逐次逼近型模數轉換器原理實驗方案研究

王睿[1]　汪雨冰[1]+王德宣[2]

摘 要 為了幫助學生深入理解逐次逼近型模數轉換器這一教學難點，文中設計了逐次逼近式A/D轉換器實驗配合理論教學。實驗包括基礎和進階兩部分內容：基礎實驗采用串行10位數模轉換器（D/A轉換器）TCL5615設計逐次逼近式A/D轉換器;在進階實驗中要求學生采用雙路D/A轉換器方案實現高精度A/D轉換器，引發學生獨立思考，在設計過程中培養其創新意識和創新能力。

關鍵詞 逐次逼近 A/D轉換器 單片機 創新實驗

中圖分類號：TN792 文獻標識碼：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

模數轉換器（A/D 轉換器）是模擬電路與數字電路接口的關鍵部件，在工業控制領域有著廣泛的應用。①②③根據設計原理的不同，A/D轉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轉換器為滿足高速需求設計;雙積分型A/D轉換器為滿足高精度需求設計。逐次比較型A/D轉換器具有中等速度（5 MS/s以下）、中高精度（8～16位）、低功耗和低成本的綜合優勢，使其在工業控制領域有著更廣泛的應用。⑤關于A/D轉換器原理和應用技術的內容是數字電子技術、單片機原理與接口技術和現代電子技術等理論課程的教學重點和難點。該內容實踐性較強，以教師為主體的課堂講授方式，不利于學生理解和掌握A/D轉換器原理。因此，我們設計了包括基礎和進階兩部分的逐次逼近式A/D轉換器原理實驗?；A實驗部分采用串行10位數模轉換器（D/A轉換器）TCL5615設計逐次逼近型A/D轉換器，幫助學生理解掌握逐次逼近型A/D轉換器的設計原理;進階實驗部分要求學生采用雙路D/A轉換器方案實現更高精度A/D轉換器的設計，對理論的運用提出了更高的要求。這樣既充分調動學生自主學習的意識，又在設計過程中培養學生的創新能力。

1 逐次逼近型A/D轉換器設計實驗原理

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

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

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

（3）以此類推，直到得到A/D轉換器的最低位。

2 實驗內容

實驗以單片機為主控制器實現A/D轉換器內部時序控制和D/A轉換器的控制，利用設計的逐次逼近型A/D轉換器測量模擬電壓，將轉換結果顯示在LCD上。

2.1 基礎實驗

基礎實驗中要求學生根據逐次逼近型A/D轉換器原理，設計具有8位分辨率的A/D轉換器，轉換時間盡量短。設計制作一個0～5 V可連續調節的信號源用來測試設計的A/D轉換器性能，最后將轉換結果顯示在串行段式液晶SMS0401上。

為了突出逐次逼近型A/D轉換器設計原理這一學習重點，我們在實驗中盡量減輕學生的設計負擔，選用最簡設計方案。D/A轉換器是設計逐次逼近型A/D轉換器的核心部件，考慮實驗效果和成本我們選用簡單易用的10位串行D/A轉換器TLC5615。顯示采用段式液晶SMS0401，僅有兩個控制引腳。設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8051，工作頻率范圍0～35 MHz，相當于普通8051的0～420 MHz。用10位D/A轉換器設計逐次逼近型A/D轉換器，理論上A/D轉換器的分辨率可以達到10位。為了保證設計精度，我們要求學生采用基準源芯片AD780提供D/A轉換器的參考電壓。

2.2 進階實驗

在基本實驗的基礎上，我們為有余力的同學提出更高的要求，用10位D/A轉換器設計精度高于12位的A/D轉換電路，盡量保持高的轉換速率。新的設計任務需要學生靈活運用理論解決實際問題，進而培養學生的工程素養和創新能力。

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

圖1 雙10位D/A轉換器實現A/D轉換器結構圖

圖2 學生作品的設計測量結果

觀察發現，整理后的16位D/A轉換器輸出電壓可以分解為兩部分，一個10位D/A轉換器與另一個10位D/A轉換器衰減64倍后的低6位的結果相加。因此，采用上述原理設計的逐次逼近型A/D轉換器結構圖，如圖1所示。

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

3 結語

本文設計了配合逐次逼近型A/D轉換器原理教學的實驗方案，包括基礎實驗和進階實驗。文中討論了逐次逼近型A/D的設計原理，在基礎實驗部分詳細論述了采用10位串行D/A轉換器TLC5615設計逐次逼近型A/D轉換器的過程，設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，讓學生用低精度D/A轉換器實現高精度A/D轉換器的設計，訓練學生靈活運用理論解決實際設計問題的能力。在該部分我們采用兩路10位D/A轉換器TLC5615設計逐次逼近型A/D轉換器，精度達到14位。通過實驗的方式，讓學生帶著設計需求學習理論，達到了學以致用的目的，實際教學效果好。并且在實驗的過程中培養了學生的工程素養，提高學生的創新能力。

注釋

① 張文義，張強，張镠鐘，等.特定消諧變頻調速實驗裝置的研究[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[J].光電子·激光，2010.21（2）：204-207.

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

④ 席德勛.現代電子技術[M].北京：高等教育出版社，1999.

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