逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理實驗方案研究

王睿[1]　汪雨冰[1]+王德宣[2]

摘 要 為了幫助學(xué)生深入理解逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器這一教學(xué)難點，文中設(shè)計了逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器實驗配合理論教學(xué)。實驗包括基礎(chǔ)和進階兩部分內(nèi)容：基礎(chǔ)實驗采用串行10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）TCL5615設(shè)計逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器;在進階實驗中要求學(xué)生采用雙路D/A轉(zhuǎn)換器方案實現(xiàn)高精度A/D轉(zhuǎn)換器，引發(fā)學(xué)生獨立思考，在設(shè)計過程中培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 逐次逼近 A/D轉(zhuǎn)換器 單片機 創(chuàng)新實驗

中圖分類號：TN792 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.09.033

Successive Approximation Analog-principle Experiment Scheme

WANG Rui[1]， WANG Yubing[1]， WANG Dexuan[2]

（[1] College of Electric Science & Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130012;

[2] Changchun No.48 Middle School， Changchun， Jilin 130051）

Abstract In order to help students in-depth understanding of the successive-approximation ADC difficulty of teaching， the paper designed the successive approximation A/D converter experiment with theoretical teaching. Experiments including basic and advanced two parts： basic experiments serial 10 DAC （D/A converter） TCL5615 design successive approximation type A/D converter; require students to advanced experiments using dual D/A converter program to achieve high-precision A/D converter， causing students to think independently， to develop their sense of innovation and ability to innovate in the design process.

Key words successive approximation; A/D converter; SCM; creative experiment

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D 轉(zhuǎn)換器）是模擬電路與數(shù)字電路接口的關(guān)鍵部件，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。①②③根據(jù)設(shè)計原理的不同，A/D轉(zhuǎn)換器主要分為并行比較型、逐次逼近型和雙積分型等。④其中并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器為滿足高速需求設(shè)計;雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器為滿足高精度需求設(shè)計。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有中等速度（5 MS/s以下）、中高精度（8～16位）、低功耗和低成本的綜合優(yōu)勢，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。⑤關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器原理和應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容是數(shù)字電子技術(shù)、單片機原理與接口技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)等理論課程的教學(xué)重點和難點。該內(nèi)容實踐性較強，以教師為主體的課堂講授方式，不利于學(xué)生理解和掌握A/D轉(zhuǎn)換器原理。因此，我們設(shè)計了包括基礎(chǔ)和進階兩部分的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理實驗?；A(chǔ)實驗部分采用串行10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）TCL5615設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，幫助學(xué)生理解掌握逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計原理;進階實驗部分要求學(xué)生采用雙路D/A轉(zhuǎn)換器方案實現(xiàn)更高精度A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，對理論的運用提出了更高的要求。這樣既充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，又在設(shè)計過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計實驗原理

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器主要由逐次逼近寄存器、時序控制電路、D/A轉(zhuǎn)換器和比較器構(gòu)成，其重點是D/A轉(zhuǎn)換器和比較器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器采用二進制數(shù)搜索法控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓逼近輸入模擬電壓。以設(shè)計位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器為例，步驟為：

（1）確定A/D轉(zhuǎn)換器輸出的位，令D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為2-1，它與輸入電壓一起輸入到比較器進行比較，比較的結(jié)果（1或0）作為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的第位，記作。

（2）確定A/D轉(zhuǎn)換器輸出的位，令D/A轉(zhuǎn)換器輸出2-1€？2-2，再次與輸入電壓比較，比較結(jié)果作為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的第位，記作。

（3）以此類推，直到得到A/D轉(zhuǎn)換器的最低位。

2 實驗內(nèi)容

實驗以單片機為主控制器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部時序控制和D/A轉(zhuǎn)換器的控制，利用設(shè)計的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器測量模擬電壓，將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在LCD上。

