CN1487672A - 直接式分级并行a/d转换的方法 - Google Patents

Abstract

当前级别的转换是以上一级别的等压电阻作为基本A/D器的参考电位(只有第一级是用总参考电位)，基本A/D器根据模拟电位值与基本电阻链在当前级产生的n个档的子参考电位点相比较，将模拟电位值转换成在当前级别的数字输出量，同时，用当前级电阻链对上一级等压电阻进行等值置换，并确定当前级电阻链中的等压电阻，为下一级转换作准备，再次执行下级分级转换，逐级得到多个级别的数字输出。

Description

直接式分级并行A/D转换的方法

本发明属于电子计算机和数字电子技术领域的发明，是一种将模拟信号转换为数字信号(以下简称A/D转换)的方法。

目前的A/D转换方法主要有三种：双积分式A/D转换、逐次逼近式A/D转换和并行A/D转换。三者各有优缺点，双积分式A/D转换的优点是抗干扰能力强，缺点是速度较慢；逐次逼近式A/D转换的优点是精度高，速度较快，转换时间固定，易与微机接口；并行A/D转换的优点是速度最快，缺点是难以提高分辨率，因为随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个m位分辨率的转换器，所用的比较器数目为2^m-1个。

图1中双虚线框框住的部分，本文称之为基本并行A/D转换器，以下简称为基本A/D器，由基本电阻链R₀～R₇、七个可锁存的比较器C₀～C₇和优先编码器组成。对于基本A/D器，为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，有人采用分级并行转换的方法。参阅(电子技术基础：数字部分/康华光主编，3版，北京，高等教育出版社，1988.10；第387页。ISBN 7-04-001622-2)。例如8位转换器，先经过第一级四位并行A/D转换得到高四位，再将高四位进行D/A转换得到一模拟量，将输入电位与这模拟电位相减，得到的差再进行四位并行A/D转换得到低四位输出。以下将这种方法称为往返式分级并行A/D转换，这种方法虽然在速度上作出了一点牺牲，却大大减少了元件数，在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用。

往返式分级并行A/D转换需要反复经过A/D和D/A转换，增加了产生转换误差的概率，并且还影响了速度。本发明的目的是解决这两个问题，同样是采用分级并行A/D转换，但是不需要经过D/A的反转换，而是直接将模拟电位分解为多级m位的数字量输出。以下将这种方法称为直接式分级并行A/D转换。

为了简便，约定以下简称：①、m位即2^m档，每级分为n档称为 分n档；②、若一个电阻链是由电阻链上部和下部配对而成，称 配对式；③、若一个电阻链是由若干单个电阻临时组合而成，称 搭配式；④、使用电阻链时，按一级链、二级链、三级链顺序工作，称 顺向式；⑤、使用电阻链时，按三级链、二级链、一级链顺序工作，称 逆向式。

先给出附图说明，有助于对本发明的描述。

图1——基本A/D器图，兼顺向配对式分8档的一、二级转换；

图2——顺向配对式分8档的一、二、三级转换；

图3——逆向配对式分8档的一、二级转换；

图4——逆向配对式分8档的一、二、三、四级转换；

图5——配对式非线性分16档的一、二级转换；

图6——实施例1的一级电阻链走向示意图；

图7——配对式非线性分4档的一、二、三、四级转换；

图8——搭配式分16档的一、二、三级转换；

图9——电位差式分16档的一、二级转换；

9个附图中，基本上是相同或类似的元件，因为用1、2、3、4……的标号方法难以表述，所以统一给出元器件本身的标号给予说明。

A/D——基本A/D器，是附图中用双虚线框围住的部分。其中：R₀～R₇～R_F——基本电阻链的电阻；(C₁～C₇～C_F)——可锁存的比较器；优先编码器；I₀～I₇～I_F——优先编码器的输入端；D₃、D₂、D₁、D₀——优先编码器的数字量输出端；υ_I——模拟电位值；CP——时钟脉冲端。

多路开关——分级电阻链的多路开关；多路开关t——链调整电阻的多路开关；箭头——(其中每个箭头表示一个开关触点，根据逻辑关系实现了与指向点“通”)；特别指出的箭头：T箭头和S箭头——基本电阻链上、下起始端；箭头(H₁、H₂、H₃、G₁、G₂、G₃)——所在多路开关的公共端；箭头(T₂、S₂、)——二级电阻链上部、下部的起始端；箭头(T₃、S₃)——三级电阻链上部、下部的起始端；这些(T_X、S_X)箭头用于获取高、低参考电位。

+V_R和-V_R——正、负总参考电位点；V₀～V₇～V_F——第一级子参考电位点(只有一个下标)；V₃₀～V₃₇～V_3F——第二级子参考电位点(有两个下标)；V₃₅₀～V₃₅₇～V_35F——第三级子参考电位点(有三个下标)。

