CN101068111A

CN101068111A - 一种模拟/数字转换电路及方法

Info

Publication number: CN101068111A
Application number: CN 200710098658
Authority: CN
Inventors: 范志军
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Vimicro Corp
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: CN101068111B

Abstract

本发明公开了一种模拟/数字转换电路，至少包括一个放大器、两个ADC和一个自动增益调节单元。本发明在输入信号处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围内的情况下不进行增益调节，而在输入信号处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围之外的情况下，利用增益系数对处于该动态范围之外的一个或者多个取值范围的输入信号进行增益调节，实现对模拟/数字转换的分段增益，从而提高了对模拟/数字转换进行增益调整的线性度，能够在信号动态范围较大的情况下，有效保证输出信号的高信噪比，即提高了模拟/数字转换保证高信噪比的动态范围，进而提高了模拟/数字转换的可靠性和精度。而且，本发明的实现成本也不高，易于推广。

Description

一种模拟/数字转换电路及方法

技术领域

本发明涉及模拟/数字转换技术，特别涉及一种模拟/数字转换电路和一种模拟/数字转换方法。

背景技术

模拟/数字转换器(ADC)用于将模拟信号转换为数字信号，其应用非常广泛。然而，在应用于某些技术领域时，ADC则存在着一定缺陷。

例如，在电能计量中，电流的动态范围非常大，可能会达到40A～40mA，即1000∶1，甚至达到50A～10mA，即5000∶1。这种情况下，普通ADC就很难在如此大的动态范围内保证较高的信噪比。图1为ADC的电流和信噪比的关系曲线示意图。如图1所示，如果电能计量电路需要ADC输出的电流信号的信噪比至少为60db，则在电流小于4A时，ADC就无法满足该要求。即在满足信噪比要求为60db的情况下，ADC的动态范围仅为40A～4A，而且随着信噪比要求的逐步升高，ADC对应的动态范围就会越来越小。

如果采用高精度ADC进行模拟/数字转换，取得的效果会好于普通ADC。但是，高精度ADC的成本非常高，且其能够保证高信噪比的动态范围也是有限的。

现有技术中，通常可以通过增益调节来提高ADC输出信号的信噪比。图2为现有实现动态范围增益调节的模拟/数字转换电路结构示意图。如图2所示，该电路包括：增益放大单元、ADC和乘法器。增益放大单元根据增益系数规定的放大倍数，对输入的模拟信号进行放大，并将放大后的模拟信号输出给ADC，ADC将接收到的模拟信号转换为数字信号并输出给乘法器，乘法器再将接收到的数字信号乘以增益系数后输出。

但是，如图2所示的增益调节方式采用单一的放大倍数，使得增益调节的线性度较差，因而只适用于信号动态范围较小的情况。

可见，现有ADC能够保证高信噪比的动态范围较小，即在信号动态范围较大的情况下，即便付出高成本的代价，也无法有效保证输出信号的高信噪比，使得模拟/数字转换的可靠性和精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个主要目的在于，提供一种模拟/数字转换电路，能够提高模拟/数字转换的可靠性和精度。

本发明的另一个主要目的在于，提供一种模拟/数字转换方法，能够提高模拟/数字转换的可靠性和精度。

根据上述的一个主要目的，本发明提供了一种模拟/数字转换电路，包括：主模拟/数字转换器ADC、放大器、从ADC和自动增益调节单元；

所述主ADC，用于接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号转换为数字信号，输出给所述自动增益调节单元；

所述放大器，用于接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号放大后输出给所述从ADC；

所述从ADC，用于将所述放大器输出的模拟信号转换为数字信号，并输出给所述自动增益调节单元；

所述自动增益调节单元，用于在所述主ADC输出的数字信号大于/大于等于预先设置的所述从ADC对应的调整区间上限时，输出该数字信号；在所述主ADC输出的数字信号处于所述从ADC对应的调整区间内时，则输出该数字信号同时调整预先设置的增益系数，使得从ADC输出的数字信号乘以该增益系数得到的结果与主ADC输出的数字信号大小相等；在所述主ADC输出的数字信号小于等于/小于所述从ADC对应的调整区间下限时，将从ADC输出的数字信号乘以所述增益系数，并将得到的结果输出。

所述自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、自动增益控制模块和选择器；

所述有效值分段判断模块，用于在主ADC输出的数字信号大于/大于等于所述从ADC对应的调整区间上限时，分别向所述自动增益控制模块和选择器输出表示不需要调节增益系数且主ADC的输出信号有效的分段判断结果；在主ADC输出的数字信号小于等于/小于所述从ADC对应的调整区间下限时，分别向所述自动增益控制模块和选择器输出表示不需要调节增益系数且从ADC的输出信号有效的分段判断结果；在主ADC输出的数字信号处于所述从ADC对应的调整区间内时，分别向所述自动增益控制模块和选择器输出表示需要调节增益系数且主ADC的输出信号有效的分段判断结果；

