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摘 要 为了帮助学生深入理解逐次逼近型模数转换器这一教学难点，文中设计了逐次逼近式A/D转换器实验配合理论教学。实验包括基础和进阶两部分内容：基础实验采用串行10位数模转换器（D/A转换器）TCL5615设计逐次逼近式A/D转换器;在进阶实验中要求学生采用双路D/A转换器方案实现高精度A/D转换器，引发学生独立思考，在设计过程中培养其创新意识和创新能力。
关键词 逐次逼近 A/D转换器 单片机 创新实验
中图分类号：TN792 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.09.033
Successive Approximation Analog-principle Experiment Scheme
WANG Rui[1]， WANG Yubing[1]， WANG Dexuan[2]
（[1] College of Electric Science & Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130012;
[2] Changchun No.48 Middle School， Changchun， Jilin 130051）
Abstract In order to help students in-depth understanding of the successive-approximation ADC difficulty of teaching， the paper designed the successive approximation A/D converter experiment with theoretical teaching. Experiments including basic and advanced two parts： basic experiments serial 10 DAC （D/A converter） TCL5615 design successive approximation type A/D converter; require students to advanced experiments using dual D/A converter program to achieve high-precision A/D converter， causing students to think independently， to develop their sense of innovation and ability to innovate in the design process.
Key words successive approximation; A/D converter; SCM; creative experiment
0 引言
模數转换器（A/D 转换器）是模拟电路与数字电路接口的关键部件，在工业控制领域有着广泛的应用。①②③根据设计原理的不同，A/D转换器主要分为并行比较型、逐次逼近型和双积分型等。④其中并行比较型A/D转换器为满足高速需求设计;双积分型A/D转换器为满足高精度需求设计。逐次比较型A/D转换器具有中等速度（5 MS/s以下）、中高精度（8～16位）、低功耗和低成本的综合优势，使其在工业控制领域有着更广泛的应用。⑤关于A/D转换器原理和应用技术的内容是数字电子技术、单片机原理与接口技术和现代电子技术等理论课程的教学重点和难点。该内容实践性较强，以教师为主体的课堂讲授方式，不利于学生理解和掌握A/D转换器原理。因此，我们设计了包括基础和进阶两部分的逐次逼近式A/D转换器原理实验。基础实验部分采用串行10位数模转换器（D/A转换器）TCL5615设计逐次逼近型A/D转换器，帮助学生理解掌握逐次逼近型A/D转换器的设计原理;进阶实验部分要求学生采用双路D/A转换器方案实现更高精度A/D转换器的设计，对理论的运用提出了更高的要求。这样既充分调动学生自主学习的意识，又在设计过程中培养学生的创新能力。
1 逐次逼近型A/D转换器设计实验原理
逐次逼近型A/D转换器主要由逐次逼近寄存器、时序控制电路、D/A转换器和比较器构成，其重点是D/A转换器和比较器。逐次逼近型A/D转换器采用二进制数搜索法控制D/A转换器的输出电压逼近输入模拟电压。以设计位逐次逼近型A/D转换器为例，步骤为：
（1）确定A/D转换器输出的位，令D/A转换器的输出为2-1，它与输入电压一起输入到比较器进行比较，比较的结果（1或0）作为A/D转换器输出的第位，记作。
（2）确定A/D转换器输出的位，令D/A转换器输出2-1€？2-2，再次与输入电压比较，比较结果作为A/D转换器输出的第位，记作。
（3）以此类推，直到得到A/D转换器的最低位。
2 实验内容
实验以单片机为主控制器实现A/D转换器内部时序控制和D/A转换器的控制，利用设计的逐次逼近型A/D转换器测量模拟电压，将转换结果显示在LCD上。
2.1 基础实验
基础实验中要求学生根据逐次逼近型A/D转换器原理，设计具有8位分辨率的A/D转换器，转换时间尽量短。设计制作一个0～5 V可连续调节的信号源用来测试设计的A/D转换器性能，最后将转换结果显示在串行段式液晶SMS0401上。