R₁₁～R₁₇～R_1F——第一级电阻链上部；R’₁₀～R’₁₇～R’_1E——第一级电阻链下部；R₂₁～R₂₇～R_2F——第二级电阻链上部；R’₂₀～R’₂₇～R’_2E——第二级电阻链下部；R₃₁～R₃₇～R_3F——第三级电阻链上部；R’₃₀～R’₃₇～R’_3E——第三级电阻链下部；R’₀～R’₇～R’_F(以及R’₀、R’₁、R’₂、R’₃)——基本电阻链的单个调整电阻；(R_78t、R_69t、R_5At、R_4Bt、R_3ct、R_2Dt、R_1Et、R_0Ft)——基本电阻链的链调整电阻；(1*R_Z、2*R_Z、4*R_Z、8*R_Z、16*R_Z、32*R_Z、64*R_Z、128*R_Z)——(图8)可搭配电阻；(R_S0～R_S7)——(图9)减法和放大电路中的反馈电阻，调整υ′_I的范围。减法和放大电路——(图9)单虚线框内部分。

为了清楚地描述直接式分级并行A/D转换的原理，首先描述目前的基本A/D器的原理。图1中双虚线框框住的部分就是基本A/D器，由基本电阻链R₀～R₇、七个可锁存的比较器C₁～C₇和优先编码器组成，其T端接于总参考电位点V_R，S端接于地电位V₀＝0，就成为输出为三位的基本A/D器的原理图。八个电阻R₀＝R₁＝……＝R₇将总参考电位V_R均分为八个等级，其子参考电位点分别为V₀＝0、V₁＝V_R/8、V₂＝2*V_R/8、V₃＝3*V_R/8、V₄＝4*V_R/8、V₅＝5*V_R/8、V₆＝6*V_R/8、V₇＝7*V_R/8。其中V₁～V₇七个等级的电位分别作为七个比较器C₁～C₇的参考电位，模拟输入电位为υ_I，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当0≤υ_I＜V₁时，C₁～C₇的输出状态都为0，当V₂≤υ_I＜V₃时，比较器C₁和C₂的输出为1，其余各比较器的状态均为0。根据各比较器的参考电位值，可以确定输入模拟电位值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字输出量D₀、D₁、D₂。用表1列出输入与输出的关系。

                  表1  三位基本A/D器输入与输出的关系对照表

模拟输入υI	比较器输出状态	数字输出
			C7 C6  C5  C4 C3  C2  C1	D2 D1  D0
	0≤υI＜V1	0    0    0    0    0    0    0			0    0    0
V1≤υI＜V2			0    0    0    0    0    0    1	0    0    1
	V2≤υI＜V3	0    0    0    0    0    1    1			0    1    0
V3≤υI＜V4			0    0    0    0    1    1    1	0    1    1
	V4≤υI＜V5	0    0    0    1    1    1    1			1    0    0
V5≤υI＜V6			0    0    1    1    1    1    1	1    0    1
	V6≤υI＜V7	0    1    1    1    1    1    1			1    1    0
V7≤υI＜VR			1    1    1    1    1    1    1	1    1    1

反过来进行D/A转换时，转换到范围值的中点，如D₂、D₁、D₀＝011，转换成模拟量为V₃与V₄的中点3.5*V_R/8，以保证量化误差相等。

在说明本发明的原理时，先提出以下约定：①、三位基本A/D器的基本电阻链由电阻R₀～R₇共8个组成，四位基本A/D器的基本电阻链由电阻R₀～R₉、R_A、R_B、R_C、R_D、R_E、R_F共16个组成(下标采用16进制的计数方式)。②、分级电阻链为双下标，如：R_KX表示第k级电阻链中的第X号电阻，如果电阻链由16个电阻组成，第二下标采用16进制的计数方式。③、假定基本电阻链中电阻的个数为n，将R₀+R₁+…+R_(n-1)简记为∑R_i，默认∑的i＝(0…n-1)。④、R_k1～R_k(n-1)称为第k级电阻链上部，R’_k0～R’_k(n-2)称为第k级电阻链下部，合并称为 第k级电阻链对，其中对应电阻的电阻值相等，即：R_kX＝R’_kX，当一个 电 阻链对连接成一个电阻链时，电阻链中的电阻从0号到n-1号，应该不多一个(如：不会出现R_k6同时还出现R′_k6)，也不少一个(如：不会在电阻个数等于8电阻链中，同时缺少R_k6和R’_k6)。将一个 电阻链对连接成一个电阻链时称为 电阻链合成。将R’_k0+R’_k1+…+R_k(n-2)+R_k(n-1)简记为 ∑R _ki，⑤、设模拟电位υ_I不超出测量范围，如果有某个电阻中的某一点电位与υ_I相等，则称该电阻为 等压电阻。⑥、用调整电阻将基本电阻链调整到等于等压电阻后，称为 基本调整链。⑦、V_abc的意思是：该电位处在第一级的a档，第二级的b档，第三级的c档。⑧、X作下标时，代表任意整数。如：R_2X代表R₂₁、R₂₆、R_2D等，H_X代表H₁、H₂等。⑨、附图中，多路开关均为双向开关，其连接多个电阻的一侧为多路输入端，其顶端(H_X)或底端(G_X)为 公共端，每次只选中多路输入端中的一路(有箭头的一路)与公共端接通，简称选通端，选通端与公共端之间的电阻称 被选中电阻；选通通路是根据电址编码而定，图中没有画出编码端，只根据文字给予说明。多路开关的电阻值折合到相邻的电阻中，多路开关的控制端都没画出。⑩、通过多路开关(没有画出)，T可以分别与H₁、H₂、H₃接通，S可以分别与G₁、G₂、G₃、接通。

