專利名稱：置換式分級并行a／d轉(zhuǎn)換的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子計算機和數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明，是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(以下簡稱A/D轉(zhuǎn)換)的方法。
A/D轉(zhuǎn)換方法主要有三種雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換和并行A/D轉(zhuǎn)換。三者各有優(yōu)缺點，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是抗干擾能力強，缺點是速度較慢；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是精度高，速度較快，轉(zhuǎn)換時間固定，易與微機接口；并行A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是速度最快，缺點是難以提高分辨率，因為隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增加，一個m位分辨率的轉(zhuǎn)換器，所用的比較器數(shù)目為2m-1個。
圖1中雙虛線框框住的部分，本文稱之為基本并行A/D轉(zhuǎn)換器，以下簡稱為基本ADC，由基本分壓元件(電阻或電容)鏈P0～P7、七個可鎖存的比較器C1～C7和優(yōu)先編碼器組成。對于基本ADC，為了解決提高分辨率會急劇增加元件數(shù)的矛盾，1976年有人發(fā)明了串并列式轉(zhuǎn)換方法(Pretzl；G.Schnelle Analog-Digital-Umsetzer.Elektronik25(1976)Nr.12，S.36-42.)。參閱(電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分/康華光主編，3版，北京，高等教育出版社，1988.10；第387頁。ISBN 7-04-001622-2)。例如8位轉(zhuǎn)換器，先經(jīng)過第一級四位并行A/D轉(zhuǎn)換得到高四位，再將高四位進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到一模擬量，將輸入電位與這模擬電位相減，得到的差再進(jìn)行四位并行A/D轉(zhuǎn)換得到低四位輸出。這種方法雖然在速度上作出了一點犧牲，卻大大減少了元件數(shù)，在需要兼顧分辨率和速度的情況下常被采用。通常將這種方法稱為串并列式ADC。
(兩級)m位串并列式ADC需要兩組m/2位的并行ADC和一個DAC組成，一是不夠簡便；二是需要反復(fù)經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換，增加了產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差的概率，三是影響了速度。本發(fā)明的目的是解決這三個問題。以下將本發(fā)明簡稱為置換式分級ADC。
置換式ADC主要由基本ADC、分壓鏈和多路開關(guān)組成，其關(guān)鍵點之一是采用了分壓鏈(包括電阻式分壓鏈和電容式分壓鏈)，兩種分壓鏈可以互相替換，例如對于電阻式分壓鏈(簡稱電阻鏈)，只要電容式分壓鏈(簡稱電容鏈)的分壓關(guān)系與之相同，就可以改換成電容式分壓鏈。所以，為了描述簡便，本文件先提出以下約定①、分壓元件P指電阻或電容，如果是電阻，P的量值為電阻值；如果是電容，P的量值為電容值的倒數(shù)，簡稱容倒；②、用k充當(dāng)1級、2級、3級……的通配符。③、分壓鏈主要用電阻鏈進(jìn)行描述，而權(quán)利要求是包括電阻鏈和電容鏈；④、若一個分壓鏈?zhǔn)怯煞謮烘溕喜亢拖虏颗鋵Χ?，稱配對式；⑤、若一個分壓鏈?zhǔn)怯扇舾蓡蝹€分壓元件臨時組合而成，稱搭配式；⑥、使用分壓鏈時，按一級鏈、二級鏈、三級鏈順序工作，稱正序式；⑦、使用分壓鏈時，按三級鏈、二級鏈、一級鏈順序工作，稱逆序式；⑧、每級m位即2m＝n檔，稱為每級分n檔；先給出


，有助于對本發(fā)明的描述。
圖1——配對式分8檔的二級轉(zhuǎn)換；兼基本ADC圖，圖2——正序配對式分8檔的三級轉(zhuǎn)換；圖3——逆序配對式分8檔的四級轉(zhuǎn)換(直接連接)；圖4——逆序配對式分8檔的四級轉(zhuǎn)換(帶捷徑多路開關(guān)S和S’連接)；圖5——配對式非線性分16檔的二級轉(zhuǎn)換；圖6——實施例1的一級分壓鏈走向示意圖；圖7——配對式非線性分4檔的四級轉(zhuǎn)換；圖8——搭配式分16檔的三級轉(zhuǎn)換；圖9——電位差式分16檔的二級轉(zhuǎn)換；9個附圖中，基本上是相同或類似的元件，因為用1、2、3、4……的標(biāo)號方法難以表述，所以統(tǒng)一給出元器件本身的標(biāo)號給予說明。從簡明起見，采用根據(jù)附圖來查找元器件說明的辦法，附圖中的元器件都能夠在下面的元器件分類中找到說明。
圖1～圖9的共同元器件和符號包括A/D——基本ADC，是附圖中用雙虛線框圍住的部分?；続DC中包括(P0～P7～PF)——基本分壓鏈的分壓元件；(C1～C7～CF)——可鎖存的比較器；BMQ——優(yōu)先編碼器；(I0～I(xiàn)7～I(xiàn)F)——優(yōu)先編碼器的輸入端；(D3、D2、D1、D0)——優(yōu)先編碼器的數(shù)字量輸出端；VI——模擬電位值；CBQ——采樣保持器；CP——時鐘脈沖端；(T、T’)——基本分壓鏈的高、低電位端；(VP0～VP7～VPF)——基本分壓鏈的即時電位(不同的連接位置有不同的取值)；+VP和-VP——正、負(fù)總參考電位點。