所述自动增益控制模块，用于在需要调节增益系数时，将从ADC输出的数字信号乘以所述增益系数，并在得到的乘积大于主ADC输出的数字信号时减小该增益系数，在得到的乘积小于主ADC输出的数字信号时增大该增益系数；在不需要调节增益系数且从ADC的输出信号有效时，将从ADC输出的数字信号乘以内部存储的增益系数，并将得到的乘积输出给选择器；

所述选择器，用于在主ADC的输出信号有效时，将主ADC输出的数字信号输出；在从ADC的输出信号有效时，将自动增益控制模块输出的数字信号输出。

所述增益系数在调整之前的初始值等于所述放大器的放大倍数的倒数。

所述从ADC对应的调整区间的上限为从ADC与预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围的上限值与所述放大器放大倍数的商；

所述从ADC对应的调整区间的下限为主ADC与所述预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围的下限值。

所述从ADC为m个，m为正整数；

所述自动增益调节单元，在所述主ADC输出的数字信号大于/大于等于所有从ADC对应的调整区间上限时，输出所述主ADC输出的数字信号；在所述主ADC输出的数字信号处于任意一个从ADC对应的工作区间内时，将该工作区间对应的从ADC输出的数字信号乘以对应的增益系数并输出，如果所述数字信号还处于另一个从ADC对应的调整区间，则同时调整该调整区间对应的所述另一个从ADC对应的增益系数，使所述另一个ADC输出的数字信号乘以该从ADC对应增益系数得到的结果，等于所述工作区间对应的从ADC输出的数字信号乘以其对应的增益系数得到的结果或等于主ADC输出的数字信号。

所述自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、选择器和m个自动增益控制模块；

所述有效值分段判断模块，在所述主ADC输出的数字信号大于/大于等于所有从ADC对应的调整区间上限时，分别向所有自动增益控制模块和选择器输出表示不需要调节增益系数且主ADC的输出信号有效的分段判断结果；在所述主ADC输出的数字信号处于任意一个从ADC对应的工作区间内且处于其他所有ADC对应的调整区间之外时，分别向所有自动增益控制模块和选择器，输出表示不需要调节增益系数且该工作区间对应的从ADC的输出信号有效的分段判断结果；在所述主ADC输出的数字信号处于任意一个从ADC对应的工作区间内且同时处于另一个从ADC对应的调整区间内时，分别向该调整区域对应的从ADC所对应的自动增益控制模块和选择器，输出表示需要调节增益系数且该工作区域对应的从ADC的输出信号有效的分段判断结果；

所述m个自动增益控制模块，在需要调节增益系数时，分别将对应的从ADC输出的数字信号乘以预先设置的增益系数，并在得到的乘积大于与其相连的另一个自动增益模块或者主ADC输出的数字信号时减小增益系数，在得到的乘积小于所述另一个自动增益模块或者主ADC输出的数字信号时增大增益系数；在不需要调节增益系数时，分别将对应的ADC输出的数字信号乘以内部存储的增益系数，并将得到的乘积输出给选择器；

所述选择器，接收所述有效值分段判断模块输出的分段判断结果；将与分段判断结果对应的数字信号输出。

所述放大器为m个，每个放大器分别对应一个从ADC，每个从ADC对应的增益系数在调整之前的初始值分别等于该从ADC对应的放大器的放大倍数的倒数。

所述m个从ADC，与预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围互不相同，且任意两个工作区间相邻的从ADC的所述动态范围存在交集。

所述m个从ADC对应的工作区间上限分别为：与该从ADC动态范围存在交集且上下限大于该从ADC动态范围上下限的另一个从ADC动态范围的下限值与其对应的放大器放大倍数的商；

所述m-个从ADC对应的工作区间下限分别为该从ADC与预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围下限值与其对应的放大器放大倍数的商；

所述m个从ADC对应的调整区间的上限分别为该从ADC与预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围的上限值与其对应的放大器放大倍数的商；

所述m个从ADC对应的调整区间的下限分别为与该从ADC动态范围存在交集且上下限大于该从ADC动态范围上下限的另一个从ADC动态范围的下限值与其对应的放大器放大倍数的商。

所述自动增益控制模块根据预先设置的调整步长增大或者减小增益系数。

根据上述的另一个主要目的，本发明提供了一种模拟/数字转换方法，包括：

接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号转换为主数字信号；

在所述主数字信号大于/大于等于预先设置的调整区间上限时，输出所述主数字信号；

在所述主数字信号处于所述调整区间内时，将接收到的所述模拟信号放大并转换为第一数字信号，同时调整预设增益系数，使得所述第一数字信号乘以该增益系数得到的结果与所述主数字信号大小相等；