本发明是一种分级并行A/D转换的方法，将模拟信号转换为数字量，其特征是：包括了基本A/D器和分级电阻链，用基本A/D器将模拟信号转换为一级数字量，并确定一级等压电阻；然后以一级等压电阻上的电压范围作为参考电压，再度用基本A/D器将模拟信号转换为二级数字量，并确定二级等压电阻，依次类推，分级测试出模拟电位值对应的各级数字输出量。

方法一：电阻链组对调整法。进行第一级转换时，用基本A/D器直接测试出模拟电位值对应的第一级数字输出量，同时确定第一级等压电阻；然后做三件事，①、用调整电阻与基本电阻链组合成基本调整链，与第一级等压电阻等值；②、将一级电阻链对进行合成，并将基本调整链作为一级等压电阻合成到一级电阻链中；③、用基本A/D器直接测试出模拟电位值对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压电阻；依次类推进行以下级转换。该方法可以进行线性或非线性转换，如果令相同电阻链中每个电阻都相等就成了线性转换，如果令相同电阻链中的电阻值不相等就成了非线性转换，比如令相同电阻链中的电阻值成等比数列就成了对数特性转换。当第k级电阻链上部和下部合成第k级电阻链时，用(第k+1)级基本调整链等价置换第k级等压电阻。

电阻链对的电阻链上部(和下部)都是由一个电阻链加上一个多路开关组成，组成的回路为：K级电阻链上部起始端(T_K)→上部选通端→(K级上部被选中电阻)→上部公共端(H_K)→T→基本调整链→S→下部公共端(G_K)→(K级下部被选中电阻)→下部选通端→分级电阻链下部起始端(S_K)；(K级上部被选中电阻)+基本调整链+(K级下部被选中电阻)组成K级电阻链；由基本调整链等价置换K级电阻链中的等压电阻。

实施例1，顺向配对式分8档，方法一的线性编码实施例：(令同一级电阻链中的各个电阻值相等)进行第一级转换时，将图1中基本A/D器的T和S分别接至参考电位的两端(+V_R和地)，用基本A/D器直接测试出模拟电位值υ_I对应的第一级数字输出量，同时确定第一级等压电阻；假定比较器C₃输出为“1”，C₄输出为“0”，可知第一级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝011，模拟电位值υ_I应该是大于等于V₃且小于V₄，即落在R₃的电位范围之内，所以R₃为等压基本电阻，一级电阻链(由上部和下部)合成后成为：R₁₇→R₁₆→R₁₅→R₁₄→R₁₃→R’₁₂→R’₁₁→R’₁₀，对应R₃的R₁₃为一级等压电阻。因为已知R₁₃为一级等压电阻，所以控制器控制多路开关，将图1电路连接成以下走向：使得R₁₃和R₁₄之间的触头接通至H₁，再将基本电阻链的T端从+V_R转接至H₁；R’₁₃和R’₁₂之间的触头接通至G₁，再将基本电阻链的S端从地转接至G₁，整个回路成了图6的接线走向：+V_R→R₁₇…→R₁₄→H₁→T→(R₇…→R₀)→S→G₁→R’₁₂→R’₁₁→R’₁₀→地；如果设计时，令∑R_i＝R₇+…+R₀＝R₁₃，一级电阻链就是R₁₇→R₁₆→R₁₅→R₁₄→(∑Ri＝R₁₃)→R’₁₂→R’₁₁→R’₁₀，由基本电阻链∑R_i取代了一级等压电阻R₁₃。由于基本A/D器的T和S分别改接至V₄和V₃，基本电阻链将R₁₃的电压范围V₄至V₃再细分为8份，所以用基本A/D器可以直接测试出模拟电位值υI对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压电阻。

             表2  三位基本A/D器关于第二级输入与输出的关系对照表

模拟输入υI将V3～V4分为8小级	比较器输出状态	数字输出
			C7 C6  C5  C4  C3 C2  C1	D2 D1  D0
	V3≤υI＜V31	0    0    0    0    0    0    0			0    0    0
V31≤υI＜V32			0    0    0    0    0    0    1	0    0    1
	V32≤υI＜V33	0    0    0    0    0    1    1			0    1    0
V33≤υI＜V34			0    0    0    0    1    1    1	0    1    1
	V34≤υI＜V35	0    0    0    1    1    1    1			1    0    0

V35≤υI＜V36	0    0    1    1    1    1    1	1    0    1
			V36≤υI＜V37	0    1    1    1    1    1    1	1    1    0
V37≤υI＜V4	1    1    1    1    1    1    1	1    1    1

假定比较器C₅输出为“1”，C₆输出为“0”，可知第二级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝101，模拟电位值υI应该是大于等于V₃₅且小于V₃₆，即落在R₅的电位范围之内，所以R₅为等压基本电阻，对应的R₂₅为二级等压电阻。然后由控制器将电路接线方式变成图2，由二级电阻链∑R₂₁置换一级等压电阻R₁₃，即，令∑R₂₁＝R₂₇+…+R’₂₀＝R₁₃，一级电阻链走向为：R₁₇→R₁₈→R₁₅→R₁₄→∑R_2i→R’₁₂→R’₁₁→R’₁₀；由三级电阻链(图2中，由基本电阻链充当三级电阻链)置换二级等压电阻R₂₅，二级电阻链走向为：R₂₇→R₂₆→(R’₃∥∑R_i)→R’₂₄→R’₂₃→R’₂₂→R’₂₁→R’₂₀，(由于前面已经令∑R_i＝R₁₃，不能改令∑R_i＝R₂₅，所以只能令R’₃∥∑R_i＝R₂₅(∥表示并联)，其中R’₃为链调整电阻，于是用R’₃∥∑R_i置换了二级等压电阻R₂₅)；由基本电阻链将R₂₅上的电位再细分为8份(V₃₅、V₃₅₁、V₃₅₂、…、V₃₅₆、V₃₅₇、V₃₆)，所以用基本A/D器可以直接测试出模拟电位值υ_I对应的第三级数字输出量，同时确定第三级等压电阻。以后级别的转换依次类推。