對圖1～圖7的元器件和符號說明包括(k＝1，2，3，4)多路開關(guān)類Sk——第k級分壓鏈上部的多路開關(guān)(如S2——第2級分壓鏈上部的多路開關(guān))；hkg——Sk的公共端；(hk1～hk8～hkF)——Sk的第1路端～第8路端～第F路端；S’k——第k級分壓鏈下部的多路開關(guān)；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；h3y——(圖2)控制P3y的開關(guān)；S——(圖4)上部分的捷徑多路開關(guān)；hg——S的公共端；(h2、h3)——S的第2路端和第3路端；S’——下部分的捷徑多路開關(guān)；h’g——S’的公共端；(h’2、h’3)——S’的第2路端和第3路端；St——(圖5、圖7)鏈調(diào)整分壓元件的多路開關(guān)；hgt——St的公共端；(h8t～hFt)——St的第8路端～第F路端；(V0～V7～VF)——第一級子參考電位點(只有一個下標(biāo))；(V30～V38和V50～V58)——第二級子參考電位點(有兩個下標(biāo))；(V540～V548)——第三級子參考電位點(有三個下標(biāo))。(VP0～VP8～VPF)——基本分壓鏈的即時電位；(P11～P18～P1F)——第一級分壓鏈上部的分壓元件(電阻或電容)；(P’10～P’17～P’1E)——第一級分壓鏈下部的分壓元件；(P21～P27)——第二級分壓鏈上部的分壓元件；(P’20～P’26)——第二級分壓鏈下部的分壓元件；(P31～P37)——第三級分壓鏈上部的分壓元件；(P’30～P’36)——第三級分壓鏈下部的分壓元件；(P’0～P’3～P’F)——(圖5、7)基本分壓鏈的單個調(diào)整分壓元件；(P8t、P9t、PAt、PBt、PCt、PDt、PEt、PFt)——基本分壓鏈的鏈調(diào)整分壓元件；P3y——(圖2)第三級轉(zhuǎn)換時與基本分壓鏈并聯(lián)的鏈調(diào)整元件。
對圖8的特有元器件和符號說明包括(圖8中，定義PZ為基本分壓鏈的總值)(1*PZ、2*PZ、4*PZ、8*PZ、16*PZ、32*PZ、64*PZ、128*PZ)——可搭配式(1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍)分壓元件；(S1*、S2*、S4*、S8*、S*、S**)——公共端連接到(1*PZ、2*PZ、4*PZ、8*PZ、+VP、T’)的多路開關(guān)；S8*中的(1、2、4、T、地)——多路端，分別連接到(1*PZ、2*PZ、4*PZ、T、地)以供選通；S1*、S2*、S4*、S*和S**與S8*的表示法相同。
對圖9的特有元器件和符號說明，減法和放大電路——單虛線框內(nèi)部分，包括CS——運算放大器；(RS0～RS7)——減法和放大電路中的反饋分壓元件；(R1S、R2S、R3S)——(圖9)電阻；SS——選擇輸入路徑的多路開關(guān)；h1s——第一級轉(zhuǎn)換通道；h2s——第二級轉(zhuǎn)換通道；VI——第一級轉(zhuǎn)換時的模擬電壓，V’I——第二級轉(zhuǎn)換時的模擬電壓。
為了清楚地描述直接式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的原理，首先描述目前的基本ADC的原理。圖1中雙虛線框框住的部分就是基本ADC，由基本分壓鏈P0～P7、七個可鎖存的比較器C1～C7和優(yōu)先編碼器組成，令T端接到總參考電位點VP，T’端接到地電位V0＝0，就成為輸出為三位的基本ADC的原理圖。八個分壓元件P0＝P1＝……＝P7將總參考電位VP均分為八個等級，其子參考電位點分別為V0＝0、V1＝VP/8、V2＝2*VP/8、V3＝3*VP/8、V4＝4*VP/8、V5＝5*VP/8、V6＝6*VP/8、V7＝7*VP/8。其中V1～V7七個等級的電位分別作為七個比較器C1～C7的參考電位，模擬輸入電位為VI，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)，例如，當(dāng)0≤VI＜V1時，C1～C7的輸出狀態(tài)都為0，當(dāng)V2≤VI＜V3時，比較器C1和C2的輸出為1，其余各比較器的狀態(tài)均為0。根據(jù)各比較器的參考電位值，可以確定輸入模擬電位值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字輸出量D0、D1、D2。用表1列出輸入與輸出的關(guān)系。
表1三位基本A/D器輸入與輸出的關(guān)系對照表
反過來進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換到范圍值的中點，如D2、D1、D0＝011，轉(zhuǎn)換成模擬量為V3與V4的中點3.5*VP/8，以保證量化誤差相等。