在所述主数字信号处小于/小于等于所述调整区间下限时，将接收到的所述模拟信号放大并转换为第一数字信号，输出所述第一数字信号乘以该增益系数得到的结果。

所述调整区间为n个，进一步设置分别与每个调整区间对应的n个工作区间；

第j+1个调整区间包括在第j个调整区间对应的第j个工作区间内，所述第j+1个调整区间的取值范围与其对应的第j个工作区间的取值范围相邻，且其上限等于所述第j个工作区间的取值范围下限；其中，j为大于1小于n-1的正整数；

所述增益系数为n个，每个增益系数对应一个调整区间；

在所述数字信号大于/大于等于所述n个调整区间中取值范围上限最大的一个调整区间的上限时，输出所述主数字信号；

在所述主数字信号处于第j个工作区间且位于第j+1个调整区间之外时，将接收到的所述模拟信号放大并转换为数字信号j，输出数字信号j与增益系数j的乘积；

在所述主数字信号处于第j+1个调整区间内时，将接收到的所述模拟信号放大并转换为数字信号j，输出数字信号j与增益系数j的乘积，同时调整第j+1个调整区间对应的增益系数j+1，使得所述数字信号j+1乘以该增益系数j+1得到的结果与数字信号j与增益系数j的乘积大小相等；

在所述主数字信号处小于/小于等于所述n个调整区间中取值范围下限最小的一个调整区间的下限时，将接收到的所述模拟信号放大并转换为数字信号n，输出数字信号n与增益系数n的乘积。

所述增益系数在调整之前的初始值等于对应的放大倍数的倒数。

所述调整增益系数为：根据预先设置的调整步长增大或者减小增益系数。

由此可见，本发明在输入信号的大小处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围内的情况下不进行增益调节，而在输入信号的大小处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围之外的情况下，利用增益系数对处于该动态范围之外的一个或者多个取值范围的输入信号进行增益调节，实现对模拟/数字转换的分段增益，从而提高了对模拟/数字转换进行增益调整的线性度，能够在信号动态范围较大的情况下，有效保证输出信号的高信噪比，即提高了模拟/数字转换保证高信噪比的动态范围，进而提高了模拟/数字转换的可靠性和精度。

而且，本发明通过高信噪比动态范围较小且精度不高的普通ADC来提高模拟/数字转换高信噪比的动态范围，实现成本较低，使得本发明的技术方案易于推广。

附图说明

图1为ADC的电流和信噪比的关系曲线示意图。

图2为现有实现动态范围增益调节的模拟/数字转换电路结构示意图。

图3为本发明中分段增益方法的示意图。

图4a为现有增益调节中的增益系数示意图。

图4b为本发明中分段增益的增益系数示意图。

图5为本发明实施例中模拟/数字转换电路1的结构图。

图6为本发明实施例中基于模拟/数字转换电路1的分段示意图。

图7为本发明实施例中模拟/数字转换电路2的结构图。

图8为本发明实施例中基于模拟/数字转换电路2的分段示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的基本思想是：在输入信号的大小处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围内的情况下不进行增益调节，而在输入信号的大小处于ADC能够保证一定信噪比的动态范围之外的情况下，利用增益系数对处于该动态范围之外的一个或者多个取值范围的输入信号进行增益调节，实现对模拟/数字转换的分段增益。

图3为本发明中分段增益方法的示意图。如图3所示，设置n+1(n为大于等于0的整数)个分别表示输入信号有效值的不同取值范围，每两个相邻取值范围存在一个如阴影部分所示的交集。

对于取值范围1和取值范围n，只存在2个小区间，即阴影部分和除阴影部分之外的部分；对于取值范围j(j为正整数，且1≤j≤n-1)，则存在3个小区间，即两端的阴影部分和两端阴影部分之间的部分。

当输入信号有效值大小处于取值范围0内，且处于阴影部分所示的取值范围0与取值范围1的交集之外，则不进行增益调节，直接将该信号进行模拟数字转换并输出；当输入信号有效值大小处于阴影部分所示的取值范围0与取值范围1的交集之内，则直接将该信号进行模拟数字转换并输出，同时调整有效值大小处于取值范围1的电流信号对应的增益系数K1。

当输入信号有效值大小处于取值范围j内，且处于取值范围j-1与取值范围j的交集、取值范围j与取值范围j+1的交集之外，即取值范围j所对应的2个阴影部分之间，则将该信号放大预设倍数Mj，将放大后的信号进行模拟数字转换，并利用取值范围j对应的增益系数Kj对转换后的信号进行增益调节；当输入信号有效值大小处于阴影部分所示的取值范围j与取值范围j+1的交集之内，仍然将该信号放大预设倍数Mj，将放大后的信号进行模拟数字转换，并利用增益系数Kj对转换后的信号进行增益调节，同时调整有效值大小处于取值范围j+1的电流信号对应的增益系数K(j+1)，以保证增益调整的线性度。

当输入信号有效值大小处于取值范围n内，且处于阴影部分所示的取值范围n-1与取值范围n的交集之外，则将该信号放大预设倍数Mn，将放大后的信号进行模拟数字转换，并利用取值范围n对应的增益系数Kn对转换后的信号进行增益调节。

