号的数字量。
4. 时序和控制逻辑
   • 时序和控制逻辑负责控制整个转换过程的时序和逻辑。它根据比较器的输出信号调整SAR中的数字量，并控制D/A转换器的转换过程。同时，时序和控制逻辑还负责处理转换结束后的输出信号，以便将转换结果输出给后续的数字设备处理。

三、工作原理

逐次比较式包括一个高分辨率比较器、高速DAC和控制逻辑，以及逐次比较寄存器SAR。

模拟信号加到比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端与D/A转换器的输出端相连。

转换过程：转换命令发出，DAC的半量程MSB输出与输入信号比较，若输入高于MSB，该位保持为高。对下一比特1/4量程进行比较，若加上第二位仍小于输入信号，第二位保持高。依次类推，直到最低位。转换过程结束，指示输出寄存器为有效信号。

逐次比较式A/D转换器的工作原理基于二分法逼近的原理。具体来说，它首先将来自传感器的模拟输入信号与推测信号进行比较。如果模拟输入信号大于推测信号，则比较器输出为1，控制逻辑将使推测信号增大；反之，如果模拟输入信号小于推测信号，则比较器输出为0，控制逻辑将使推测信号减小。这个过程会不断重复，直到推测信号与模拟输入信号相等或足够接近为止。

在转换过程中，逐次比较式A/D转换器采用了一种逐位比较的方式。它从SAR的最高位开始，依次对每一位进行比较和判断。如果某一位的比较结果为1，则将该位置为1；否则，将该位置为0。通过这种方式，逐次比较式A/D转换器能够逐步缩小模拟信号与推测信号之间的差距，最终实现高精度的模数转换。

四、应用领域

逐次比较式A/D转换器广泛应用于各种领域，包括音频处理、生物医学设备、通信系统和无线电频谱监测等。

• 生物医学设备 ：在心电图仪、血压计等生物医学设备中，逐次比较式A/D转换器用于实时地将生理信号转换为数字信号，有助于医生更准确地诊断疾病和监测患者的健康状况。
• 通信系统 ：在通信系统中，逐次比较式A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号以便于进行数字信号处理，这有助于提高通信系统的传输效率和可靠性。
• 无线电频谱监测 ：在无线电频谱监测中，逐次比较式A/D转换器用于将无线电频谱转换为数字信号以便于进行实时监测和分析，有助于实现频谱管理和频谱分配等功能。

综上所述，逐次比较式A/D转换器以其高精度、转换时间固定、转换速度快、抗干扰能力强以及适中的电路规模和价格等特点，在现代电子系统中发挥着重要作用。随着科技的不断发展进步和人们对于数字化处理需求的不断增长，逐次比较式A/D转换器将会得到更加广泛的应用和发展。