在說明本發(fā)明的原理時，先提出以下約定①、三位基本ADC的基本分壓鏈由分壓元件P0～P7共8個組成，四位基本ADC的基本分壓鏈由分壓元件P0～P9、PA、PB、PC、PD、PE、PF共16個組成(下標(biāo)采用16進(jìn)制的計數(shù)方式)。②、分級分壓鏈為雙下標(biāo)，如PKX表示第k級分壓鏈中的第X號分壓元件，如果分壓鏈由16個分壓元件組成，第二下標(biāo)采用16進(jìn)制的計數(shù)方式；③、對于配對式分級轉(zhuǎn)換，第k級分壓鏈與基本分壓鏈中的電阻(容倒)值對應(yīng)成比例，即P0/Pk0＝P1/Pk1＝……＝P7/Pk7＝P8/Pk8＝……＝PF/PkF；④、假定基本分壓鏈中分壓元件的個數(shù)為n，將P0+P1+…+P(n-1)簡記為∑Pt，默認(rèn)∑的t＝(0…n-1)。⑤、Pk1～Pk(n-1)稱為第k級分壓鏈上部，P’k0～P’k(n-2)稱為第k級分壓鏈下部，合并稱為第k級分壓鏈對，其中對應(yīng)分壓元件的參數(shù)相等，即PkX＝P’kX；⑥、當(dāng)一個分壓鏈對連接成一個分壓鏈時，分壓鏈中的分壓元件從0號到n-1號，應(yīng)該不多一個(如不會出現(xiàn)Pk6同時還出現(xiàn)P’k6)，也不少一個(如不會在分壓元件個數(shù)等于8分壓鏈中，同時缺少Pk6和P’k6)。將一個分壓鏈對連接成一個分壓鏈時稱為分壓鏈合成。將P’k0+P’k1+…+Pk(n-2)+Pk(n-1)簡記為∑Pkt，⑦、設(shè)模擬電位VI不超出測量范圍，如果有某個分壓元件中的某一點電位與VI相等，則稱該分壓元件為等壓元件(包括等壓電阻或等壓電容)。⑧、Vabc的意思是該電位處在第一級的a檔，第二級的b檔，第三級的c檔。⑨、多路開關(guān)均為雙向開關(guān)，其頂端hkg或底端h’kg為公共端，連接多個分壓元件的一側(cè)(hk1～hk8)為多路輸入端，每次只選中多路輸入端中的一路與公共端接通，簡稱選通端，選通端與公共端之間的分壓元件稱被選中分壓元件；⑩、選通通路是根據(jù)電址編碼而定，圖中沒有畫出編碼端，只根據(jù)文字給予說明。多路開關(guān)的開關(guān)壓降值折合到相鄰的分壓元件中。
本發(fā)明是一種分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其特征是包括了基本ADC和分級分壓鏈，用基本ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為一級數(shù)字量，并確定一級等壓元件；然后連接出第一級分壓鏈，并以一級等壓元件上的電壓范圍作為參考電壓，再度用基本ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為二級數(shù)字量，并確定二級等壓元件，依次類推，分級測試出模擬電位值對應(yīng)的各級數(shù)字輸出量。
方法一分壓鏈組對調(diào)整法。進(jìn)行第一級轉(zhuǎn)換時，用基本ADC直接測試出模擬電位值對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量，同時確定第一級等壓元件；然后做三件事，①、用調(diào)整分壓元件(鏈調(diào)整分壓元件和單個調(diào)整分壓元件)與基本分壓鏈組合成基本調(diào)整鏈，與第一級等壓元件等值；②、將一級分壓鏈對進(jìn)行合成，并將基本調(diào)整鏈作為一級等壓元件合成到一級分壓鏈中；③、用基本ADC直接測試出模擬電位值對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量，同時確定第二級等壓元件；依次類推進(jìn)行以下級轉(zhuǎn)換。該方法可以進(jìn)行線性或非線性轉(zhuǎn)換，如果令相同分壓鏈中每個分壓元件都相等就成了線性轉(zhuǎn)換，如果令相同分壓鏈中的分壓元件值不相等就成了非線性轉(zhuǎn)換，比如令相同分壓鏈中的分壓元件值成等比數(shù)列就成了對數(shù)特性轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)趉級分壓鏈上部和下部合成第k級分壓鏈時，用(第k+1)級基本調(diào)整鏈等價置換第k級等壓元件。
實施例1，正序配對式分8檔，方法一的線性編碼(令同一級分壓鏈中的各個分壓元件等值)實施例(結(jié)合圖1說明)進(jìn)行第一級轉(zhuǎn)換。令S1中的h18為選通端，于是Th1gh18VP；令S’1中的h’10為選通端，于是T’h’1gh’10地；只要將h1gh18之間的導(dǎo)通電阻r折合到P7，h’1gh’10之間的導(dǎo)通電阻r折合到P0，就是將T端接到了VP，T’端接到了地，成為輸出為三位的基本ADC的原理圖，完成第一級轉(zhuǎn)換，同時確定第一級等壓元件。假定比較器C3輸出為“1”，C4輸出為“0”，可知第一級數(shù)字輸出量為D2、D1、D0＝011，模擬電位值VI應(yīng)該是大于等于Vp3且小于Vp4，即落在P3的電位范圍之內(nèi)，所以P3為基本等壓元件。
進(jìn)行第二級轉(zhuǎn)換。第一步是將一級分壓鏈(由上部和下部)合成，因為P3為基本等壓元件，所以與P3相對應(yīng)的一級分壓鏈中的P13為一級等壓元件，[因為已經(jīng)約定第k級分壓鏈與基本分壓鏈中的電阻(容倒)值對應(yīng)成比例，即P0/Pk0＝P1/Pk1＝……＝P7/Pk7＝P1/Pk1＝……＝PF/PkF]，合成后的鏈應(yīng)該為P17P16P15P14P13P’12←→P’11P’10；因為已知P13為一級等壓元件，需要用下級分壓鏈進(jìn)行置換，如果設(shè)計時，令∑Pt＝P7+…+P0＝P13，又控制令使h14和h’13為選通端，就實現(xiàn)了由基本分壓鏈∑Pt等值取代一級等壓元件P13的目的，將圖1電路連接成以下走向+VPP17…P14h14h1gT(P7…P0)T’h’1gh’13P’12P’11P’10地；簡化后，整個回路成了圖6的接線走向+VPP17…P14(P7…P0)P’12P’11P’10地；由于基本ADC的T和T’分別改接至V4和V3，基本分壓鏈將P13的電壓范圍V4至V3再細(xì)分為8份，所以用基本ADC可以直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量，同時確定第二級等壓元件。