其中，对于有效值处于取值范围0的电流信号，可以利用一个满足特定信噪比的动态范围与取值范围0相等的ADC，来进行模拟数字转换，取值范围0即为该ADC对应的工作区间；

对有效值处于取值范围j的电流信号，在对其放大Mj倍之后，可以利用一个ADC进行模拟数字转换，较佳地，该ADC满足特定信噪比的动态范围下限等于取值范围j的下限与Mj的乘积，该ADC满足特定信噪比的动态范围上限等于取值范围j的上限与Mj的乘积，即取值范围j与取值范围j-1的交集为该ADC对应的调整区间，取值范围j除了与取值范围j-1的交集之外的部分为该ADC对应的工作区间。

取值范围1～取值范围n所分别对应的放大倍数M1～Mn，可以相同，也可以互不相同。

图4a为现有增益调节中的增益系数示意图。图4b为本发明中分段增益的增益系数示意图。如图4a和图4b所示，例如图2所示的现有增益调节过程中，不论输入信号有效值的取值范围有多大，均采用统一的增益系数进行增益调节，线性度较差。而如图4b所示，本发明中通过分段增益，并分别调整每一段的增益系数，使得在输入信号有效值的取值范围内对应多个不同取值的增益系数，使得增益调节的线性度较高。

这样，就实现了段数为n的分段增益调节，同时保证了增益调节的线性度，从而提高了模拟数字转换的精度和可靠性。

下面，结合具体实施例，对本发明中的模拟/数字转换电路进行详细说明。

图5为本发明实施例中模拟/数字转换电路1的结构图。如图5所示，以分段增益调节的段数为2段为例，本实施例中的模拟/数字转换电路1包括：ADC0、放大器1、ADC1和自动增益调节单元。

ADC0保证一定信噪比的动态范围大于ADC1保证该信噪比的动态范围，且二者的动态范围存在一个交集。

ADC0，接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号转换为数字信号D0，即输入信号的有效值，输出给自动增益调节单元。

放大器1，接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号放大M1倍后输出给ADC1。

ADC1，将放大器1输出的模拟信号转换为数字信号D1，并输出给自动增益调节单元。

自动增益调节单元，存储3个阈值区间，阈值区间1的上限为ADC0保证一定信噪比的动态范围上限、下限为ADC1保证相同信噪比的动态范围上限与M1的商，阈值区间2的上限为ADC1保证相同信噪比的动态范围上限与M1的商、下限为ADC0保证一定信噪比的动态范围下限，阈值区间3的上限为ADC0保证一定信噪比的动态范围下限、下限为ADC1保证相同信噪比的动态范围下限与M1的商；

其中，ADC0能够保证有效值大小处于阈值区间1和阈值区间2内的信号的特定信噪比，ADC1能够保证有效值大小处于阈值区间2和阈值区间3内的信号放大M1倍后的特定信噪比，阈值区间1和阈值区间2、阈值区间2和阈值区间3为本实施例中分段增益的2段。

自动增益调节单元在ADC0输出的数字信号D0处于ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1时，输入信号的有效值大小处于ADC0能够满足特定信噪比的动态范围之内，但由于此时输入信号放大M1倍后的大小已经超出了ADC1保证一定信噪比的动态范围，因此仅输出该数字信号D0，不调整预先设置的ADC1对应的增益系数K1；

在ADC0输出的数字信号D0处于ADC1对应的作为调整区间的阈值区间2时，输入信号的有效值大小处于ADC0能够满足特定信噪比的动态范围之内，且输入信号放大M1倍后的有效值大小也处于ADC0能够满足特定信噪比的动态范围之内，输出该数字信号D0，同时调整预先设置的ADC1对应的增益系数K1，使得ADC1输出的数字信号D1乘以该增益系数K1得到的结果D2与ADC0输出的数字信号D0大小相等；

在ADC0输出的数字信号D0处于ADC1对应的作为工作区间的阈值区间3时，由于此时输入信号大小已经超出了ADC0保证一定信噪比的动态范围，因此将ADC1输出的数字信号D1乘以增益系数K1，并将得到的结果D2输出，此时的增益系数可以为调整后的增益系数，也可以为预先设置的初始值。

具体来说，自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、自动增益控制模块和选择器。

有效值分段判断模块，存储上述3个阈值区间；将ADC0输出的数字信号D0与预先存储的3阈值区间进行比较，得到分段判断结果；当数字信号D0处于ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1时，即当前输入信号放大M1倍后的有效值大小处于ADC1能够保证一定信噪比的动态范围之外，分段判断结果为不需要调节ADC1对应的增益系数K1且ADC0的输出信号有效；当数字信号D0处于ADC0对应的作为工作区间和ADC1对应的作为调整区间的阈值区间2时，分段判断结果为需要调节增益系数K1且ADC0的输出信号有效；当数字信号D0处于ADC1对应的作为工作区间的阈值区间3时，分段判断结果为不需要调节增益系数K1且ADC1的输出信号有效；将分段判断结果输出给自动增益控制模块和选择器。