2.1 基礎(chǔ)實驗

基礎(chǔ)實驗中要求學(xué)生根據(jù)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理，設(shè)計具有8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間盡量短。設(shè)計制作一個0～5 V可連續(xù)調(diào)節(jié)的信號源用來測試設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換器性能，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在串行段式液晶SMS0401上。

為了突出逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計原理這一學(xué)習(xí)重點，我們在實驗中盡量減輕學(xué)生的設(shè)計負擔(dān)，選用最簡設(shè)計方案。D/A轉(zhuǎn)換器是設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的核心部件，考慮實驗效果和成本我們選用簡單易用的10位串行D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615。顯示采用段式液晶SMS0401，僅有兩個控制引腳。設(shè)計中需要的控制端口較少，對控制速度要求很高，因此，我們選用20引腳的新型STC系列單片機STC12C5204，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，工作頻率范圍0～35 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420 MHz。用10位D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，理論上A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率可以達到10位。為了保證設(shè)計精度，我們要求學(xué)生采用基準源芯片AD780提供D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

2.2 進階實驗

在基本實驗的基礎(chǔ)上，我們?yōu)橛杏嗔Φ耐瑢W(xué)提出更高的要求，用10位D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計精度高于12位的A/D轉(zhuǎn)換電路，盡量保持高的轉(zhuǎn)換速率。新的設(shè)計任務(wù)需要學(xué)生靈活運用理論解決實際問題，進而培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

文中提供一個較新穎的設(shè)計方案，采用雙10位D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計16位D/A轉(zhuǎn)換器，替代基礎(chǔ)實驗部分的D/A轉(zhuǎn)換器，進而實現(xiàn)更高精度的位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓模型為：

圖1 雙10位D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

圖2 學(xué)生作品的設(shè)計測量結(jié)果

觀察發(fā)現(xiàn)，整理后的16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓可以分解為兩部分，一個10位D/A轉(zhuǎn)換器與另一個10位D/A轉(zhuǎn)換器衰減64倍后的低6位的結(jié)果相加。因此，采用上述原理設(shè)計的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

設(shè)計過程中要提醒學(xué)生注意比較器LM393輸入端的信號，根據(jù)信號噪聲特點加適當(dāng)無源濾波電路，可以進一步提高測試精度。圖2是學(xué)生設(shè)計作品的測量結(jié)果，三角形離散點所在曲線是A/D轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果，測量線性度好且無明顯差異。圓形離散點所在曲線是A/D轉(zhuǎn)換器的絕對誤差，結(jié)果在正負0.0003 V間，滿足14位A/D轉(zhuǎn)換器精度。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了配合逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理教學(xué)的實驗方案，包括基礎(chǔ)實驗和進階實驗。文中討論了逐次逼近型A/D的設(shè)計原理，在基礎(chǔ)實驗部分詳細論述了采用10位串行D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的過程，設(shè)計原則力求簡潔有效，突出重點。在進階實驗中提出更高的要求，讓學(xué)生用低精度D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高精度A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生靈活運用理論解決實際設(shè)計問題的能力。在該部分我們采用兩路10位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，精度達到14位。通過實驗的方式，讓學(xué)生帶著設(shè)計需求學(xué)習(xí)理論，達到了學(xué)以致用的目的，實際教學(xué)效果好。并且在實驗的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

注釋

① 張文義，張強，張镠鐘，等.特定消諧變頻調(diào)速實驗裝置的研究[J].實驗室探究與探索，2011.30（6）：24-26.

② 王睿，于永江，楊罕，等.基于FPGA的雙激光器同步控制的實現(xiàn)[J].光電子·激光，2010.21（2）：204-207.

③ 花漢兵.基于MSP430F449單片機的數(shù)據(jù)采集實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2007.26（5）：59-60，82.

④ 席德勛.現(xiàn)代電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1999.

⑤ 孫彤，李冬梅.逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器綜述[J].微電子學(xué)，2007.37（4）：523-531，547.