張磊 曹敏

摘要：相比于其它方法實(shí)現(xiàn)的AD轉(zhuǎn)換器，并行AD轉(zhuǎn)換器由于具有非?？斓霓D(zhuǎn)換速度而被應(yīng)用在像視頻轉(zhuǎn)換器和高速信號(hào)采樣等對(duì)速度要求非常高的場(chǎng)合。這種高轉(zhuǎn)換速度是使用大量的硬件電路，且占用較大的芯片面積實(shí)現(xiàn)的。本文提出一種并行AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)思路，通過(guò)將AD轉(zhuǎn)換信號(hào)前端比較器輸出的數(shù)字信號(hào)分組后，對(duì)每組信號(hào)采用局部?jī)?yōu)先編碼，并對(duì)編碼后輸出的信號(hào)進(jìn)行修正，然后通過(guò)超前加法器進(jìn)行快速累加，從而得到最終結(jié)果。通過(guò)對(duì)比較器輸出數(shù)字信號(hào)的分組處理，能在保障轉(zhuǎn)換速度的前提下，減少使用硬件電路的數(shù)量。

關(guān)鍵詞：局部?jī)?yōu)先編碼;信號(hào)修正;超前進(jìn)位累加

• 傳統(tǒng)并行AD轉(zhuǎn)換電路及缺點(diǎn)

圖1是傳統(tǒng)的并行AD轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由三個(gè)部分組成，分別是比較電路、信號(hào)鎖存電路和編碼電路組成。其中，比較電路負(fù)責(zé)將輸入的模擬信號(hào)與分級(jí)的參考電壓信號(hào)共同輸入比較器進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。為方便后續(xù)編碼電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)有一個(gè)穩(wěn)定的輸入信號(hào)，比較器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖存器后，在時(shí)鐘沿信號(hào)的作用下鎖存器輸出該數(shù)字信號(hào)，并為編碼電路提供穩(wěn)定的輸入信號(hào)。編碼電路對(duì)鎖存器輸出的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先編碼，輸出最終的數(shù)字結(jié)果。

對(duì)于通用的并行AD轉(zhuǎn)換電路，外接的模擬電壓要輸入到內(nèi)部每一個(gè)比較器的一個(gè)輸入端，隨著AD轉(zhuǎn)換位數(shù)的提高，內(nèi)部比較器的數(shù)量會(huì)急劇增加，這會(huì)對(duì)輸入的模擬電壓造成大幅度的衰減，導(dǎo)致實(shí)際輸入到比較器輸入端的模擬電壓下降，系統(tǒng)工作不正常。為降低這種衰減，要在內(nèi)部電路增加多級(jí)緩沖電路，將外接模擬信號(hào)分成一定數(shù)量的同等級(jí)電壓的模擬信號(hào)后，在分組輸入到比較器的輸入端。

n位分辨率的并行AD轉(zhuǎn)換器，參考電壓VREF被電阻分壓后，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)依次連接到比較器的另一個(gè)輸入端，作為每個(gè)比較器的參考電壓。輸入的模擬信號(hào)與每個(gè)比較器各自分等級(jí)的參考電壓進(jìn)行比較，依據(jù)電壓的大小，比較器輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，供下一級(jí)電路進(jìn)行處理。在圖1中，輸入的模擬信號(hào)接入比較器的同相輸入端，經(jīng)電阻分等級(jí)后的參考電壓加在比較器的反相輸入端，如果輸入的模擬電壓大于各比較器的參考電壓，比較器輸出高電平，反之輸出低電平。

各比較器輸出的數(shù)字信號(hào)加在鎖存器的輸入端，在系統(tǒng)控制時(shí)鐘CP上升沿的作用下，將該數(shù)字信號(hào)送到鎖存器的輸出端，給優(yōu)先編碼器提供輸入信號(hào)。引入鎖存器后，能暫時(shí)保存當(dāng)前各比較器的輸出信號(hào)，給優(yōu)先編碼器的工作提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入信號(hào)。優(yōu)先編碼器依據(jù)優(yōu)先編碼的原則，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出，完成AD轉(zhuǎn)換的功能。

傳統(tǒng)并行AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)硬件的需求比較大，在通常的電路設(shè)計(jì)中，n位分辨率的AD轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，通常對(duì)所需比較器的數(shù)量是固定的，硬件需求量大主要體現(xiàn)在信號(hào)鎖存和量化編碼兩部分電路中，2n-1個(gè)比較器輸出2n-1個(gè)數(shù)字信號(hào)，則對(duì)應(yīng)2n-1個(gè)鎖存器，隨著分辨率的提高，所需鎖存器的數(shù)量急劇增加。優(yōu)先編碼電路隨著輸入數(shù)字信號(hào)位數(shù)的增加，編碼電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，進(jìn)一步增加硬件電路的使用數(shù)量和面積的占用。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的并行AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改進(jìn)，在保障工作速度的前提下，降低硬件電路的使用量。

• 改進(jìn)的并行AD轉(zhuǎn)換電路

通過(guò)上述對(duì)傳統(tǒng)并行AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路的分析，每個(gè)比較器的輸出信號(hào)都輸入給下一級(jí)的一個(gè)鎖存器，n位分辨率的并行AD轉(zhuǎn)換器，則需要2n-1個(gè)鎖存器，這些鎖存器在制造時(shí)會(huì)占用很大的電路面積，同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。如果能減少鎖存器的使用，很大程度上能降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

為減少鎖存器的使用，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將鎖存器鎖存信號(hào)的位置放置到整個(gè)電路的最后端，用鎖存器直接鎖存最終的結(jié)果。對(duì)于n位分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，最終只需要n個(gè)鎖存器，很大程度上減少了鎖存器的使用。

