CN101399549A - 具有数字模拟转换电路的电子装置及其数字模拟转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字模拟转换电路，利用电阻并联后可改变其总电阻值的特性，利用切换开关控制电阻并联的数目而改变电阻值，电阻值一改变，在电阻上的分压也随之改变，进而得出数字信号相对应的模拟电压值。

Description

具有数字模拟转换电路的电子装置及其数字模拟转换电路

技术领域

本发明涉及一种数字模拟转换电路，特别是涉及一种切换电阻式数字模拟转换电路。

背景技术

传统的电阻型数字模拟转换器，使用电阻串的结构进行分压，或使用R/2R结构进行分压，再通过开关控制取出其分压，其缺点为电阻与开关的数目过多，造成开关控制的复杂度提高，且消耗功率较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种切换电阻结构的数字模拟转换电路，利用电阻并联后其电阻值的改变特性，加上利用切换开关控制并联电阻数目而改变电压，进而取出相对应的模拟电压。

为了实现上述目的，本发明提供了一种数字模拟转换电路，包含两分压选择单元，各分压选择单元包含一个以上的串行单元，各串行单元包含有一电阻与一开关相互串接。其中此两分压选择单元为一对称式结构并相互连接，且连接处包含一模拟信号输出端，此两分压选择单元的串行单元分别相互对应，相对应串行单元的开关同时受控于一数字输入信号而具有互补式动作，相对应串行单元的电阻具有实质上相同的阻值。

其中各分压选择单元的各串行单元的数量与数字输入信号的位数之间具有一特定关系，各串行单元的数量随数字输入信号的位数增加而增加，增加的串行单元以并联连接。此特定关系为2n，n为数字输入信号的位数且为一正整数。各分压选择单元包含数个串行单元，这些串行单元的电阻阻值相同。

本发明的另一实施例中，一种权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路，其中特定关系为n，n为数字输入信号的位数且为一正整数。其中各分压选择单元包含数个串行单元，各分压选择单元的这些串行单元的电阻阻值为一等比数列。

本发明的又一实施例中，一种另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路包含一个以上的串行单元，每一串行单元包含一第一开关，其一端接至一第一参考电压源，一第二开关，其一端接至一第二参考电压源，另一端连接第一开关的另一端，以及一电阻，其一端接至一模拟信号输出端，另一端与该两开关相连接的一端相互连接。各串行单元的第一开关与第二开关同时受控于一数字输入信号而具有互补式动作。这些串行单元的电阻阻值为一等比数列。

其中串行单元的数量与数字输入信号的位数之间具有一特定关系，且串行单元的数量随数字输入信号的位数增加而增加，增加的串行单元以并联连接。此特定关系为n，n为数字输入信号的位数且为一正整数。

本发明的再一实施例中，一种数字模拟转换器，包含一第一阶数字模拟转换单元以及一第二阶数字模拟转换单元。其中第一阶数字模拟转换单元包含一第一数字模拟转换电路，接收输入信号(n位)的较大位码(MSB)信号(m位，m≦n)，产生一第一阶输出低电压参考信号，一进位控制器，用以将较大位码(MSB)信号值加一，以及一第二数字模拟转换电路，连接于进位控制器，并接收进位控制器的输出信号，产生一第一阶输出高电压参考信号。第二阶数字模拟转换单元，连接于第一阶数字模拟转换单元，包含一第三数字模拟转换电路，接收输入信号的较小位码(LSB)信号(n-m位)，以及第一阶输出低电压参考信号与第一阶输出高电压参考信号，产生一输出信号。

本发明的又一实施例中，提出一种具有数字模拟转换电路的电子装置。

由上述本发明数个实施例可知，本发明所提出的数字模拟转换电路及其电子装置以及数字模拟转换器具有构造简单的特点，应付不同位数的电路需求时，只要增加相对应的电阻及开关即可，而且在电阻及开关的数量可大幅减少，进而使消耗功率及电路面积降低。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为依照本发明一实施例的一种温度计码式切换电阻结构的电路图；