表2三位基本A/D器關(guān)于第二級輸入與輸出的關(guān)系對照表
假定比較器C5輸出為“1”，C6輸出為“0”，可知第二級數(shù)字輸出量為D2、D1、D0＝101。繼續(xù)上面的分析，再擴展到(圖2)三級轉(zhuǎn)換。因為模擬電位值VI應(yīng)該是大于等于V35且小于V36，即落在P5的電位范圍之內(nèi)，所以P5為基本等壓元件，對應(yīng)的(圖2)P25為二級等壓元件?？刂屏钍筯26和h’25為選通端，就由基本分壓鏈∑Pt(非等值)取代二級等壓元件P25，如果要實現(xiàn)等值取代二級等壓元件P25的目的，應(yīng)該將基本分壓鏈并聯(lián)一個鏈調(diào)整元件P3y，使得基本分壓鏈與P3y并聯(lián)后的值等于P25。圖2電路連接成以下走向+VPP17…P14(P27P26(P3y∥∑Pt)P’24…P’20)P’12P’11P’10地；再由基本分壓鏈將P25的電壓范圍再細(xì)分為8份(V35、V351、V352、…、V356、V357、V36)，所以用基本ADC可以直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第三級數(shù)字輸出量，同時確定第三級等壓元件。以后級別的轉(zhuǎn)換依次類推。
假定是四級轉(zhuǎn)換，以上方法是按一級鏈、二級鏈、三級鏈、四級鏈的順序轉(zhuǎn)換的，為正序轉(zhuǎn)換，三級鏈和四級鏈就要用到鏈調(diào)整分壓元件P’3y、P’4y；如果按四級鏈、三級鏈、二級鏈、一級鏈的順序轉(zhuǎn)換，為逆序轉(zhuǎn)換，可以省去鏈調(diào)整分壓元件P’3y、P’4y。請注意，在逆序轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換全部完成前，k級轉(zhuǎn)換并不對應(yīng)k級鏈。
實施例2，逆序配對式，方法一的線性編碼(圖3中)令同一級分壓鏈中的各個分壓元件值相等，且∑Pt＝P31＝P3x、∑P3t＝P21＝P2x、∑P2t＝P11＝P1x，于是，可以用基本分壓鏈等價置換三級分壓鏈中的任一分壓元件，用三級分壓鏈等價置換二級分壓鏈中的任一分壓元件，用二級分壓鏈等價置換一級分壓鏈中的任一分壓元件。由于這種方法最好，又最難說清楚，所以先描述一下“傳遞法”思路。有甲、乙、丙、丁四人遞磚，①、丁拿起第一塊；②、丁傳遞給丙，并且丁拿起第二塊；③、丙傳遞給乙，丁傳遞給丙，并且丁拿起第三塊；④、乙傳遞給甲，丙傳遞給乙，丁傳遞給丙，并且丁拿起第四塊。于是最后結(jié)果為甲拿到第一塊，乙拿到第二塊，丙拿到第三塊，丁拿到第四塊。
①、進(jìn)行第一級轉(zhuǎn)換時與實施例1相同，由基本ADC(丁)完成第一級轉(zhuǎn)換，電路走向為(圖3)+VPh18h1gh28h2gh38h3gTP7…P0T’h3gh’30h’2gh’20h’1gh’10地；如果用電容鏈，可以不考慮多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻，可以化簡為+VPTP7…P0T’地；成為輸出為三位的基本ADC的原理圖，完成第一級轉(zhuǎn)換，同時確定第一級等壓元件。假定確定了第一級數(shù)字輸出量為D2、D1、D0＝101。這時的P5為一級基本等壓元件。
②、第二級轉(zhuǎn)換。將基本分壓鏈(丁)的一級分壓關(guān)系傳遞到三級分壓鏈(丙)，同時將第一級等壓元件由P5傳遞到P35，P35為臨時一級等壓元件，然后由基本分壓鏈等價置換第一級等壓元件P35，由基本ADC將P35上的電位細(xì)分為8檔，對P35上的電位進(jìn)行第二級轉(zhuǎn)換，測試出VI對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量。假定比較器C4輸出為“1”，C5輸出為“0”，可知第二級數(shù)字輸出量為D2、D1、D0＝100。同時確定第二級等壓元件為P4。
③、第三級轉(zhuǎn)換，將三級鏈(丙)的一級分壓關(guān)系傳遞到二級分壓鏈(乙)，同時將第一級等壓元件由P35傳遞到P25；將基本分壓鏈(丁)的二級分壓關(guān)系傳遞到三級分壓鏈(丙)，同時將第二級等壓元件由P4傳遞到P34；由基本分壓鏈對P34進(jìn)行等價置換；由基本ADC對P34上的電位進(jìn)行第二級轉(zhuǎn)換，測試出模擬電位VI對應(yīng)的第三級數(shù)字輸出量。假定比較器C1輸出為“1”，C2輸出為“0”，可知第三級數(shù)字輸出量為D2、D1、D0＝001。同時確定第三級等壓元件為P1。
④、第四級轉(zhuǎn)換，將二級鏈(乙)的一級分壓關(guān)系傳遞到一級分壓鏈(甲)，同時將第一級等壓元件由P25傳遞到P15；將三級鏈(丙)的二級分壓關(guān)系傳遞到二級分壓鏈(乙)，同時將第二級等壓元件由P34傳遞到P24；將基本分壓鏈(丁)的三級分壓關(guān)系傳遞到三級分壓鏈(丙)，同時將第三級等壓元件由P1傳遞到P31；由基本分壓鏈對P31進(jìn)行等價置換；所以可以用基本ADC測試出模擬電位VI對應(yīng)的第四級數(shù)字輸出量。