假定是四级转换，以上方法是按一级、二级、三级、四级的顺序转换的，二级和三级就要用到链调整电阻R’₃、R’₄；如果按四级、三级、二级、一级的顺序转换，可以省去链调整电阻R’₃、R’₄。

实施例2，逆向配对式，方法一的线性编码：(图3中)令同一级电阻链中的各个电阻值相等，且∑R₁＝R₃₁、∑R_3i＝R₂₁、∑R_2i＝R₁₁，于是，可以用基本电阻链等价置换三级电阻链中的任一电阻，用三级电阻链等价置换二级电阻链中的任一电阻，用二级电阻链等价置换一级电阻链中的任一电阻。

进行第一级转换时与实施例1相同，假定确定了第一级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝101，这时的R₅为一级等压基本电阻，对应的一级等压电阻为R₁₅，同时，以最后一级电阻链(图3中的第三级电阻链)作为临时一级电阻链，R₃₅为临时一级等压电阻，用基本电阻链等价置换R₃₅，临时一级电阻链走向为R₃₇→R₃₆→H₃→T→∑R_i→S→G₃→R’₃₄→R’₃₃→R’₃₂→R’₃₁→R’₃₀，就是将基本A/D器的T和S分别(经过H₃和G₃)接至V₆和V₅，基本电阻链将V₅至V₆再细分为8份(V₅＝V₅₀，V₅₁，V₅₂，…，V₅₆，V₅₇，V₅₈＝V₆)，所以可以用基本A/D器测试出模拟电位υ_I对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压电阻。

假定比较器C₄输出为“1”，C₅输出为“0”，可知第二级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝100，模拟电位值υ_I应该是大于等于V₆₄且小于V₅₅，即落在R₄的电位范围之内，所以这时的R₄为第二级等压基本电阻，对应的R₃₄为临时二级等压电阻，由基本电阻链对R₃₄进行等值取代；而临时一级等压电阻由R₃₅换成了二级电阻链中的R₂₅，由电阻链∑R_3i对R₂₅进行等值取代；(将图4改接为：T₂接至+V_R，S₂接至地，这时的回路为：+V_R→R₂₇→R₂₈→(∑R_3i＝R₂₅)→R’₂₄→R’₂₃→R’₂₂→R’₂₁→R’₂₀→地，其中∑R_3i的回路为：R₃₇→R₃₆→R₃₅→(∑R_i＝R₃₄)→R’₃₃→R’₃₂→R’₃₁→R’₃₀)，因为已经有∑R_i＝R₃₅，所以只要令R’₂₀＝……＝R₂₇＝∑R_3i，就可以使得临时二级电阻链∑R_3i等值取代临时一级等压电阻R₂₅，且使得基本电阻链∑R_i等值取代临时二级等压电阻R₃₄，基本电阻链将V₅₄至V₅₅再细分为8份(V₅₄＝V₅₄₀，V₅₄₁，V₅₄₂，…，V₅₄₆，V₅₄₇，V₅₄₈＝V₅₅)，所以可以用基本A/D器测试出模拟电位υI对应的第三级数字输出量，同时确定第三级等压电阻。

假定比较器C₁输出为“1”，C₂输出为“0”，可知第三级数字输出量为D₂、D₁、D₀＝001，模拟电位值υ_I应该是大于等于V₅₄₁且小于V₅₄₂，即落在R₁的电位范围之内(在图4的基本电阻中)，所以这时的R₁为第三级等压基本电阻，对应的R₃₁为正式的三级等压电阻，而一级等压电阻由临时一级等压电阻R₂₅换成了正式一级等压电阻R₁₅，二级等压电阻由临时二级等压电阻R₃₄换成了正式二级等压电阻R₂₄，由控制器将电路接成图4回路，将基本电阻链∑R_i等值取代三级等压电阻R₃₁，基本电阻链将V₅₄₁至V₅₄₂再细分为8份(V₅₄₁＝V₅₄₁₀，V₅₄₁₁，V₅₄₁₂，…，V₅₄₁₆，V₅₄₁₇，V₅₄₁₈＝V₅₄₂)，所以可以用基本A/D器直接测试出模拟电位值υI对应的第四级数字输出量。

采用分级电阻链组对调整法和电位差转换法时，进行线性转换的方法是令相同电阻链中每个电阻都相等，进行非线性转换的方法是令相同电阻链中的电阻值不相等，令相同电阻链中的电阻值成等比数列就成了对数特性转换；还可以线性与非线性混合使用，在前面级别的转换进行线性转换，后面级别的转换进行非线性转换。