AD轉(zhuǎn)換器在工作時(shí)，其輸入的模擬電壓是由采樣保持器輸出的，當(dāng)采樣保持電路處于保持狀態(tài)時(shí)，其輸出模擬電壓保持不變，此時(shí)加到每個(gè)比較器反相輸入端的電壓保持不變，比較器同相輸入端的各參考電壓大小不變，則比較器輸出的數(shù)字信號(hào)保持不變，給優(yōu)先編碼器輸入的數(shù)字信號(hào)保持不變，滿足輸入信號(hào)的穩(wěn)定要求，因此，可不用在比較器的輸出端增加鎖存器，降低鎖存器的使用數(shù)量，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。

優(yōu)先編碼電路隨著輸入數(shù)字信號(hào)位數(shù)的增加，編碼電路內(nèi)部所需的邏輯器件急劇增加，內(nèi)部連線的復(fù)雜度也隨之增加，由于硬件線路的增長(zhǎng)和連接復(fù)雜度的增加會(huì)造成編碼輸出結(jié)果延遲很大，也是整個(gè)并行AD轉(zhuǎn)換電路中耗時(shí)最長(zhǎng)的電路。為降低優(yōu)先編碼電路的延遲，將比較器輸出的結(jié)果進(jìn)行分組，對(duì)各組信號(hào)分別進(jìn)行優(yōu)先編碼，所有分組的優(yōu)先編碼輸出的結(jié)果優(yōu)化后通過(guò)超前進(jìn)位加法器進(jìn)行累加，便得到最終的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用分組優(yōu)先編碼方式的優(yōu)點(diǎn)在于降低優(yōu)先編碼器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將多個(gè)輸入信號(hào)分成幾個(gè)組別進(jìn)行編碼后再累加，降低硬件電路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減少信號(hào)運(yùn)算消耗的時(shí)間。求和的過(guò)程采用的是超前進(jìn)位加法器，其運(yùn)算速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的逐級(jí)進(jìn)位加法器，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。改進(jìn)后的AD轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

• 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的功能是對(duì)優(yōu)先編碼器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證送入超前進(jìn)位加法器的結(jié)果正確。對(duì)比較器信號(hào)進(jìn)行分組時(shí)，應(yīng)從最低位比較器輸出的結(jié)果開(kāi)始順序向高位和其相鄰的信號(hào)進(jìn)行組合，每組組合信號(hào)的個(gè)數(shù)滿足2的整數(shù)倍，這樣方便和優(yōu)先編碼器的輸入端進(jìn)行連接。每組信號(hào)的個(gè)數(shù)和總分組個(gè)數(shù)依據(jù)優(yōu)先編碼器的輸入端個(gè)數(shù)和優(yōu)先編碼器級(jí)聯(lián)后的復(fù)雜程度共同決定，使系統(tǒng)滿足最優(yōu)化。

在信號(hào)分組時(shí)，每組信號(hào)的個(gè)數(shù)滿足2的整數(shù)倍，如果每組中信號(hào)個(gè)數(shù)和現(xiàn)有的優(yōu)先編碼器輸入位數(shù)不匹配，則可以通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)優(yōu)先編碼器的方式實(shí)現(xiàn)，以匹配每組中的信號(hào)個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)合理配置。

按照分組原則，最高位分組的優(yōu)先編碼器的高位引腳會(huì)處于懸空狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)給優(yōu)先編碼器的高位引腳輸入一個(gè)固定無(wú)效信號(hào)，不能讓最高位輸入信號(hào)對(duì)本組內(nèi)剩余引腳的有效輸入信號(hào)進(jìn)行屏蔽。對(duì)于n位并行AD轉(zhuǎn)換電路，比較器電路也可設(shè)置為2n個(gè)輸出，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分組時(shí)，最高位分組的優(yōu)先編碼器的高位引腳會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)電壓大小而自動(dòng)改變，免去優(yōu)先編碼器高位輸入引腳懸空的問(wèn)題。

改進(jìn)后的并行AD轉(zhuǎn)換其內(nèi)部比較器的反相輸入端接輸入的模擬電壓，當(dāng)電壓超過(guò)該比較器的設(shè)定參考電壓時(shí)，比較器輸出0，代表有效信號(hào)，設(shè)置為低電平的目的是為匹配優(yōu)先編碼器的低有效編碼功能。

實(shí)際的優(yōu)先編碼器在使用時(shí)，當(dāng)輸入全是1時(shí)，輸出全為0，此時(shí)代表輸入的模擬電壓較小，沒(méi)有超過(guò)該分組所有比較器的各自參考電壓，比較器輸出電壓值為1，優(yōu)先編碼器輸出全是0，滿足要求。優(yōu)先編碼器輸入全是0的時(shí)候，輸出全是1，此時(shí)代表輸入的模擬電壓超過(guò)該分組所有比較器的各自參考電壓，優(yōu)先編碼器對(duì)該分組內(nèi)最高位比較器輸出的0進(jìn)行編碼，但優(yōu)先編碼器輸出的結(jié)果比實(shí)際結(jié)果小1，要對(duì)結(jié)果進(jìn)行加1處理。但是，當(dāng)優(yōu)先編碼器只有最低位為0時(shí)，其輸出結(jié)果也全為0，剩下每個(gè)的情況，優(yōu)先編碼器的輸出結(jié)果要加1處理。圖3為對(duì)32線-5線優(yōu)先編碼器輸出的編碼信號(hào)進(jìn)行修正的電路。

• 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)的并行AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目的在于滿足轉(zhuǎn)換速度的同時(shí)，降低硬件電路的復(fù)雜程度，給并行AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。

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