图2为一种权重式切换电阻结构的电路图；

图3为依照本发明的另一实施例的一种权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路的电路图；

图4为依照本发明又一实施例的一种另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路的电路图；

图5为一种二阶式数字模拟转换器的结构图；

图6为依照图5中的第一阶数字模拟转换单元的结构图；

图7为依照图6中的进位控制器的电路图；

图8为依照图7中的单元电路的结构图；

图9为依照图5中的第二阶数字模拟转换单元的结构图；

图10为具有数字模拟转换电路的电子装置的示意图。

其中，附图标记：

100：数字模拟转换电路             101：第一分压选择单元

102：第二分压选择单元             103：模拟信号输出端

110：第一串行单元                 111：第一电阻

112：第一开关                     120：第二串行单元

121：第二电阻                     122：第二开关

200：权重式切换电阻结构           201：第一串行单元

202：第二串行单元                 203：第三串行单元

210：第一电阻                     211：第一开关

220：第二电阻                     221：第二开关

230：第三电阻                     231：第三开关

300：数字模拟转换电路             301：权重式分压选择单元

302：权重式分压选择单元           303：模拟信号输出端

310：第一串行单元                 311：第一电阻

312：第一开关                     320：第二串行单元

321：第二电阻                     322：第二开关

400：数字模拟转换电路             410：串行单元

411：电阻                         412：第一开关

413：第二开关                     401：第一参考电压源

402：第二参考电压源               450：电阻

510：数字模拟转换单元            500：数字模拟转换器

530：缓冲装置                    520：数字模拟转换单元

612：第一数字模拟转换电路         611：进位控制器

621：第三数字模拟转换电路        613：第二数字模拟转换电路

615：第一阶输出低电压参考信号    614：较大位码信号

6111：单元电路                   616：第一阶输出高电压参考信号

6113：互斥或门                   6112：非门

6115：信号输出端                 6114：信号输入端

8102：与门                       8101：互斥或门

623：输出信号                    622：较小位码信号

具体实施方式

请参考图1，为本发明实施例提出的一种温度计码式切换电阻结构的数字模拟转换电路100，包含有一第一分压选择单元101以及一第二分压选择单元102。第一分压选择单元101与第二分压选择单元102两者相互串接，在此连接处有一模拟信号输出端103。

第一分压选择单元101具有数个第一串行单元110，每一串行单元包含有一第一电阻111与一第一开关112，两者相互串接。第二分压选择单元102，具有数个第二串行单元120，每一串行单元包含有一第二电阻121与一第二开关122，两者相互串接。其中第一开关112与第二开关122为互补式动作，第一电阻111与第二电阻121具有实质上相同的阻值。每一分压选择单元的串行单元数量与所对应数字输入信号的位数存在一特定关系，而且第一分压选择单元101与第二分压选择单元102为一对称式结构，也就是两者的串行单元数量需相同。

在本实施例中，每一分压选择单元101，102的串行单元110，120，随着数字输入信号的位数增加，以并联连接方式跟着增加，其数量与所对应位数的关系为2ⁿ，其中n代表数字输入信号的位数且为一正整数。例如：一3位的数字模拟转换电路，每一分压选择单元则各需有8(2³)个串行单元，加上此数字模拟转换电路为上下对称的结构，所以此数字模拟转换电路共有16个串行单元110，120。

在本实施例中，先将n位的数字输入信号转换为2ⁿ位的温度计码信号，例如：001→00000001，010→00000011，011→00000111…，再由温度计码信号控制各该串行单元中的开关导通或断路，每一位的温度计码信号对应控制一开关，当温度计码信号为1时，表示开关导通，0时表示开关断路，借助控制开关112，122的导通或断路，进而控制电阻并联的情况，来产生新电阻值。