最后的電路走向圖為(圖3)+VPP17P16h16h1gP27P26P25h25h2gP37P36P35P34P33P32h32h3g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。(圖3電路)第一級轉(zhuǎn)換時，電路走向為+VPh18h1gh28h2gh38h3gTP7…P0T’h’3gh’30h’2gh’20h’1g←→h’10地；如果用分壓鏈，必須附加三級多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻，影響轉(zhuǎn)換精度，所以將電路改為(圖4)，增加一個上部分的捷徑多路開關(guān)S和一個下部分的捷徑多路開關(guān)S’；電路走向為+VPhgh3TP7…P0T’h’3h’g地。S和S’的導(dǎo)通電阻分別折合到P7和P0中，由于S3和S’3的導(dǎo)通電阻也是分別折合到P7和P0中，所以電阻折合值大小剛好相等，解決了影響轉(zhuǎn)換精度難題。
采用分級分壓鏈組對調(diào)整法和電位差轉(zhuǎn)換法時，進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換的方法是令相同分壓鏈中每個分壓元件都相等，進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換的方法是令相同分壓鏈中的分壓元件值不相等，令相同分壓鏈中的分壓元件值成等比數(shù)列就成了對數(shù)特性轉(zhuǎn)換；還可以線性與非線性混合使用，在前面級別的轉(zhuǎn)換進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，后面級別的轉(zhuǎn)換進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換。
施例4，在數(shù)字通信技術(shù)中，通常采用非線性編碼來提高信噪比。采用配對式對數(shù)特性分檔方式是很好的，施例4為方法一的等比數(shù)列法分16檔非線性編碼。
圖5為等比數(shù)列數(shù)法編碼電路原理圖。進(jìn)行對數(shù)特性轉(zhuǎn)換；將基本分壓鏈和一級分壓鏈的16段分壓元件的分壓元件值(電阻值或容倒值)按等比數(shù)列規(guī)則設(shè)計成正負(fù)各8大段，各大段按等比數(shù)列規(guī)則設(shè)計分壓元件值，令基本分壓鏈與一級分壓鏈的對應(yīng)分壓元件等值(或?qū)?yīng)成比例)。如果按照近似于對數(shù)曲線進(jìn)行信號壓縮，因為V8＝0電位，所以基本分壓鏈和一級分壓鏈分壓元件值的設(shè)計方案是中間小，兩頭大。令分壓元件值①、公比為q(q≥1)；②、P1x＝P’1x；③、P8＝P18＝P7＝P’17＝P，P9＝P19＝P6＝P’16＝q*P，PA＝P1A＝P5＝P’15＝q2*P，PB＝P1B＝P4＝P’14＝q3*P，PC＝P1C＝P3＝P’13＝q4*P，PD＝P1D＝P2＝P’12＝q5*P，PE＝P1E＝P1＝P’11＝q6*P，PF＝P1F＝P0＝P’10＝q7*P。
一級轉(zhuǎn)換時，令多路開關(guān)st全不通且單個調(diào)整分壓元件(P’0～P’F)全部斷開，一級轉(zhuǎn)換后，圖5中正半?yún)^(qū)，V8＝0，V9＝P，VA＝V9+q*P，VB＝VA+q2*P，VC＝VB+q3*P，VD＝VC+q4*P，VE＝VD+q5*P，VF＝VE+q6*P，+VP＝VF+q7*P；如果用縱坐標(biāo)表示數(shù)字輸出量(0，1，…，7，8)，橫坐標(biāo)表示電位(V8～VP)，成為8大段對數(shù)折線，加上負(fù)半?yún)^(qū)8大段對數(shù)折線，(由于正半?yún)^(qū)和負(fù)半?yún)^(qū)結(jié)合部的兩條折線合并成一條折線)合成為正負(fù)各8大段的15段對數(shù)折線，共16大段，所以一級轉(zhuǎn)換共四位輸出。
二級轉(zhuǎn)換時，要將各大段內(nèi)的電位等比地分為16小段，單個調(diào)整分壓元件(P’0～P’F)對基本分壓鏈進(jìn)行調(diào)整(P’0∥P0＝P”0，P’1∥P1＝P”1，……，P’F∥PF＝P”F)，當(dāng)一級等壓元件處在正8大段時，要將基本分壓鏈調(diào)整成等比q加大，對等壓元件進(jìn)行替換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，PA＝q2*P，PB＝q3*P，PC＝q4*P，PD＝q5*P，PE＝q6*P，PF＝q7*P；當(dāng)一級等壓元件處在負(fù)8大段時，要將基本分壓鏈調(diào)整成從大到小對等壓元件進(jìn)行替換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。
設(shè)PZ＝P0+…+P7+P”8+…+P”F＝P”0+…+P”7+P8+…+PF；由于一級等壓元件有8個不同的值，所以要使用鏈調(diào)整分壓元件P8t～PFt使得基本調(diào)整鏈能夠等價置換任何一個一級等壓元件，令P8t∥PZ＝P17＝P18，P9t∥PZ＝P16＝P19，PAt∥PZ＝P15＝P1A，PBt∥PZ＝P14＝P1B，PCt∥PZ＝P13＝P1C，PDt∥PZ＝P12＝P1D，PEt∥PZ＝P11＝P1E，PFt∥PZ＝P10＝P1F；然后通過控制多路開關(guān)St，在鏈調(diào)整分壓元件P8t～PFt中調(diào)用合適的一個與調(diào)整分壓鏈并聯(lián)，可以等價置換任何一個一級等壓元件，于是，將每個大段的電位都可以按等比數(shù)列的規(guī)則分為16小段。二級轉(zhuǎn)換也是四位輸出。一、二級轉(zhuǎn)換合并起來，形成正負(fù)各128折線的壓縮特性曲線。將調(diào)整后基本分壓鏈簡稱基本調(diào)整鏈。