自动增益控制模块，在有效值分段判断模块输出的分段判断结果为需要调节增益系数K1且ADC0的输出信号有效时，将ADC1输出的数字信号D1乘以内部存储的增益系数得到数字信号D2，此时的增益系数K1可以为一个等于或约等于放大器1放大倍数倒数的初始值，也可以为上次增益调节过程中调整后的数值；将数字信号D2与ADC0输出的数字信号D0进行比较，如果数字信号D2大于数字信号D0则减小增益系数K1，如果数字信号D2小于数字信号D0则增大增益系数K1，如果数字信号D2等于数字信号D0则保持增益系数K1不变。

例如，如果放大器1的放大倍数M1为10，增益系数K1的初始值则为1/10，数字信号D2＝D1×(1/10)，如果D2大于D0，则根据预先设置的调整步长，如0.01，将当前增益系数减小为0.99，调整之后，数字信号D2＝D1×0.99，如果D2仍然大于D0，则继续减小增益系数K1，如果增大后的增益系数K1使得D2＝D0，则保持此时的增益系数K1不变；如果数字信号D2＝D1×(1/10)，小于D0，则根据预先设置的调整步长，增大当前增益系数K1，然后继续比较。

自动增益控制模块，在有效值分段判断模块输出的分段判断结果为不需要调节增益系数K1且ADC1的输出信号有效时，将ADC1输出的数字信号D1乘以内部存储的增益系数K1得到数字信号D2，并输出给选择器，此时的增益系数K1一般为调整后的数值，只有在分段判断结果一直表示为不需要调节增益系数的情况下，即输入信号有效值大小一直处于ADC0对应的作为工作区间的取值范围1内，则增益系数K1才可能为预先设置的初始值，即等于或约等于放大器1放大倍数M1的倒数。

选择器，在有效值分段判断模块输出的分段判断结果表示ADC0的输出信号有效时，将ADC0输出的数字信号D0输出；在有效值分段判断模块输出的分段判断结果表示ADC1的输出信号有效时，将自动增益控制模块输出的数字信号D2输出。

上述电路中，ADC0和ADC1可以为动态范围较小的成本较低的普通ADC，实际应用中，可以根据需要保证的输出信号信噪比和ADC的实际性能来确定阈值范围。

图6为本发明实施例中基于模拟/数字转换电路1的分段示意图。如图6所示，按输入信号有效值大小，将D0的大小分为3个阈值区间。

以满足特定信噪比的动态范围为10A～100mA的2个ADC分别作为ADC0和ADC1、放大器1的放大倍数M1为10、输入信号为有效值范围为10A～10mA的电流信号为例，则10A～1A为阈值区间1、1A～100mA为阈值区间2、100mA～10mA为阈值区间3。此时，ADC0对有效值大小处于阈值区间1和阈值区间2内的输入信号能满足特定信噪比；ADC1对有效值大小处于阈值区间2和阈值区间3内的输入信号放大10倍后能满足特定信噪比。

有效值分段判断模块判断D0的大小，当输入信号的有效值大小为10A～1A时，例如9A，D0处于ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1，对10A～1A的电流信号ADC0能满足特定信噪比，对10A～1A放大10倍之后的电流信号，例如90A，ADC1不能满足特定信噪比，自动增益模块不工作，选择器选择ADC0输出的结果D0，不考虑ADC1输出的D2及其相关处理；

当输入信号的有效值大小为1A～100mA时，例如800mA，D0处于ADC1对应的作为调整区间的阈值区间2，对1A～100mA的电流信号ADC0能满足特定信噪比，对1A～100mA放大10倍之后的电流信号，例如8A，ADC1能满足特定信噪比，自动增益模块调节增益系数K1，使得D2的取值趋近D0，选择器仍然选择ADC0输出的结果D0；

当输入信号的有效值大小为100mA～10mA时，例如95mA，D0处于ADC1对应的作为工作区间的阈值区间3，对100mA～10mA的电流信号ADC0不能满足特定信噪比，对100mA～10mA放大10倍之后的电流信号，例如950mA，ADC1能满足特定信噪比，自动增益模块停止调整增益系数，选择器选择ADC1输出的结果D2，此时有效值分段判断模块仍然对ADC0输出的结果D0进行判断，以确定当前输入信号的有效值大小处于哪个阈值区间内。

可见，只需要2个能够保证输出信号特定信噪比的动态范围为10A～100mA的ADC，即2个动态范围为100∶1的普通ADC分别作为如图5所示的ADC0和ADC1，并通过放大器1将输入信号放大10倍，即可实现能够保证输出信号特定信噪比的动态范围为1000∶1的模拟/数字转换。

