专利名称：直接式分级并行a/d转换的方法
技术领域：
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2m-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2m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
，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～RF——基本电阻链的电阻；(C1～C7～CF)——可锁存的比较器；优先编码器；I0～I7～IF——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；υI——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(TX、SX)箭头用于获取高、低参考电位。
+VR和-VR——正、负总参考电位点；V0～V7～VF——第一级子参考电位点(只有一个下标)；V30～V37～V3F——第二级子参考电位点(有两个下标)；V350～V357～V35F——第三级子参考电位点(有三个下标)。
R11～R17～R1F——第一级电阻链上部；R’10～R’17～R’1E——第一级电阻链下部；R21～R27～R2F——第二级电阻链上部；R’20～R’27～R’2E——第二级电阻链下部；R31～R37～R3F——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；(R78t、R69t、R5At、R4Bt、R3ct、R2Dt、R1Et、R0Ft)——基本电阻链的链调整电阻；(1*RZ、2*RZ、4*RZ、8*RZ、16*RZ、32*RZ、64*RZ、128*RZ)——(图8)可搭配电阻；(RS0～RS7)——(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VR，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VR均分为八个等级，其子参考电位点分别为V0＝0、V1＝VR/8、V2＝2*VR/8、V3＝3*VR/8、V4＝4*VR/8、V5＝5*VR/8、V6＝6*VR/8、V7＝7*VR/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υI，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，当0≤υI＜V1时，C1～C7的输出状态都为0，当V2≤υI＜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
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*VR/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、RA、RB、RC、RD、RE、RF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RKX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∑Ri，默认∑的i＝(0…n-1)。④、Rk1～Rk(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RkX＝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Rk6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Rk6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+…+Rk(n-2)+Rk(n-1)简记为∑Rki，⑤、设模拟电位υI不超出测量范围，如果有某个电阻中的某一点电位与υI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、Vabc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R2X代表R21、R26、R2D等，HX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(HX)或底端(GX)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(TK)→上部选通端→(K级上部被选中电阻)→上部公共端(HK)→T→基本调整链→S→下部公共端(GK)→(K级下部被选中电阻)→下部选通端→分级电阻链下部起始端(SK)；(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(+VR和地)，用基本A/D器直接测试出模拟电位值υI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υI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+VR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+VR→R17…→R14→H1→T→(R7…→R0)→S→G1→R’12→R’11→R’10→地；如果设计时，令∑Ri＝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∑Ri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
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→∑R2i→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∥∑Ri)→R’24→R’23→R’22→R’21→R’20，(由于前面已经令∑Ri＝R13，不能改令∑Ri＝R25，所以只能令R’3∥∑Ri＝R25(∥表示并联)，其中R’3为链调整电阻，于是用R’3∥∑Ri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υI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、∑R3i＝R21、∑R2i＝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→∑Ri→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υI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υI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∑R3i对R25进行等值取代；(将图4改接为T2接至+VR，S2接至地，这时的回路为+VR→R27→R28→(∑R3i＝R25)→R’24→R’23→R’22→R’21→R’20→地，其中∑R3i的回路为R37→R36→R35→(∑Ri＝R34)→R’33→R’32→R’31→R’30)，因为已经有∑Ri＝R35，所以只要令R’20＝……＝R27＝∑R3i，就可以使得临时二级电阻链∑R3i等值取代临时一级等压电阻R25，且使得基本电阻链∑Ri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υI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∑Ri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