將施例4進(jìn)行簡化，可以得到目前使用的13折線法。
施例5，(圖7)方法一的配對式非線性分4檔四級轉(zhuǎn)換。以等比數(shù)列法編碼為例，基本分壓鏈安排為P0＝P3＝q1*P，P1＝P2＝P；一級轉(zhuǎn)換后，成為正負(fù)各兩大段，P0和P3段長是P1和P2的q倍，相鄰大段之間的比例為q。正負(fù)各兩大段，共4大段為兩位，一級轉(zhuǎn)換共兩位輸出。進(jìn)行二級轉(zhuǎn)換時，如果等壓元件在正半?yún)^(qū)，單個調(diào)整分壓元件(P’0和P’1)將基本分壓鏈調(diào)整為(P”0＝q-2*P，P”1＝q-1*P，P2＝P；P3＝q1*P)；如果等壓元件在正半?yún)^(qū)，單個調(diào)整分壓元件(P’2和P’3)將基本分壓鏈調(diào)整為(P0＝q1*P，P1＝P，P”2＝q-1*P；P”3＝q-2*P)；簡稱調(diào)整分壓鏈，其中(P”0＝P0∥P’0，P”1＝P1∥P’1，P”2＝P2∥P’2；P”3＝P3∥P’3)，然后用調(diào)整后基本分壓鏈等價置換第一級等壓元件，由基本ADC得到第二級轉(zhuǎn)換值的兩位輸出。進(jìn)行三級轉(zhuǎn)換時，用鏈調(diào)整分壓元件(P8t、P9t、PAt、PBt)對調(diào)整分壓鏈再次進(jìn)行調(diào)整，使之可以等價置換任何一個第二級等壓元件，由基本ADC得到第三級轉(zhuǎn)換值的兩位輸出。進(jìn)行四級轉(zhuǎn)換時，用鏈調(diào)整分壓元件(PCt、PDt、PEt、PFt)對調(diào)整分壓鏈再次進(jìn)行調(diào)整，使之可以等價置換任何一個第三級等壓元件，由基本ADC得到第四級轉(zhuǎn)換值的兩位輸出。四級共實現(xiàn)正負(fù)各7位的等比數(shù)列分段(各128段)。
方法二開關(guān)搭配分壓鏈法(即搭配式)(圖8)。設(shè)PZ＝P0+…+P7+…+PF，設(shè)計一組可搭配分壓元件，可以在有效范圍內(nèi)搭配成PZ的任意整數(shù)倍分壓元件值。(如可搭配分壓元件為1*PZ、2*PZ、4*PZ、8*PZ、16*PZ、32*PZ、64*PZ、128*PZ；可以任意搭配成1*PZ～255*PZ的分壓元件值)。先用基本ADC完成一級轉(zhuǎn)換，并確定第一級等壓元件后，將可搭配分壓元件與(基本分壓鏈PZ)搭配成一級分壓鏈，使(基本分壓鏈PZ)正好等價置換第一級等壓元件。然后用基本ADC完成二級轉(zhuǎn)換，并確定第二級等壓元件后，再將可搭配分壓元件與(基本分壓鏈PZ)重新搭配成一、二級分壓鏈，使PZ正好等價置換第二級等壓元件。依次類推。
施例6，方法二的線性編碼例(圖8)每個可搭配分壓元件由一個分壓元件連接多路開關(guān)公共端組成，多路輸入端中的每一路(1、2、4、8、16、32、64、128、T、地)分別通過導(dǎo)線連接對應(yīng)的分壓元件或接頭(1*PZ、2*PZ、4*PZ、8*PZ、16*PZ、32*PZ、64*PZ、128*PZ、T、地)；所以通過對多路輸入端的選擇，可以將可搭配分壓元件任意搭配成1*PZ～255*PZ的分壓元件值。由于可搭配分壓元件都是從大到小取值，所以每個可搭配分壓元件的多路輸入端只需要考慮小分壓元件即可，例如，8*PZ的多路輸入端就只需要(1、2、4、T、地)。
用基本ADC完成一級轉(zhuǎn)換，假定得到D3、D2、D1、D0＝1011，(1011換算成16進(jìn)制后等于B)，并確定第一級等壓元件為PB。搭配成一級分壓鏈時，基本分壓鏈(PZ)應(yīng)該在位置(16進(jìn)制)B，B以下的分壓元件值共11*PZ，用1*PZ、2*PZ、8*PZ四個串聯(lián)后替代(圖8，用觸頭T’連接)；B以上的分壓元件值共4*PZ，用4*PZ替代(用觸頭T連接)。
基本分壓鏈等值替換一級等壓元件后，用基本ADC完成二級轉(zhuǎn)換，假定得到D3、D2、D1、D0＝0100，(0100換算成16進(jìn)制后等于4)，并確定第二級等壓元件為P4。得到基本分壓鏈以下的分壓元件值共16*(11*PZ)+4*PZ，用4*PZ、16*PZ、32*PZ、128*PZ四個串聯(lián)后替代(圖8，將觸頭T’改連接至128*PZ的上端)；基本分壓鏈以上的分壓元件值共16*(4*PZ)+11*PZ，用1*PZ、2*PZ、8*PZ、64*PZ四個串聯(lián)后替代(將觸頭T’改連接至1*PZ的下端)，完成了基本分壓鏈對二級等壓元件P4的等價置換，這時可以用基本ADC完成三級轉(zhuǎn)換。依次類推。
方法三電位差轉(zhuǎn)換法(圖9)。先用基本ADC直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)，確定一級等壓元件，再將一級等壓元件的低端電位vX經(jīng)過h1g輸入到減法放大電路，將(VI-vX)放大數(shù)倍(放大倍數(shù)為2*VP除以一級等壓元件上的壓降)，得到二級模擬電位值V’I，然后用基本ADC測試出二級模擬電位值V’I對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)。