施例3，配对式非线性分16档，方法一的非线性编码。在数字通信技术中，通常采用非线性编码来提高信噪比。以13折线法为例。

表3  各段的量化台阶与起始电平

段落号	1	2	3	4	5	6	7	8
									量化台阶	1	1	2	4	8	16	32	64
起始电平	0	16	32	64	128	256	512	1024

图5是13折线法编码电路原理图，V₈＝0电位。一级转换时，要将16段电阻的压降设计成不均等的正负各8大段，各大段的压降按表3的起始电平规则。将一级电阻链设计成符合表3的规则，基本电阻链16个电阻值可以有两种设计方案，第一种是与一级电阻链中对应的电阻值都相等(或成比例)，第二种是16个电阻值都相等，由单个调整电阻(R’₀～R’_F)调整成符合表3的规则。以第二种方案为例。令多路开关t全不通，一级电阻链与调整基本电阻链(R”₀＝R’₀∥R₀，R”₁＝ R’₁∥R₁，……R”_E＝R’_E∥R_E，  R”_F＝R’_F∥R_F)对应的电阻值都相等，且符合表3的起始电平规则：中间小(正中间为零电位)，两头大；R”_F＝R_1F＝R”₀＝R’₁₀＝64*R；R”_E＝R_1E＝R”₁＝R’₁₁＝32*R；R”_D＝ R_1D＝R”₂＝R’₁₂＝16*R；R”_C＝R_1C＝R”₃＝R’₁₃＝8*R、R”_B＝R_1B＝R”₄＝R’₁₄＝4*R、R”_A＝R_1A＝R”₅＝R’₁₅＝2*R、R”₉＝R₁₉＝R”₆＝R’₁₆＝R”₈＝R₁₈＝R”₇＝R’₁₇＝R。成为正负各8大段的13折线。正负为一位，8大段为三位，一级转换共四位输出。

二级转换时，要将各大段内的电位均等地分为16小段，所以去掉单个调整电阻(R’₀～R’_F)，将基本电阻链恢复成各个电阻值都相等，(设R_Z＝R₀+R₁+…+R_F；令R_78t∥R_Z＝R₁₆＝R₁₇＝R₁₈＝R₁₉，R_5At∥R_Z＝R₁₅＝R_1A，R_48t∥R_Z＝R₁₄＝R_1B，R_3Ct∥R_Z＝R₁₃＝R_1c，R_2Dt∥R_Z＝R₁₂＝R_1D，R_1Et∥R_Z＝R₁₁＝R_1E，R_0Ft∥R_Z＝R₁₀＝R_1F)；T通过H₁连接到等压电阻的上端，S通过G₁连接到等压电阻的下端，由基本电阻链置换等压电阻，然后通过控制多路开关t，在链调整电阻R_78t～R_0Ft中调用合适的一个与基本电阻链并联，可以等价置换任何一个一级等压电阻，于是，基本电阻链将每个大段的电位都可以均等地分为16小段。二级转换也是四位输出。

施例4，配对式对数特性分16档，方法一的等比数列法非线性编码：

借用图5作为等比数列数法编码电路原理图。进行对数特性转换；将基本电阻链和一级电阻链的16段电阻的电压降按等比数列规则设计成正负各8大段，各大段按等比数列规则设计电压降，令基本电阻链与一级电阻链的对应电阻等值(或对应成比例)。如果按照近似于对数曲线进行信号压缩，因为V₈＝0电位，所以基本电阻链和一级电阻链电阻值的设计方案是：中间小，两头大。令电阻值公比为q(q≥1)，R₈＝R₁₈＝R₇＝R’₁₇＝R，R₉＝R₁₉＝R₆＝R’₁₆＝q*R，R_A＝R_1A＝R₅＝R’₁₅＝q²*R，R_B＝R_1B＝R₄＝R’₁₄＝q³*R，R_C＝R_1C＝R₃＝R’₁₃＝q⁴*R，R_D＝R_1D＝R₂＝R’₁₂＝q⁵*R，R_E＝R_1E＝R₁＝R’₁₁＝q⁶*R，R_F＝R_1F＝R₀＝R’₁₀＝q⁷*R；令多路开关t全不通且单个调整电阻(R’₀～R’_F)全部断开，一级转换后，成为正负各8大段的15段折线，相邻大段之间的比例为q；正负各8大段，共16大段，所以一级转换共四位输出。二级转换时，要将各大段内的电位等比地分为16小段，单个调整电阻(R’₀～R’_F)对基本电阻链进行调整，当一级等压电阻在正8大段时，要将基本电阻链调整成从小到大对等压电阻进行替换：R”₀＝q^-8*R，R”₁＝q^-7*R，R”₂＝q^-6*R，R”₃＝q^-5*R，R”₄＝q^-4*R，R”₅＝q^-3*R，R”₈＝ q^-2*R，R₇＝q^-1*R，R₈＝R，R₉＝q¹*R，R_A＝q²*R，R_B＝q³*R，R_C＝q⁴*R，R_D＝q⁵*R，R_E＝q⁶*R，R_F＝q⁷*R；当一级等压电阻在负8大段时，要将基本电阻链调整成从大到小对等压电阻进行替换：R₀＝q⁷*R，R₁＝q⁶*R，R₂＝q⁵*R，R₃＝q⁴*R，R₄＝q³*R，R₅＝q²*R，R₆＝q¹*R，R₇＝R，R₈＝q^-1*R，R”₉＝q^-2*R，R”_A＝q^-3*R，R”_B＝q^-4*R，R”_C＝q^-5*R，R”_D＝q^-6*R，R”_E＝q^-7*R，R”_F＝q^-8*R。