本实施例的模拟/数字转换电路1中，输入信号经过两条路径分别进行模拟/数字转换和带有增益调节的模拟/数字转换，可以将包括ADC0的路径看作是主通道，而将包括放大器1和ADC1的路径看作是增益通道；模拟/数字转换电路1通过一个主通道和一个增益通道实现了段数为2的分段增益调节。如果需要实现段数为n+1的分段增益调节，则需要n个增益通道，n为正整数。

图7为本发明实施例中模拟/数字转换电路2的结构图。如图7所示，以分段增益调节的段数为n+1段为例，本实施例中的模拟/数字转换电路2包括：ADC0、放大器1～放大器n、ADC1～ADCn和自动增益调节单元。

本实施例的模拟/数字转换电路2中，输入信号经过n+1条路径分别进行模拟/数字转换和带有增益调节的模拟/数字转换，可以将包括ADC0的路径看作是主通道，而将包括放大器i和ADCi的路径看作是第i个增益通道，n个放大器的放大倍数可以相同。

ADC0保证一定信噪比的动态范围大于ADCi保证该信噪比的动态范围，且每两个ADC的动态范围存在一个交集。

放大器i(i＝1～n)，接收输入的模拟信号，并将接收到的模拟信号放大Mi倍后输出给ADCi。

ADCi，将放大器i输出的模拟信号转换为数字信号Di，并输出给自动增益调节单元。

自动增益调节单元，存储2n+1个阈值区间，阈值范围1最大，阈值范围2～阈值范围2n+1依次减小，即一个阈值范围序列。以n＝2、共3个ADC为例，阈值区间1的上限为ADC0保证一定信噪比的动态范围上限、下限为ADC1保证相同信噪比的动态范围上限与M1的商，阈值区间2的上限为ADC1保证相同信噪比的动态范围上限与M1的商、下限为ADC0保证一定信噪比的动态范围下限，阈值区间3的上限为ADC0保证一定信噪比的动态范围下限、下限为ADC2保证相同信噪比的动态范围上限与M2的商，阈值区间4的上限为ADC2保证相同信噪比的动态范围上限与M2的商、上限为ADC1保证相同信噪比的动态范围下限与M1的商，阈值区间5为ADC1保证相同信噪比的动态范围下限与M1的商、下限为ADC2保证相同信噪比的动态范围上限与M2的商。

其中，ADC0能够保证有效值大小处于阈值区间1和阈值区间2内的信号的特定信噪比，ADC1能够保证有效值大小处于阈值区间2～阈值区间4内的信号放大M1倍后的特定信噪比，ADC2能够保证有效值大小处于阈值区间4和阈值区间5内的信号的特定信噪比，阈值区间1和阈值区间2、阈值区间2～阈值区间4、阈值区间4和阈值区间5为分段增益的2段。

对于ADC0来说，阈值区间1和阈值区间2均对应其工作区间；对于ADC1来说，阈值区间2对应其调整区间，阈值区间3和阈值区间4对应其工作区间；对于ADC2来说，阈值区间4对应其调整区间，阈值区间5对应其工作区间。也就是说，ADC0对应2个工作区间，ADCn对应1个调整区间和1个工作区间，ADC1～ADCn-1分别对应1个调整区间和2个工作区间。

自动增益调节单元还存储预先设置的n个增益系数，增益系数Ki与ADCi相对应；其中，增益系数K1～Kn的初始值等于或约等于放大器1～放大器n的放大倍数Mi的倒数。

自动增益调节单元在ADC0输出的数字信号D0，处于预先存储的ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1时，输出该数字信号D0；在ADC0输出的数字信号D0，处于预先存储的ADCi-1对应的作为工作区间的阈值区间内时，将ADCi-1输出的D(i-1)1乘以增益系数K(i-1)得到的D(i-1)2输出，如果该阈值区间还作为ADCi对应的调整区间，则同时调整预先存储的增益系数Ki，使得ADCi输出的数字信号Di1乘以增益系数Ki所得到的结果Di2与ADCi-1输出的数字信号D(i-1)2大小相等。

这样，就实现了在输入信号处于两个ADC动态范围交集时，对多段增益系数的的逐级调整，保证了模拟/数字转换的精度。

具体来说，自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、自动增益控制模块1～自动增益控制模块n、选择器。

有效值分段判断模块，存储上述2n+1个阈值区间；将ADC0输出的数字信号D0与预先存储的2n+1个阈值区间进行比较，得到分段判断结果；当数字信号D0处于预先存储的ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1时，分段判断结果为不需要调节增益系数K1且ADC0的输出信号有效；当数字信号D0处于预先存储的ADCi-1对应的作为工作区间的阈值区间内时，分段判断结果为不需要调节增益系数Ki且ADCi-1的输出信号有效；当数字信号D0处于预先存储的ADCi-1对应的作为工作区间的阈值区间内时，且该阈值区间还作为ADCi对应的调整区间，分段判断结果为需要调节增益系数Ki且ADCi-1的输出信号有效；将分段判断结果输出给自动增益控制模块和选择器。

