DIY - PIC： PIC18F4550 逐次逼近型類比數位轉換器原理 (四十一)

DIY - PIC： PIC18F4550 逐次逼近型類比數位轉換器原理 (四十一) ：

一般 Microchip PIC 芯片的類比數位轉換器是使用逐次逼近型模數轉換器  (Successive Approximation ADC)，在同一時間轉換一個位元 (bit)，首先是 MSB 位元 (Most Significant Bit) 到結束的 LSB 位元 (Least Significant Bit)，MSB 位元的數值是確定輸入信號是否在 50% 以上或以下，下一 MSB 位元的數值是確定輸入信號是否在剩餘的範圍上限或下限的 50%，並依此類推，直到最低有效位決定。

四位逐次逼近型模數轉換器原理：
逐次逼近型模數轉換器一般由順序脈衝發生器、逐次逼近寄存器、數模轉換器和電壓比較器等幾部分組成，其原理框圖如下圖所示。

▲ 四位逐次逼近型模數轉換器原理框圖

現分析電路的轉換過程。為了分析方便，設 D/A 轉換器的參考電壓為 Vr=+8 V，輸入的類比電壓為 Vi=4.52 V。轉換開始前，先將逐次逼近寄存器的四個觸發器全部至零 (FF_A –FF_D =0)，並把環形計數器的狀態置為 00001 (Q₁ – Q₅)。

1. 第1個時鐘脈衝 CP 的上升沿到來時，環形計數器右移一位元，其狀態變為 10000。由於 Q1=1，Q3 – Q5 均為0，於是觸發器FF_A被置1，FF_B FF_C FF_D 都被置 0。所以，這時加到 D/A 轉換器輸入端的代碼為 d₃d₂d₁d₀=1000，D/A 轉換器的輸出電壓為
V_A =( Vr /2⁴ )×(d₃+d₂+d₁+d₀)=(8/16)×8=4V

V_A 和 Vi 在比較器中比較，由於 V_A＜Vi，所以電壓比較器的輸出電壓為 0。

▲ 第1個時鐘脈衝

2. 第2個時鐘脈衝 CP 的上升沿到來時，環形計數器又右移一位元，其狀態變為01000。這時由於 V_A=0，Q₂=1， Q₁ Q₃ Q₄ Q₅ 均為 0，於是觸發器 FF_A 的 1 保留。與此同時，Q₂ 的高電平將觸發器 FF_B 置 1。所以，這時加到 D/A 轉換器輸入端的代碼為 d₃d₂d₁d₀=1100，D/A 轉換器的輸出電壓為
V_A =( Vr /2⁴ )×(d₃+d₂+d₁+d₀)=(8/16)×(8+4)=6V
 
V_A 和 Vi 在比較器中比較，由於 V_A＞Vi，所以電壓比較器的輸出電壓為 1。

▲ 第2個時鐘脈衝

3. 第3個時鐘脈衝 CP 的上升沿到來時，環形計數器又右移一位元，其狀態變為 00100。這時由於電壓比較器的輸出電壓 =1，Q₃=1，Q₁ Q₂ Q₄ Q₅ 均為 0，於是觸發器 FF_A 的 1 保留，而 FF_B 被置 0。與此同時，Q₃ 的高電平將 FF_C 置 1。所以，這時加到 D/A 轉換器輸入端的代碼為 1010，D/A 轉換器的輸出電壓為 
V_A =( Vr /2⁴ )×(d₃+d₂+d₁+d₀)= (8/2⁴ )×(8+2)= 5V
 
V_A 和 Vi 在比較器中比較，由於 V_A＞Vi，所以電壓比較器的輸出電壓為 1。

▲ 第3個時鐘脈衝

  
 4. 第4個時鐘脈衝 CP 的上升沿到來時，環形計數器又右移一位元，其狀態變為 00010。這時由於電壓比較器的輸出電壓 =1，Q₄=1，Q₁ Q₂ Q₃ Q₅ 均為0，於是觸發器FF_A、FF_B 的狀態保持不變，而觸發器 FF_C 被置 0。與此同時，Q₄ 的高電平將 FF_D 觸發器置 1。所以，這時加到 D/A 轉換器輸入端的代碼為 1001，D/A 轉換器的輸出電壓為
V_A =( Vr /2⁴ )×(d₃+d₂+d₁+d₀)= (8/2⁴ )×(8+1)= 4.5V
 
V_A 和 Vi 在比較器中比較，由於 V_A＜Vi，所以電壓比較器的輸出電壓為 0。

▲ 第4個時鐘脈衝

5. 第5個時鐘脈衝 CP 的上升沿到來時，環形計數器又再右移一位元，其狀態變為 00001。這時由於電壓比較器的輸出電壓 =0，Q₅=1，Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ 均為0，觸發器FF_A FF_B FF_C FF_D 的狀態均保持不變，即加到D/A轉換器輸入端的代碼為 d₃d₂d₁d₀=1001。同時，Q₅ 的高電平將與門打開，使 d₃d₂d₁d₀ 作為轉換結果通過與門 (AND Gate) 送出。這樣就完成了一次轉換。數值結果 1001。

▲ 第5個時鐘脈衝

時鐘脈衝	D3	D2	D1	D0	VA	比較器	1是否保留
1	1	0	0	0	4V	VA＜VI	保留
2	1	1	0	0	6V	VA＞VI	除去
3	1	0	1	0	5V	VA＞VI	除去
4	1	0	0	1	4.5V	VA＜VI	保留

以上例中的轉換誤差為 0.02 V。轉換誤差的大小取決於 A/D 轉換器的位數，位數越多，轉換誤差就越小。從以上分析可以看出，四位逐次逼近型模數轉換器完成一次轉換需要 5 個時鐘脈衝信號的週期。顯然，如果位數增加，轉換時間也會相應地增加。逐次逼近型模數轉換器的解析度較高、誤差較低、轉換速度較快，是應用非常廣泛的一種模數轉換器。但 PIC18F4550 是十位元 (10-bit) ，需要 11 個時鐘脈衝信號的週期來轉換。

2011 年 03 月 21 日 
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