为了突出逐次逼近型A/D转换器设计原理这一学习重点，我们在实验中尽量减轻学生的设计负担，选用最简设计方案。D/A转换器是设计逐次逼近型A/D转换器的核心部件，考虑实验效果和成本我们选用简单易用的10位串行D/A转换器TLC5615。显示采用段式液晶SMS0401，仅有两个控制引脚。设计中需要的控制端口较少，对控制速度要求很高，因此，我们选用20引脚的新型STC系列单片机STC12C5204，指令代码完全兼容传统8051，工作频率范围0～35 MHz，相当于普通8051的0～420 MHz。用10位D/A转换器设计逐次逼近型A/D转换器，理论上A/D转换器的分辨率可以达到10位。为了保证设计精度，我们要求学生采用基准源芯片AD780提供D/A转换器的参考电压。 2.2 进阶实验
在基本实验的基础上，我们为有余力的同学提出更高的要求，用10位D/A转换器设计精度高于12位的A/D转换电路，尽量保持高的转换速率。新的设计任务需要学生灵活运用理论解决实际问题，进而培养学生的工程素养和创新能力。
文中提供一个较新颖的设计方案，采用双10位D/A转换器设计16位D/A转换器，替代基础实验部分的D/A转换器，进而实现更高精度的位逐次逼近型A/D转换器。16位D/A转换器输出模拟电压模型为：
圖1 双10位D/A转换器实现A/D转换器结构图
图2 学生作品的设计测量结果
观察发现，整理后的16位D/A转换器输出电压可以分解为两部分，一个10位D/A转换器与另一个10位D/A转换器衰减64倍后的低6位的结果相加。因此，采用上述原理设计的逐次逼近型A/D转换器结构图，如图1所示。
设计过程中要提醒学生注意比较器LM393输入端的信号，根据信号噪声特点加适当无源滤波电路，可以进一步提高测试精度。图2是学生设计作品的测量结果，三角形离散点所在曲线是A/D转换器输出结果，测量线性度好且无明显差异。圆形离散点所在曲线是A/D转换器的绝对误差，结果在正负0.0003 V间，满足14位A/D转换器精度。
3 结语
本文设计了配合逐次逼近型A/D转换器原理教学的实验方案，包括基础实验和进阶实验。文中讨论了逐次逼近型A/D的设计原理，在基础实验部分详细论述了采用10位串行D/A转换器TLC5615设计逐次逼近型A/D转换器的过程，设计原则力求简洁有效，突出重点。在进阶实验中提出更高的要求，让学生用低精度D/A转换器实现高精度A/D转换器的设计，训练学生灵活运用理论解决实际设计问题的能力。在该部分我们采用两路10位D/A转换器TLC5615设计逐次逼近型A/D转换器，精度达到14位。通过实验的方式，让学生带着设计需求学习理论，达到了学以致用的目的，实际教学效果好。并且在实验的过程中培养了学生的工程素养，提高学生的创新能力。
注释
① 张文义，张强，张镠钟，等.特定消谐变频调速实验装置的研究[J].实验室探究与探索，2011.30（6）：24-26.
② 王睿，于永江，杨罕，等.基于FPGA的双激光器同步控制的实现[J].光电子·激光，2010.21（2）：204-207.
③ 花汉兵.基于MSP430F449单片机的数据采集实验设计[J].实验室研究与探索，2007.26（5）：59-60，82.
④ 席德勋.现代电子技术[M].北京：高等教育出版社，1999.
⑤ 孙彤，李冬梅.逐次逼近A/D转换器综述[J].微电子学，2007.37（4）：523-531，547.
关键词 逐次逼近 A/D转换器 单片机 创新实验
中图分类号：TN792 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.09.033
Successive Approximation Analog-principle Experiment Scheme
WANG Rui[1]， WANG Yubing[1]， WANG Dexuan[2]
（[1] College of Electric Science & Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130012;
[2] Changchun No.48 Middle School， Changchun， Jilin 130051）
Abstract In order to help students in-depth understanding of the successive-approximation ADC difficulty of teaching， the paper designed the successive approximation A/D converter experiment with theoretical teaching. Experiments including basic and advanced two parts： basic experiments serial 10 DAC （D/A converter） TCL5615 design successive approximation type A/D converter; require students to advanced experiments using dual D/A converter program to achieve high-precision A/D converter， causing students to think independently， to develop their sense of innovation and ability to innovate in the design process.