自动增益控制模块i，存储与ADCi对应的增益系数i；在有效值分段判断模块输出的分段判断结果为不需要调节增益系数K(i+1)且ADCi的输出信号有效时，将ADCi输出的数字信号Di1乘以内部存储的增益系数i得到数字信号Di2，并输出给选择器和自动增益控制模块i+1(i＝1～n-1的情况)或者仅输出给选择器(i＝n的情况)，此时的增益系数Ki可以为一个等于或约等于放大器i放大倍数Mi倒数的初始值，也可以为上次增益调节过程中调整后的数值；在有效值分段判断模块输出的分段判断结果为需要调节增益系数Ki且ADCi-1的输出信号有效时，将ADCi输出的数字信号Di1乘以内部存储的增益系数Ki得到数字信号Di2，此时的增益系数Ki一般为调整后的数值，只有在分段判断结果一直表示不需要调节增益系数的情况下，即输入信号一直大于阈值范围1的上限，则增益系数Ki才可能为等于或约等于放大器i放大倍数Mi倒数的初始值；将数字信号Di2与自动增益控制模块i-1输出的D(i-1)2进行比较，如果数字信号Di2大于数字信号D(i-1)2则减小增益系数Ki，如果数字信号Di2小于数字信号D(i-1)2则增大增益系数Ki，如果数字信号Di2等于数字信号D(i-1)2则保持增益系数Ki不变。

其中，增益系数Ki的调整过程与本发明实施例中的模拟/数字转换电路1调整增益系数的过程相同。

选择器，在有效值分段判断模块输出的分段判断结果表示ADC0的输出信号有效时，将ADC0输出的数字信号D0输出；在有效值分段判断模块输出的分段判断结果表示ADCi的输出信号有效时，将自动增益控制模块i输出的数字信号Di2输出。

上述电路中，ADC0～ADCn可以为动态范围较小的成本较低的普通ADC。实际应用中，可以根据需要保证的输出信号信噪比和ADC的实际性能来确定阈值范围1～阈值范围n、以及放大倍数Mi。

如果所有的放大倍数M1～Mn相同，则可以利用一个放大器同时与ADC1～ADCn相连，替换如图7所示的模拟/数字转换电路2中的放大器1～放大器n。

图8为本发明实施例中基于模拟/数字转换电路2的分段示意图。如图8所示，以满足特定信噪比的动态范围为1000A～1A的ADC作为ADC0、满足特定信噪比的动态范围为100A～100mA的ADC作为ADC1、满足特定信噪比的动态范围为1A～1mA的ADC作为ADC2、满足特定信噪比的动态范围为10mA～0.01mA的ADC作为ADC3、放大器1～放大器3的放大倍数M1～M3均为100、输入信号为有效值范围为1000A～0.001mA的电流信号为例，按输入信号有效值大小分为7个阈值区间。

1000A～10A为阈值区间1、10A～1A为阈值区间2、1A～100mA为阈值区间3、100mA～10mA为阈值区间4、10mA～1mA为阈值区间5、1mA～0.1mA为阈值区间6、0.1mA～0.001mA为阈值区间7。此时，ADC0对有效值大小处于阈值区间1和阈值区间2内的输入信号能满足特定信噪比；ADC1对有效值大小处于阈值区间2～阈值区间4内的输入信号放大10倍后能满足特定信噪比；ADC2对有效值大小处于阈值区间4～阈值区间6内的输入信号放大10倍后能满足特定信噪比；ADC3对有效值大小处于阈值区间6和阈值区间7内的输入信号放大10倍后能满足特定信噪比。

阈值区间1和阈值区间2为ADC0对应的一段取值范围，阈值区间2、阈值区间3和阈值区间4为ADC1对应的一段取值范围，阈值区间4、阈值区间5和阈值区间6为ADC2对应的一段取值范围，阈值区间6和阈值区间7为ADC3对应的一段取值范围，阈值区间2、阈值区间4、阈值区间6分别为相邻两段取值范围的交集，即分别等于ADC1、ADC2、ADC3所对应的调整区间。

有效值分段判断模块判断D0的大小，以确定当前输入信号的有效值大小处于哪个区间内。

当输入信号的有效值大小为1000A～10A时，例如11A，D0处于ADC0对应的作为工作区间的阈值区间1，对1000A～10A的电流信号ADC0能满足特定信噪比，而对1000A～10A放大10倍之后的电流信号，例如110A，ADC1～ADC3均不能满足特定信噪比，所有自动增益模块均不工作，选择器选择ADC0输出的结果D0，不考虑ADC1～ADC3输出的D12～D32及其相关处理；

当输入信号的有效值大小为10A～1A时，例如9A，D0处于阈值区间2，对10A～1A的电流信号ADC0能满足特定信噪比，对10A～1A放大10倍后的电流信号，例如90A，ADC1能满足特定信噪比，而ADC2和ADC3则均不能满足特定信噪比，自动增益模块1调节增益系数K1，使得D12的取值趋近D0，选择器仍然选择ADC0输出的结果D0；

