并行式A/D转换器的结构和工作模式

并行式A/D转换器（也称为并行比较型A/D转换器或闪速A/D转换器）是一种高速模数转换器，其特点在于能够同时处理多个比较操作，从而实现快速的模数转换。

一、结构

并行式A/D转换器的核心结构主要由电阻分压网络（或参考电压产生电路）、多个电压比较器、寄存器以及编码器组成。以下是各部分的详细说明：

1. 电阻分压网络（或参考电压产生电路） ：
   • 该部分负责产生多个参考电压，这些参考电压被用作电压比较器的比较基准。在并行式A/D转换器中，电阻分压网络通常将参考电压（VREF）分成多个等级，每个等级对应一个比较器的参考电压。
   • 例如，在3位并行比较型A/D转换器中，可能需要8个电阻将VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器的参考电压。
2. 电压比较器 ：
   • 并行式A/D转换器中包含多个电压比较器，每个比较器都具有独立的参考电压输入端和模拟信号输入端。
   • 当模拟信号输入时，所有比较器同时进行比较操作，将模拟信号与各自的参考电压进行比较。如果模拟信号大于某个比较器的参考电压，则该比较器输出高电平（通常为1）；否则，输出低电平（通常为0）。
3. 寄存器 ：
   • 寄存器用于存储电压比较器的输出状态。在并行式A/D转换器中，每个比较器的输出都连接到相应的寄存器上，以便在转换过程中保持和传输这些状态信息。
4. 编码器 ：
   • 编码器负责将寄存器中存储的比较器输出状态转换为最终的数字量输出。编码器通常是一个多输出组合逻辑电路，它能够根据所有比较器的输出状态生成一个唯一的数字编码。

二、工作模式

并行式A/D转换器的工作模式基于并行处理的原则，通过同时比较多个参考电压来实现高速模数转换。以下是其工作模式的具体步骤：

1. 取样 ：
   • 在转换开始之前，首先需要对模拟信号进行取样操作。取样操作通常由取样-保持电路完成，该电路在取样时刻将模拟信号捕获并保持一段时间，以便进行后续的转换处理。
2. 并行比较 ：
   • 取样完成后，模拟信号被同时输入到所有电压比较器中。每个比较器都将模拟信号与其参考电压进行比较，并输出比较结果（高电平或低电平）。
   • 这一过程是并行的，即所有比较器同时进行比较操作，无需等待上一个比较器完成比较后再进行下一个比较。
3. 状态存储 ：
   • 电压比较器的输出状态被存储在相应的寄存器中。这些状态信息代表了模拟信号与各个参考电压之间的相对大小关系。
4. 编码输出 ：
   • 编码器接收所有寄存器的输出状态，并根据这些状态生成最终的数字量输出。编码过程通常涉及将比较器的输出状态转换为二进制或其他形式的数字编码。
5. 转换完成 ：
   • 当所有比较器的输出状态都被正确存储并编码为数字量后，并行式A/D转换器的转换过程即告完成。此时，转换器可以输出转换结果供后续的数字处理设备使用。

并行式A/D转换器，模拟信号同时输入到2N-1个带锁存的比较器中，每个比较器的参考电压都比下一个的参考电压高出一个LSB所代表的电压值。当输入的模拟信号出现在各个比较器的端口，参考电压低于输入信号电平的比较器输出逻辑为1，参考电平高于输入信号电平的比较器输出逻辑为0。输出结果送往译码逻辑处理，输出最终的二进制结果。

并行式A/D转换器内一般不含参考电压产生电路，必须由外部提供，可能需要提供一个或多个参考电压，经过低阻抗驱动后输入，以获得较好的积分线性度。

三、特点与优势

并行式A/D转换器具有以下特点和优势：

1. 转换速度快 ：
   • 由于并行处理的原则，并行式A/D转换器能够同时处理多个比较操作，从而显著提高了转换速度。这使得它在需要高速数据采集和处理的场合中具有广泛的应用前景。
2. 电路结构复杂 ：
   • 随着分辨率的提高，并行式A/D转换器所需的电压比较器和寄存器数量也会急剧增加。这导致电路结构变得非常复杂且成本高昂。因此，在实际应用中需要根据具体需求权衡分辨率和成本之间的关系。
3. 精度较高 ：
   • 并行式A/D转换器的精度主要取决于电阻分压网络的精度、电压比较器的灵敏度和编码器的准确性等因素。通过优化这些部件的设计和制造过程，可以获得较高的转换精度。
4. 动态范围较宽 ：
   • 并行式A/D转换器的动态范围取决于参考电压（VREF）的大小。通过选择合适的VREF值，可以适应不同幅度的模拟信号输入需求。
5. 适用于高速数据采集系统 ：
   • 由于其高速转换的特点，并行式A/D转换器非常适合用于高速数据采集系统中。这些系统通常要求在短时间内捕获大量的模拟信号数据，并将其转换为数字信号以便进行后续处理和分析。

综上所述，并行式A/D转换器以其高速转换、高精度和宽动态范围等特点在电子领域得到了广泛应用。然而，其复杂的电路结构和较高的成本也限制了其在某些场合下的应用。因此，在选择A/D转换器时需要根据具体需求进行综合考虑和权衡。