施例7，方法三的線性編碼實施例。令(圖9)基本分壓鏈的各電壓元件等值，一級分壓鏈的各電壓元件等值，不要P’0～P’F鏈。先用基本ADC直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)，確定一級等壓元件，再將一級等壓元件的低端電位vX經(jīng)過h1g輸入到減法放大電路，將(VI-vX)放大16倍，得到二級模擬電位值V’I，然后用基本ADC測試出二級模擬電位值V’I對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)。
施例8，方法三的非線性編碼實施例(圖9)高電位＝VP，中點電位V8＝VP/2，低電位＝地，基本分壓鏈和一級分壓鏈分壓元件值的設(shè)計方案以及一級轉(zhuǎn)換都與施例4相同。先用基本ADC直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)，確定一級等壓元件，再將一級等壓元件的低端電位vX經(jīng)過h1g輸入到減法放大電路，將(VI-vX)放大數(shù)倍，得到二級模擬電位值V’I，放大倍數(shù)為VP除以一級等壓元件上的壓降，因為等壓元件有8個不同的值，分別為P7＝P8，P6＝P9，P5＝PA，P4＝PB，P3＝PC，P2＝PD，P1＝PE，P0＝PF；所以有不同的8個放大倍數(shù)，其放大反饋電阻分別為RS0～RS7，負(fù)反饋放大電阻(PS0、…、PS7)的選用，根據(jù)誰是一級等壓元件而確定，目的是將V’I電壓范圍確定在(0～VP)。然后由基本ADC進(jìn)行二級轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其特征是包括了基本ADC和分級分壓鏈，用基本ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為一級數(shù)字量，并確定一級等壓元件；然后連接出第一級分壓鏈，并以一級等壓元件上的電壓范圍作為參考電壓，再度用基本ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為二級數(shù)字量，并確定二級等壓元件，依次類推，分級測試出模擬電位值對應(yīng)的各級數(shù)字輸出量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是分壓鏈的分壓元件可以是電阻器，也可以是電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是分壓鏈組對調(diào)整法。進(jìn)行第一級轉(zhuǎn)換時，用基本ADC直接測試出模擬電位值對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量，同時確定第一級等壓元件；然后做三件事，①、用調(diào)整分壓元件(鏈調(diào)整分壓元件和單個調(diào)整分壓元件)與基本分壓鏈組合成基本調(diào)整鏈，與第一級等壓元件等值；②、將一級分壓鏈對進(jìn)行合成，并將基本調(diào)整鏈作為一級等壓元件合成到一級分壓鏈中；③、用基本ADC直接測試出模擬電位值對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量，同時確定第二級等壓元件；依次類推進(jìn)行以下級轉(zhuǎn)換；該方法包括進(jìn)行線性或非線性轉(zhuǎn)換，如果令相同分壓鏈中每個分壓元件都相等就成了線性轉(zhuǎn)換，如果令相同分壓鏈中的分壓元件值不相等就成了非線性轉(zhuǎn)換，比如令相同分壓鏈中的分壓元件值成等比數(shù)列就成了對數(shù)特性轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是采用分級分壓鏈組對調(diào)整法時，第k級分壓鏈由第k級分壓鏈上部(Pk1～Pk(n-1))和第k級分壓鏈下部(P’k0～P’k(n-2))合成，上部和下部合稱為第k級分壓鏈對，其中對應(yīng)分壓元件的值相等，即PkX＝P’kX，當(dāng)一個分壓鏈對連接成一個分壓鏈(P’k0+P’k1+…+Pk(n-2)+Pk(n-1))時，分壓鏈中的分壓元件從0號到n-1號，應(yīng)該不多一個(如不會出現(xiàn)Pk6同時還出現(xiàn)P’k6)，也不少一個(如不會在分壓元件個數(shù)等于8的鏈中，同時缺少Pk6和P’k6)；當(dāng)?shù)趉級分壓鏈上部和下部合成第k級分壓鏈時，用(第k+1)級基本調(diào)整鏈等價置換第k級等壓元件。當(dāng)?shù)趉級分壓鏈上部和下部合成第k級分壓鏈時，用(第k+1)級基本調(diào)整鏈等價置換第k級等壓電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是分壓鏈對的分壓鏈上部(和下部)都是由一個分壓鏈加上一個多路開關(guān)組成，多路開關(guān)均為雙向開關(guān)，其頂端hkg或底端h’kg為公共端，連接多個分壓元件的一側(cè)(hk1～hk8～hkF)為多路輸入端，每次只選中多路輸入端中的一路與公共端接通，簡稱選通端，選通端與公共端之間的分壓元件稱被選中分壓元件；(K級上部被選中元件)+基本調(diào)整鏈+(K級下部被選中元件)組成K級分壓鏈；由基本調(diào)整鏈等價置換K級分壓鏈中的等壓元件；選通通路是根據(jù)電址編碼而定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是電位差轉(zhuǎn)換法(圖9)。