Key words successive approximation; A/D converter; SCM; creative experiment
0 引言
模數转换器（A/D 转换器）是模拟电路与数字电路接口的关键部件，在工业控制领域有着广泛的应用。①②③根据设计原理的不同，A/D转换器主要分为并行比较型、逐次逼近型和双积分型等。④其中并行比较型A/D转换器为满足高速需求设计;双积分型A/D转换器为满足高精度需求设计。逐次比较型A/D转换器具有中等速度（5 MS/s以下）、中高精度（8～16位）、低功耗和低成本的综合优势，使其在工业控制领域有着更广泛的应用。⑤关于A/D转换器原理和应用技术的内容是数字电子技术、单片机原理与接口技术和现代电子技术等理论课程的教学重点和难点。该内容实践性较强，以教师为主体的课堂讲授方式，不利于学生理解和掌握A/D转换器原理。因此，我们设计了包括基础和进阶两部分的逐次逼近式A/D转换器原理实验。基础实验部分采用串行10位数模转换器（D/A转换器）TCL5615设计逐次逼近型A/D转换器，帮助学生理解掌握逐次逼近型A/D转换器的设计原理;进阶实验部分要求学生采用双路D/A转换器方案实现更高精度A/D转换器的设计，对理论的运用提出了更高的要求。这样既充分调动学生自主学习的意识，又在设计过程中培养学生的创新能力。
1 逐次逼近型A/D转换器设计实验原理
逐次逼近型A/D转换器主要由逐次逼近寄存器、时序控制电路、D/A转换器和比较器构成，其重点是D/A转换器和比较器。逐次逼近型A/D转换器采用二进制数搜索法控制D/A转换器的输出电压逼近输入模拟电压。以设计位逐次逼近型A/D转换器为例，步骤为：
（1）确定A/D转换器输出的位，令D/A转换器的输出为2-1，它与输入电压一起输入到比较器进行比较，比较的结果（1或0）作为A/D转换器输出的第位，记作。
（2）确定A/D转换器输出的位，令D/A转换器输出2-1€？2-2，再次与输入电压比较，比较结果作为A/D转换器输出的第位，记作。
（3）以此类推，直到得到A/D转换器的最低位。
2 实验内容
实验以单片机为主控制器实现A/D转换器内部时序控制和D/A转换器的控制，利用设计的逐次逼近型A/D转换器测量模拟电压，将转换结果显示在LCD上。
2.1 基础实验
基础实验中要求学生根据逐次逼近型A/D转换器原理，设计具有8位分辨率的A/D转换器，转换时间尽量短。设计制作一个0～5 V可连续调节的信号源用来测试设计的A/D转换器性能，最后将转换结果显示在串行段式液晶SMS0401上。
为了突出逐次逼近型A/D转换器设计原理这一学习重点，我们在实验中尽量减轻学生的设计负担，选用最简设计方案。D/A转换器是设计逐次逼近型A/D转换器的核心部件，考虑实验效果和成本我们选用简单易用的10位串行D/A转换器TLC5615。显示采用段式液晶SMS0401，仅有两个控制引脚。设计中需要的控制端口较少，对控制速度要求很高，因此，我们选用20引脚的新型STC系列单片机STC12C5204，指令代码完全兼容传统8051，工作频率范围0～35 MHz，相当于普通8051的0～420 MHz。用10位D/A转换器设计逐次逼近型A/D转换器，理论上A/D转换器的分辨率可以达到10位。为了保证设计精度，我们要求学生采用基准源芯片AD780提供D/A转换器的参考电压。 2.2 进阶实验
在基本实验的基础上，我们为有余力的同学提出更高的要求，用10位D/A转换器设计精度高于12位的A/D转换电路，尽量保持高的转换速率。新的设计任务需要学生灵活运用理论解决实际问题，进而培养学生的工程素养和创新能力。
文中提供一个较新颖的设计方案，采用双10位D/A转换器设计16位D/A转换器，替代基础实验部分的D/A转换器，进而实现更高精度的位逐次逼近型A/D转换器。16位D/A转换器输出模拟电压模型为：
圖1 双10位D/A转换器实现A/D转换器结构图
图2 学生作品的设计测量结果
观察发现，整理后的16位D/A转换器输出电压可以分解为两部分，一个10位D/A转换器与另一个10位D/A转换器衰减64倍后的低6位的结果相加。因此，采用上述原理设计的逐次逼近型A/D转换器结构图，如图1所示。
设计过程中要提醒学生注意比较器LM393输入端的信号，根据信号噪声特点加适当无源滤波电路，可以进一步提高测试精度。图2是学生设计作品的测量结果，三角形离散点所在曲线是A/D转换器输出结果，测量线性度好且无明显差异。圆形离散点所在曲线是A/D转换器的绝对误差，结果在正负0.0003 V间，满足14位A/D转换器精度。
3 结语
本文设计了配合逐次逼近型A/D转换器原理教学的实验方案，包括基础实验和进阶实验。文中讨论了逐次逼近型A/D的设计原理，在基础实验部分详细论述了采用10位串行D/A转换器TLC5615设计逐次逼近型A/D转换器的过程，设计原则力求简洁有效，突出重点。在进阶实验中提出更高的要求，让学生用低精度D/A转换器实现高精度A/D转换器的设计，训练学生灵活运用理论解决实际设计问题的能力。在该部分我们采用两路10位D/A转换器TLC5615设计逐次逼近型A/D转换器，精度达到14位。通过实验的方式，让学生带着设计需求学习理论，达到了学以致用的目的，实际教学效果好。并且在实验的过程中培养了学生的工程素养，提高学生的创新能力。
注释
① 张文义，张强，张镠钟，等.特定消谐变频调速实验装置的研究[J].实验室探究与探索，2011.30（6）：24-26.
② 王睿，于永江，杨罕，等.基于FPGA的双激光器同步控制的实现[J].光电子·激光，2010.21（2）：204-207.
③ 花汉兵.基于MSP430F449单片机的数据采集实验设计[J].实验室研究与探索，2007.26（5）：59-60，82.
④ 席德勋.现代电子技术[M].北京：高等教育出版社，1999.
⑤ 孙彤，李冬梅.逐次逼近A/D转换器综述[J].微电子学，2007.37（4）：523-531，547.