设R_Z＝R₀+…+R₇+R”₈+…+R”_F＝R”₀+…+R”₇+R₈+…+R_F；由于一级等压电阻有8个不同的值，所以要使用链调整电阻R_78t～R_0Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压电阻，令R_78t∥R_Z＝R₁₇＝R₁₈，R_68t∥R_Z＝R₁₆＝R₁₉，R_5At∥R_Z＝R₁₅＝R_1A，R_48t∥R_Z＝R₁₄＝R_1B，R_3Ct∥R_Z＝R₁₃＝R_1C，R_2Dt∥R_z＝ R₁₂＝R_1D，R_1Et∥R_Z＝R₁₁＝R_1E，R_0Ft∥R_Z＝R₁₀＝R_1F；然后通过控制多路开关t，在链调整电阻R_78t～R_0Ft中调用合适的一个与调整电阻链并联，可以等价置换任何一个一级等压电阻，于是，将每个大段的电位都可以按等比数列的规则分为16小段。二级转换也是四位输出。一、二级转换合并起来，形成正负各128折线的压缩特性曲线。将调整后基本电阻链简称基本调整链。

施例5，(图7)方法一的配对式非线性分4档四级转换。以等比数列法编码为例，基本电阻链安排为：R₀＝R₃＝q¹*R，R₁＝R₂＝R；一级转换后，成为正负各两大段，R₀和R₃段长是R₁和R₂的q倍，相邻大段之间的比例为q。正负各两大段，共4大段为两位，一级转换共两位输出。进行二级转换时，如果等压电阻在正半区，单个调整电阻(R’₀和R’₁)将基本电阻链调整为(R”₀＝q^-2*R，R”₁＝q^-1*R，R₂＝R；R₃＝q¹*R)；如果等压电阻在正半区，单个调整电阻(R’₂和R’₃)将基本电阻链调整为(R₀＝q¹*R，R₁＝R，R”₂＝q^-1*R；R”₃＝q^-2*R)；简称 调整电阻链，其中(R”₀＝R₀∥R’₀，R”₁＝R₁∥R’₁，R”₂＝R₂∥R’₂；R”₃＝R₃∥R’₃)，然后用调整后基本电阻链等价置换第一级等压电阻，由基本A/D器得到第二级转换值的两位输出。进行三级转换时，用链调整电阻(R_78t、R_69t、R_5At、R_4Bt)对调整电阻链再次进行调整，使之可以等价置换任何一个第二级等压电阻，由基本A/D器得到第三级转换值的两位输出。进行四级转换时，用链调整电阻(R_3Ct、R_2Dt、R_1Et、R_0Ft)对调整电阻链再次进行调整，使之可以等价置换任何一个第三级等压电阻，由基本A/D器得到第四级转换值的两位输出。四级共实现正负各7位的等比数列分段(各128段)。

方法二：开关搭配电阻链法(即搭配式)(图8)。设基本电阻链的总电阻值为R_Z，设计一组可搭配电阻，可以在有效范围内搭配成Rz的任意整数倍电阻值。(如可搭配电阻为：1*R_Z、2*R_Z、4*R_Z、8*R_Z、16*R_Z、32*R_Z、64*R_Z、128*R_Z；可以任意搭配成1*R_z～255*R_Z的电阻值)。先用基本A/D器完成一级转换，并确定第一级等压电阻后，将可搭配电阻与(基本电阻链R_Z)搭配成一级电阻链，使(基本电阻链R_Z)正好等价置换第一级等压电阻。然后用基本A/D器完成二级转换，并确定第二级等压电阻后，再将可搭配电阻与(基本电阻链R_Z)重新搭配成一、二级电阻链，使R_Z正好等价置换第二级等压电阻。依次类推。

施例6，方法二的线性编码例(图8)：每个可搭配电阻由一个电阻连接多路开关公共端组成，多路输入端中的每一路(1、2、4、8、16、32、64、128、T、地)分别通过导线连接对应的电阻或接头(1*R_Z、2*R_Z、4*R_Z、8*R_Z、16*R_Z、32*R_Z、64*R_Z、128*R_Z、T、地)；所以通过对多路输入端的选择，可以将可搭配电阻任意搭配成1*R_Z～255*R_Z的电阻值。由于可搭配电阻都是从大到小取值，所以每个可搭配电阻的多路输入端只需要考虑小电阻即可，例如，8*R_Z的多路输入端就只需要(1、2、4、T、地)。

用基本A/D器完成一级转换，假定得到D₃、D₂、D₁、D₀＝1011，(1011换算成16进制后等于B)，并确定第一级等压电阻为R_B。搭配成一级电阻链时，基本电阻链(R_Z)应该在位置(16进制)B，B以下的电阻值共11*R_Z，用1*R_Z、2*R_Z、8*R_Z四个串联后替代(图8，用触头S连接)；B以上的电阻值共4*R_Z，用4*R_Z替代(用触头T连接)。