先用基本ADC直接測試出模擬電位值VI對應(yīng)的第一級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)，確定一級等壓元件，再將一級等壓元件的低端電位vX經(jīng)過h1g輸入到減法放大電路，將(VI-vX)放大數(shù)倍(放大倍數(shù)為2*VP除以一級等壓元件上的壓降)，得到二級模擬電位值V’I，然后用基本ADC測試出二級模擬電位值V’I對應(yīng)的第二級數(shù)字輸出量(D3、D2、D1、D0)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是采用分級分壓鏈組對調(diào)整法和電位差轉(zhuǎn)換法時，令相同分壓鏈中每個分壓元件值(電阻或容倒)都相等就成為線性轉(zhuǎn)換的方法；令相同分壓鏈中每個分壓元件值成等比數(shù)列就成了對數(shù)特性轉(zhuǎn)換
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是采用分級分壓鏈組對調(diào)整法進(jìn)行多級轉(zhuǎn)換時，包括正序配對式和逆序配對式，逆序配對式又包括(帶捷徑多路開關(guān)S和S’連接式)和(直接連接式)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是采用開關(guān)搭配分壓鏈法(即搭配式)(圖8)。設(shè)PZ＝P0+...+P7+...+PF，設(shè)計一組可搭配分壓元件，可以在有效范圍內(nèi)搭配成PZ的任意整數(shù)倍分壓元件值。(如可搭配分壓元件為1*PZ、2*PZ、4*PZ、8*PZ、16*PZ、32*PZ、64*PZ、128*PZ；可以任意搭配成1*PZ～255*PZ的分壓元件值)。先用基本ADC完成一級轉(zhuǎn)換，并確定第一級等壓元件后，將可搭配分壓元件與(基本分壓鏈PZ)搭配成一級分壓鏈，使(基本分壓鏈PZ)正好等價置換第一級等壓元件。然后用基本ADC完成二級轉(zhuǎn)換，并確定第二級等壓元件后，再將可搭配分壓元件與(基本分壓鏈PZ)重新搭配成一、二級分壓鏈，使PZ正好等價置換第二級等壓元件。依次類推。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的置換式分級并行A/D轉(zhuǎn)換的方法，其進(jìn)一步的特征是采用分級分壓鏈組對調(diào)整法和電位差轉(zhuǎn)換法時，進(jìn)行對數(shù)特性轉(zhuǎn)換；將基本分壓鏈和一級分壓鏈的n段分壓元件以中點分界，按(電阻或容倒)等比數(shù)列規(guī)則設(shè)計成正反各n/2大段，進(jìn)行一級轉(zhuǎn)換，成為正反各n/2大段的n-1段折線；二級轉(zhuǎn)換時，要將各大段內(nèi)的電位等比地分為n小段，對于n＝16而言，用單個調(diào)整分壓元件(P’0～P’F)對基本分壓鏈進(jìn)行調(diào)整(P’0∥P0＝P”0，P’1∥P1＝P”1，……，P’F∥PF＝P”F)，當(dāng)一級等壓元件處在正8大段時，要將基本分壓鏈調(diào)整成等比q加大，對等壓元件進(jìn)行替換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，PA＝q2*P，PB＝q3*P，PC＝q4*P，PD＝q5*P，PE＝q6*P，PF＝q7*P；當(dāng)一級等壓元件處在負(fù)8大段時，要將基本分壓鏈調(diào)整成從大到小對等壓元件進(jìn)行替換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。設(shè)PZ＝P0+...+P7+P”8+...+P”F＝P”0+...+P”7+P8+...+PF；由于一級等壓元件有8個不同的值，所以要使用鏈調(diào)整分壓元件P8t～PFt使得基本調(diào)整鏈能夠等價置換任何一個一級等壓元件，令P8t∥PZ＝P17＝P18，P9t∥PZ＝P16＝P19，PAt∥PZ＝P15＝P1A，PBt∥PZ＝P14＝P1B，PCt∥PZ＝P13＝P1C，PDt∥PZ＝P12＝P1D，PEt∥PZ＝P11＝P1E，PFt∥PZ＝P10＝P1F；然后通過控制多路開關(guān)St，在鏈調(diào)整分壓元件P8t～PFt中調(diào)用合適的一個與調(diào)整分壓鏈并聯(lián)，可以等價置換任何一個一級等壓元件，于是，將每個大段的電位都可以按等比數(shù)列的規(guī)則分為16小段。二級轉(zhuǎn)換也是四位輸出。一、二級轉(zhuǎn)換合并起來，形成正負(fù)各128折線的壓縮特性曲線。
全文摘要
一級轉(zhuǎn)換用基本ADC(基本并行A/D轉(zhuǎn)換器)將模擬信號轉(zhuǎn)換為一級數(shù)字量，并確定一級等壓元件；二級轉(zhuǎn)換連接出第一級分壓鏈，并以基本分壓鏈等值置換一級等壓元件，然后用基本ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為二級數(shù)字量，并確定二級等壓元件。依次類推，分級測試出模擬電位值對應(yīng)的各級數(shù)字輸出量。
文檔編號H03M1/12GK1523765SQ03118088
公開日2004年8月25日 申請日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者陳啟星 申請人:陳啟星