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∥RE， R”F＝R’F∥RF)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＝R1F＝R”0＝R’10＝64*R；R”E＝R1E＝R”1＝R’11＝32*R；R”D＝ R1D＝R”2＝R’12＝16*R；R”C＝R1C＝R”3＝R’13＝8*R、R”B＝R1B＝R”4＝R’14＝4*R、R”A＝R1A＝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RZ＝R0+R1+…+RF；令R78t∥RZ＝R16＝R17＝R18＝R19，R5At∥RZ＝R15＝R1A，R48t∥RZ＝R14＝R1B，R3Ct∥RZ＝R13＝R1c，R2Dt∥RZ＝R12＝R1D，R1Et∥RZ＝R11＝R1E，R0Ft∥RZ＝R10＝R1F)；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R78t～R0Ft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，RA＝R1A＝R5＝R’15＝q2*R，RB＝R1B＝R4＝R’14＝q3*R，RC＝R1C＝R3＝R’13＝q4*R，RD＝R1D＝R2＝R’12＝q5*R，RE＝R1E＝R1＝R’11＝q6*R，RF＝R1F＝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，RA＝q2*R，RB＝q3*R，RC＝q4*R，RD＝q5*R，RE＝q6*R，RF＝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RZ＝R0+…+R7+R”8+…+R”F＝R”0+…+R”7+R8+…+RF；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R78t～R0Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压电阻，令R78t∥RZ＝R17＝R18，R68t∥RZ＝R16＝R19，R5At∥RZ＝R15＝R1A，R48t∥RZ＝R14＝R1B，R3Ct∥RZ＝R13＝R1C，R2Dt∥Rz＝ R12＝R1D，R1Et∥RZ＝R11＝R1E，R0Ft∥RZ＝R10＝R1F；然后通过控制多路开关t，在链调整电阻R78t～R0Ft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(R78t、R69t、R5At、R4Bt)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(R3Ct、R2Dt、R1Et、R0Ft)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RZ，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*RZ、2*RZ、4*RZ、8*RZ、16*RZ、32*RZ、64*RZ、128*RZ；可以任意搭配成1*Rz～255*RZ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RZ)搭配成一级电阻链，使(基本电阻链RZ)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RZ)重新搭配成一、二级电阻链，使RZ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*RZ、2*RZ、4*RZ、8*RZ、16*RZ、32*RZ、64*RZ、128*RZ、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*RZ～255*RZ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*RZ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RB。搭配成一级电阻链时，基本电阻链(RZ)应该在位置(16进制)B，B以下的电阻值共11*RZ，用1*RZ、2*RZ、8*RZ四个串联后替代(图8，用触头S连接)；B以上的电阻值共4*RZ，用4*RZ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*RZ)+4*RZ，用4*RZ、16*RZ、32*RZ、128*RZ四个串联后替代(图8，将触头S改连接至128*RZ的上端)；基本电阻链以上的电阻值共16*(4*RZ)+11*RZ，用1*RZ、2*RZ、8*RZ、64*RZ四个串联后替代(将触头S改连接至1*RZ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υI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υX经过H1输入到减法电路，模拟电位值υI与υX相减后，根据第一级数字输出量(D3、D2、D1、D0)，确定对(υI-υX)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υI与一级转换值D3、D2、D1、D0对应的电压数字量VX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-VR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υI的输入切换到“减法和放大电路”；④、因为υI-V6的范围是0～(V7-V6)，υI与V6相减并放大后为υ′I，选用减法和放大电路中的RS6作为负反馈电阻，将电压0～(V7-V6)放大到(0～+VR)。(要补充说明的是，负反馈电阻(RS0、…、RS7)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～+VR)。又因为R1F＝R10，可以共用RS0；同样，R1E＝R11，共用RS1；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。
权利要求
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，Rk1～Rk(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RkX＝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Rk6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Rk6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(TK)→上部选通端→(K级上部被选中电阻)→上部公共端(HK)→T→基本调整链→S→下部公共端(GK)→(K级下部被选中电阻)→下部选通端→分级电阻链下部起始端(SK)；(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υI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υX经过H1输入到减法电路，模拟电位值υI与υX相减后，根据第一级数字输出量(D3、D2、D1、D0)，确定对(υI-υX)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)RZ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RZ)搭配成一级电阻链，使(基本电阻链RZ)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RZ)重新搭配成一、二级电阻链，使RZ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，RA＝R1A＝R5＝R’15＝q2*R，RB＝R1B＝R4＝R’14＝q3*R，RC＝R1C＝R3＝R’13＝q4*R，RD＝R1D＝R2＝R’12＝q5*R，RE＝R1E＝R1＝R’11＝q6*R，RF＝R1F＝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，RA＝q2*R，RB＝q3*R，RC＝q4*R，RD＝q5*R，RE＝q6*R，RF＝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RZ＝R0+…+R7+R”8+…+R”F＝R”0+…+R”7+R8+…+RF；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R78t～R0Ft使得基本调整链能够等价置换任何一个一级等压电阻，令R78t∥RZ＝R17＝R18，R69t∥RZ＝R16＝R19，R5At∥Rz＝R15＝R1A，R4Bt∥RZ＝R14＝R1B，R3Ct∥Rz＝R13＝ R1c，R2Dt∥RZ＝R12＝R1D，R1Et∥RZ＝R11＝R1E，R0Ft∥RZ＝R10＝R1F；然后通过控制多路开关t，在链调整电阻R78t～R0Ft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。
全文摘要
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。
文档编号H03M1/12GK1487672SQ0213966
公开日2004年4月7日 申请日期2002年9月30日 优先权日2002年9月30日
发明者陈启星 申请人:陈启星