基本电阻链等值替换一级等压电阻后，用基本A/D器完成二级转换，假定得到D₃、D₂、D₁、D₀＝0100，(0100换算成16进制后等于4)，并确定第二级等压电阻为R₄。得到基本电阻链以下的电阻值共16*(11*R_Z)+4*R_Z，用4*R_Z、16*R_Z、32*R_Z、128*R_Z四个串联后替代(图8，将触头S改连接至128*R_Z的上端)；基本电阻链以上的电阻值共16*(4*R_Z)+11*R_Z，用1*R_Z、2*R_Z、8*R_Z、64*R_Z四个串联后替代(将触头S改连接至1*R_Z的下端)，完成了基本电阻链对二级等压电阻R₄的等价置换，这时可以用基本A/D器完成三级转换。依次类推。

方法三：电位差转换法(图9)。先用基本A/D器直接测试出模拟电位值υ_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，再根据D₃、D₂、D₁、D₀将一级电阻链多路开关中相应的触点接通，将对应的电位υ_X经过H1输入到减法电路，模拟电位值υ_I与υ_X相减后，根据第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定对(υ_I-υ_X)的放大倍数，得到二级模拟电位值υ′_I，然后用基本A/D器测试出二级模拟电位值υ′_I对应的第二级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)。

施例7，方法三的非线性编码实施例(图9)：同施例4一样，V₈＝0电位，基本电阻链和一级电阻链电阻值的设计方案以及一级转换都与施例4相同。

二级转换时，用单个调整电阻(R’₀～R’_F)对基本电阻链进行调整的方法也与施例4相同，基本电阻链呈等比变化。不同的是，根据υ_I与一级转换值D₃、D₂、D₁、D₀对应的电压数字量V_X之差，放大后再进行二级转换。假定D₃、D₂、D₁、D₀＝0110，知道R₁₆是一级等压电阻，处在负8大段。第二级转换时，根据一级转换值(0110)，控制器要做四件事，①、将S端由-V_R改接至地；令单个调整电阻(R’₈～R’_F)接通；②、将一级电阻链的V₆触点接通至H₁，送至“减法和放大电路”；③、将模拟电位值υ_I的输入切换到“减法和放大电路”；④、因为υ_I-V₆的范围是0～(V₇-V₆)，υ_I与V₆相减并放大后为υ′_I，选用减法和放大电路中的R_S6作为负反馈电阻，将电压0～(V₇-V₆)放大到(0～+V_R)。(要补充说明的是，负反馈电阻(R_S0、…、R_S7)的选用，根据谁是一级等压电阻而确定，目的是将υ′_I电压范围确定在(0～+V_R)。又因为R_1F＝R₁₀，可以共用R_S0；同样，R_1E＝R₁₁，共用R_S1；依次类推)。经过以上准备后，可以将υ′_I按对数规律进行第二级转换。

施例8，如果将(图9)所有电阻链中的每个电阻值设计为相等，去掉调整电阻，就成了方法三的线性编码实施例。

Claims (10)

1.一种直接式分级并行A/D转换的方法，将模拟信号转换为数字量，其特征是：包括了基本A/D器和分级电阻链，用基本A/D器将模拟信号转换为一级数字量，并确定一级等压电阻；然后以一级等压电阻上的电压范围作为参考电压，再度用基本A/D器将模拟信号转换为二级数字量，并确定二级等压电阻，依次类推，分级测试出模拟电位值对应的各级数字输出量。

2.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：分级电阻链组对调整法，进行第一级转换时，用基本A/D器直接测试出模拟电位值对应的第一级数字输出量，同时确定第一级等压电阻；然后做三件事，①、用调整电阻与基本电阻链组合成基本调整链，与第一级等压电阻等值；②、将一级电阻链对进行合成，并将基本调整链作为一级等压电阻合成到一级电阻链中；③、用基本A/D器直接测试出模拟电位值对应的第二级数字输出量，同时确定第二级等压电阻；依次类推进行以下级转换。

3.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级电阻链组对调整法时，第k级电阻链由第k级电阻链上部和第k级电阻链下部合成，所有附图中，R_k1～R_k(n-1)称为第k级电阻链上部，R’_k0～R’_k(n-2)称为第k级电阻链下部，合并称为 第k级电阻链对，其中对应电阻的电阻值相等，即：R_kX＝R’_kX，当一个 电阻链对连接成一个电阻链时，电阻链中的电阻从0号到n-1号，应该不多一个(如：不会出现R_k6同时还出现R′_k6)，也不少一个(如：不会在电阻个数等于8电阻链中，同时缺少R_k6和R’_k6)；当第k级电阻链上部和下部合成第k级电阻链时，用(第k+1)级基本调整链等价置换第k级等压电阻。

4.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：电阻链对的电阻链上部(和下部)都是由一个电阻链加上一个多路开关组成，多路开关为双向开关，多路开关的多路输入端分别连接到电阻链的电阻之间，根据电址编码进行选通，每次只有其中一路输入端与公共端连通，该输入端与公共端之间的电阻称被选中电阻；所以组成的回路为：K级电阻链上部起始端(T_K)→上部选通端→(K级上部被选中电阻)→上部公共端(H_K)→T→基本调整链→S→下部公共端(G_K)→(K级下部被选中电阻)→下部选通端→分级电阻链下部起始端(S_K)；(K级上部被选中电阻)+基本调整链+(K级下部被选中电阻)组成K级电阻链；由基本调整链等价置换K级电阻链中的等压电阻。