当输入信号的有效值大小为1A～100mA时，例如990mA，D0处于阈值区间3，对1A～100mA的电流信号ADC0不能满足特定信噪比，对1A～100mA放大10倍后的电流信号，例如9.9A，ADC1能满足特定信噪比，而ADC2和ADC3则均不能满足特定信噪比，自动增益模块1停止调整增益系数1，将D11乘以增益系数1的结果D12输出，选择器选择自动增益模块1的输出结果D12；

当输入信号的有效值大小为100mA～10mA时，例如50mA，D0处于阈值区间4，对100mA～10mA的输入信号，ADC0不能满足特定信噪比，对100mA～10mA放大10倍后的输入信号，例如500mA，ADC1和ADC2均能够满足特定信噪比，而ADC3无法满足，自动增益模块2调节增益系数K2，使得D22的取值趋近D12，选择器仍然选择自动增益模块1输出的结果D12；

当输入信号的有效值大小为10mA～1mA时，例如7mA，D0处于阈值区间5，对10mA～1mA的输入信号，ADC0无法满足特定信噪比，对10mA～1mA放大10倍后的电流信号，例如70mA，ADC2能够满足特定信噪比，而ADC1和ADC3均无法满足，自动增益模块2停止调整增益系数K2，将D21乘以增益系数K2的结果D22输出，选择器选择自动增益模块2的输出结果D22；

当输入信号的有效值大小为1mA～0.1mA时，例如0.2mA，D0处于阈值区间6，对1mA～0.1mA的输入信号，ADC0不能满足特定信噪比，对1mA～0.1mA放大10倍后的输入信号，例如2mA，ADC2和ADC3均能够满足特定信噪比，而ADC1无法满足，自动增益模块3调节增益系数K3，使得D32的取值趋近D32，选择器仍然选择自动增益模块2输出的结果D22；

当输入信号的有效值大小为0.1mA～0.001mA时，例如0.05mA，D0处于阈值区间7，对0.1mA～0.01mA的输入信号，ADC0无法满足特定信噪比，对0.1mA～0.01mA放大10倍后的电流信号，例如0.5mA，ADC3能够满足特定信噪比，而ADC1和ADC2均无法满足，自动增益模块3停止调整增益系数K3，将D31乘以增益系数K3的结果D32输出，选择器选择自动增益模块3的输出结果D32。

可见，只需要4个能够保证输出信号特定信噪比的动态范围分别为1000A～1A、100A～100mA、1A～1mA和10mA～0.001mA的ADC，即4个动态范围1000∶1的普通ADC分别作为如图7所示的ADC0、ADC1、ADC2、ADC3，并分别通过放大器1～放大器3将输入信号放大10倍，即可实现能够保证输出信号特定信噪比的动态范围为10⁶∶1的模拟/数字转换。

本实施例的模拟/数字转换电路2通过1个主通道和n个增益通道实现了段数为n+1的分段增益调节。

本实施例中的两个模拟/数字转换电路均能够实现模拟/数字转换的分段增益，在信号动态范围较大的情况下，能够有效保证输出信号的高信噪比，使得模拟/数字转换具有较高的可靠性和精度。但二者相比，模拟/数字转换电路1的实现成本更低，模拟/数字转换电路2能够保证一定输出信号信噪比的动态范围更大，且分段增益的线性度更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种模拟/数字转换电路，其特征在于，包括：主模拟/数字转换器ADC、放大器、从ADC和自动增益调节单元；

2、如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、自动增益控制模块和选择器；

3、如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述增益系数在调整之前的初始值等于所述放大器的放大倍数的倒数。

4、如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，

5、如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述从ADC为m个，m为正整数；

6、如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述自动增益调节单元包括：有效值分段判断模块、选择器和m个自动增益控制模块；

7、如权利要求5或6所述的电路，其特征在于，所述放大器为m个，每个放大器分别对应一个从ADC，每个从ADC对应的增益系数在调整之前的初始值分别等于该从ADC对应的放大器的放大倍数的倒数。

8、如权利要求5或6所述的电路，其特征在于，所述m个从ADC，与预先设定的输出信号信噪比所对应的动态范围互不相同，且任意两个工作区间相邻的从ADC的所述动态范围存在交集。

9、如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述m个从ADC对应的工作区间上限分别为：与该从ADC动态范围存在交集且上下限大于该从ADC动态范围上下限的另一个从ADC动态范围的下限值与其对应的放大器放大倍数的商；

10、如权利要求2或5所述的电路，其特征在于，所述自动增益控制模块根据预先设置的调整步长增大或者减小增益系数。

11、一种模拟/数字转换方法，其特征在于，包括：

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述增益系数为n个，每个增益系数对应一个调整区间；

13、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述增益系数在调整之前的初始值等于对应的放大倍数的倒数。

14、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述调整增益系数为：根据预先设置的调整步长增大或者减小增益系数。