并行式A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作模式

并行式A/D轉(zhuǎn)換器（也稱為并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器或閃速A/D轉(zhuǎn)換器）是一種高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)在于能夠同時(shí)處理多個(gè)比較操作，從而實(shí)現(xiàn)快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

一、結(jié)構(gòu)

并行式A/D轉(zhuǎn)換器的核心結(jié)構(gòu)主要由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（或參考電壓產(chǎn)生電路）、多個(gè)電壓比較器、寄存器以及編碼器組成。以下是各部分的詳細(xì)說明：

1. 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（或參考電壓產(chǎn)生電路） ：
   • 該部分負(fù)責(zé)產(chǎn)生多個(gè)參考電壓，這些參考電壓被用作電壓比較器的比較基準(zhǔn)。在并行式A/D轉(zhuǎn)換器中，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)通常將參考電壓（VREF）分成多個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)比較器的參考電壓。
   • 例如，在3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器中，可能需要8個(gè)電阻將VREF分成8個(gè)等級(jí)，其中7個(gè)等級(jí)的電壓分別作為7個(gè)比較器的參考電壓。
2. 電壓比較器 ：
   • 并行式A/D轉(zhuǎn)換器中包含多個(gè)電壓比較器，每個(gè)比較器都具有獨(dú)立的參考電壓輸入端和模擬信號(hào)輸入端。
   • 當(dāng)模擬信號(hào)輸入時(shí)，所有比較器同時(shí)進(jìn)行比較操作，將模擬信號(hào)與各自的參考電壓進(jìn)行比較。如果模擬信號(hào)大于某個(gè)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(chǔ)電壓比較器的輸出狀態(tài)。在并行式A/D轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)比較器的輸出都連接到相應(yīng)的寄存器上，以便在轉(zhuǎn)換過程中保持和傳輸這些狀態(tài)信息。
4. 編碼器 ：
   • 編碼器負(fù)責(zé)將寄存器中存儲(chǔ)的比較器輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為最終的數(shù)字量輸出。編碼器通常是一個(gè)多輸出組合邏輯電路，它能夠根據(jù)所有比較器的輸出狀態(tài)生成一個(gè)唯一的數(shù)字編碼。

二、工作模式

并行式A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式基于并行處理的原則，通過同時(shí)比較多個(gè)參考電壓來實(shí)現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。以下是其工作模式的具體步驟：

1. 取樣 ：
   • 在轉(zhuǎn)換開始之前，首先需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(shí)刻將模擬信號(hào)捕獲并保持一段時(shí)間，以便進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)換處理。
2. 并行比較 ：
   • 取樣完成后，模擬信號(hào)被同時(shí)輸入到所有電壓比較器中。每個(gè)比較器都將模擬信號(hào)與其參考電壓進(jìn)行比較，并輸出比較結(jié)果（高電平或低電平）。
   • 這一過程是并行的，即所有比較器同時(shí)進(jìn)行比較操作，無需等待上一個(gè)比較器完成比較后再進(jìn)行下一個(gè)比較。
3. 狀態(tài)存儲(chǔ) ：
   • 電壓比較器的輸出狀態(tài)被存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。這些狀態(tài)信息代表了模擬信號(hào)與各個(gè)參考電壓之間的相對(duì)大小關(guān)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(jù)這些狀態(tài)生成最終的數(shù)字量輸出。編碼過程通常涉及將比較器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制或其他形式的數(shù)字編碼。
5. 轉(zhuǎn)換完成 ：
   • 當(dāng)所有比較器的輸出狀態(tài)都被正確存儲(chǔ)并編碼為數(shù)字量后，并行式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程即告完成。此時(shí)，轉(zhuǎn)換器可以輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果供后續(xù)的數(shù)字處理設(shè)備使用。

并行式A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號(hào)同時(shí)輸入到2N-1個(gè)帶鎖存的比較器中，每個(gè)比較器的參考電壓都比下一個(gè)的參考電壓高出一個(gè)LSB所代表的電壓值。當(dāng)輸入的模擬信號(hào)出現(xiàn)在各個(gè)比較器的端口，參考電壓低于輸入信號(hào)電平的比較器輸出邏輯為1，參考電平高于輸入信號(hào)電平的比較器輸出邏輯為0。輸出結(jié)果送往譯碼邏輯處理，輸出最終的二進(jìn)制結(jié)果。

并行式A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)一般不含參考電壓產(chǎn)生電路，必須由外部提供，可能需要提供一個(gè)或多個(gè)參考電壓，經(jīng)過低阻抗驅(qū)動(dòng)后輸入，以獲得較好的積分線性度。

三、特點(diǎn)與優(yōu)勢

并行式A/D轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

1. 轉(zhuǎn)換速度快 ：
   • 由于并行處理的原則，并行式A/D轉(zhuǎn)換器能夠同時(shí)處理多個(gè)比較操作，從而顯著提高了轉(zhuǎn)換速度。這使得它在需要高速數(shù)據(jù)采集和處理的場合中具有廣泛的應(yīng)用前景。
2. 電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ：
   • 隨著分辨率的提高，并行式A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓比較器和寄存器數(shù)量也會(huì)急劇增加。這導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜且成本高昂。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求權(quán)衡分辨率和成本之間的關(guān)系。
3. 精度較高 ：
   • 并行式A/D轉(zhuǎn)換器的精度主要取決于電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的精度、電壓比較器的靈敏度和編碼器的準(zhǔn)確性等因素。通過優(yōu)化這些部件的設(shè)計(jì)和制造過程，可以獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。
4. 動(dòng)態(tài)范圍較寬 ：
   • 并行式A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)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(yīng)不同幅度的模擬信號(hào)輸入需求。
5. 適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ：
   • 由于其高速轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，并行式A/D轉(zhuǎn)換器非常適合用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)通常要求在短時(shí)間內(nèi)捕獲大量的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便進(jìn)行后續(xù)處理和分析。

綜上所述，并行式A/D轉(zhuǎn)換器以其高速轉(zhuǎn)換、高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，其復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和較高的成本也限制了其在某些場合下的應(yīng)用。因此，在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要根據(jù)具體需求進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。