5.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：电位差转换法(图9)。先用基本A/D器直接测试出模拟电位值υ_I对应的第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，再根据D₃、D₂、D₁、D₀将一级电阻链多路开关中相应的触点接通，将对应的电位υ_X经过H1输入到减法电路，模拟电位值υ_I与υ_X相减后，根据第一级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)，确定对(υ_I-υ_X)的放大倍数，得到二级模拟电位值υ′_I，然后用基本A/D器测试出二级模拟电位值υ′_I对应的第二级数字输出量(D₃、D₂、D₁、D₀)。

6.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级电阻链组对调整法和电位差转换法时，进行线性转换的方法是令相同电阻链中每个电阻都相等。

7.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级电阻链组对调整法和电位差转换法时，进行非线性转换的方法是令相同电阻链中的电阻值不相等，令相同电阻链中的电阻值成等比数列就成了对数特性转换。

8.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级电阻链组对调整法和电位差转换法时，前面级别的转换进行线性转换，后面级别的转换进行非线性转换。

9.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用开关搭配电阻链法(即搭配式)(图8)，设计一组可搭配电阻，可以在有效范围内搭配成(基本电阻链总电阻值)R_Z的任意整数倍电阻值，先用基本A/D器完成一级转换，并确定第一级等压电阻后，将可搭配电阻与(基本电阻链R_Z)搭配成一级电阻链，使(基本电阻链R_Z)正好等价置换第一级等压电阻；然后用基本A/D器完成二级转换，并确定第二级等压电阻后，再将可搭配电阻与(基本电阻链R_Z)重新搭配成一、二级电阻链，使R_Z正好等价置换第二级等压电阻；依次类推。

10.根据权利要求1所述的直接式分级并行A/D转换的方法，其进一步的特征是：采用分级电阻链组对调整法和电位差转换法时，进行对数特性转换；将基本电阻链和一级电阻链的16段电阻的电压降按等比数列规则设计成正负各8大段，所以基本电阻链和一级电阻链电阻值的设计方案是(令电阻值公比为q≥1)：R₈＝R₁₈＝R₇＝R’₁₇＝R，R₉＝R₁₉＝R₆＝R’₁₆＝q*R，R_A＝R_1A＝R₅＝R’₁₅＝q²*R，R_B＝R_1B＝R₄＝R’₁₄＝q³*R，R_C＝R_1C＝R₃＝R’₁₃＝q⁴*R，R_D＝R_1D＝R₂＝R’₁₂＝q⁵*R，R_E＝R_1E＝R₁＝R’₁₁＝q⁶*R，R_F＝R_1F＝R₀＝R’₁₀＝q⁷*R；令多路开关t全不通且单个调整电阻(R’₀～R’_F)全部断开，一级转换后，成为正负各8大段的15段折线，相邻大段之间的比例为q；

二级转换时，要将各大段内的电位等比地分为16小段，单个调整电阻(R’₀～R’_F)对基本电阻链进行调整，当一级等压电阻在正8大段时，要将基本电阻链调整成从小到大对 等 压电阻进行替换：R”₀＝q^-8*R，R”₁＝q^-7*R，R”₂＝q^-6*R，R”₃＝q^-5*R，R”₄＝q^-4*R，R”₅＝q^-3*R，R”₆＝q^-2*R，R”₇＝q^-1*R，R₈＝R，R₉＝q¹*R，R_A＝q²*R，R_B＝q³*R，R_C＝q⁴*R，R_D＝q⁵*R，R_E＝q⁶*R，R_F＝q⁷*R；当一级等压电阻在负8大段时，要将基本电阻链调整成从大到小对等压电阻进行替换：R₀＝q⁷*R，R₁＝ q⁶*R，R₂＝q⁵*R，R₃＝q⁴*R，R₄＝q³*R，R₅＝q²*R，R₆＝q¹*R，R₇＝R，R”₈＝q^-1*R，R”₉＝q^-2*R，R”_A＝q^-3*R，R”_B＝q^-4*R，R”_C＝q^-5*R，R”_D＝q^-6*R，R”_E＝q^-7*R，R”_F＝q^-8*R；

设R_Z＝R₀+…+R₇+R”₈+…+R”_F＝R”₀+…+R”₇+R₈+…+R_F；由于一级等压电阻有8个不同的值，所以要使用链调整电阻R_78t～R_0Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压电阻，令R_78t∥R_Z＝R₁₇＝R₁₈，R_69t∥R_Z＝R₁₆＝R₁₉，R_5At∥R_z＝R₁₅＝R_1A，R_4Bt∥R_Z＝R₁₄＝R_1B，R_3Ct∥R_z＝R₁₃＝ R_1c，R_2Dt∥R_Z＝R₁₂＝R_1D，R_1Et∥R_Z＝R₁₁＝R_1E，R_0Ft∥R_Z＝R₁₀＝R_1F；然后通过控制多路开关t，在链调整电阻R_78t～R_0Ft中调用合适的一个与调整电阻链并联，可以等价置换任何一个一级等压电阻，于是，将每个大段的电位都可以按等比数列的规则分为16小段。二级转换也是四位输出。一、二级转换合并起来，形成正负各128折线的压缩特性曲线。将调整后基本电阻链简称基本调整链。

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