因此，可以利用数字信号的增加，来达到上述电阻值规则性变化的目的，产生一连续性的物理量输出。本实施例通过P型通道金属氧化半导体晶体管(PMOS)来实现第一开关112，通过N型通道金属氧化半导体晶体管(NMOS)来实现第二开关122。

请参考图2，为一种权重式切换电阻结构，依据不同分母的电阻值并联后，新分母为旧分母的总合的概念(例如： $\frac{R}{2}//\frac{R}{3}=\frac{R}{5}$ )。以此概念，本发明实施例提出一种权重式切换电阻结构200，在本实施例中，一3位(bit)的权重式切换电阻结构200，包含有一第一串行单元201、一第二串行单元202以及一第三串行单元203。

其中该第一串行单元201包含一第一电阻210以及第一开关211，其由数字输入信号的字节的最小位(Bit)所控制，其中字节包含数个字元，本实施例中，以3个位为一组说明。该第二串行单元202包含一第二电阻220以及第二开关221，其由该字节的次位所控制。该第三串行单元203包含一第三电阻230以及第三开关231，其由该字节的最大位所控制。

在本实施例中，该第一电阻210的电阻值为R，则该第二电阻220的电阻值为R/2，该第三电阻230的电阻值为R/4。因此随着数字输入信号的位数增加，这些电阻的电阻值为一等比数列，其公比为1/2，使其从最小位至最大位的电阻值呈现一权重式变化。

在本实施例中，以此三基本电阻值，加上开关的控制，将可组合出七组不同的电阻值。例如：当开关的信号为001时，则表示只有第一开关211导通，第二开关221与第三开关231断路，因此其阻值为R，以此类推， $010\→\frac{R}{2},$ $011\→\frac{R}{2}//R=\frac{R}{3},$ $100\→\frac{R}{4},$ $101\→\frac{R}{4}//R=\frac{R}{5},$ $110\→\frac{R}{4}//\frac{R}{2}=\frac{R}{6},$ $111\→\frac{R}{4}//\frac{R}{2}//R=\frac{R}{7}.$

请进一步参考图3，为本发明的另一实施例的一种权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路300，采用两组相同的权重式切换电阻结构200，其中一组串接配置于另一组的上方，相对应的数字输入位信号，控制相对应的电阻开关。

一种权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路300包含有一第一权重式分压选择单元301以及一第二权重式分压选择单元302。该第一权重式分压选择单元301与该第二权重式分压选择单元302两者相互串接，此连接处为一模拟信号输出端303。其中该第一权重式分压选择单元301具有数个第一串行单元310，每一串行单元包含有一第一电阻311与一第一开关312相互串接。该第二权重式分压选择单元302，具有数个第二串行单元320，每一串行单元包含有一第二电阻321与一第二开关322相互串接。

该第一开关312与该第二开关322为互补式动作，该第一电阻311与该第二电阻321具有实质上相同的阻值。每一权重式分压选择单元的串行单元数量，与所对应数字输入信号的位数存在一特定关系，而且该第一权重式分压选择单元301与该第二权重式分压选择单元302为一对称式结构，也就是两者的串行单元数量需相同。

在本实施例中，每一权重式分压选择单元301，302的串行单元310，320，随着数字输入信号的位数增加，以并联连接方式跟着增加，其数量对应于其位数n，n为一正整数。例如：一3位的数字模拟转换电路，每一权重式分压选择单元则各需有3个串行单元，加上此数字模拟转换电路为对称式结构，因此，此数字模拟转换电路共有6个串行单元。而这些电阻的电阻值从数字输入信号的最小位至最大位的电阻值为一等比数列，其公比为1/2，呈现一权重式变化。此种权重式结构其串行单元的数量与其数字输入信号的位数相同，因此和相同位数的温度计码式切换电阻结构100相比，电阻与开关的数量可大幅减少。

利用数字输入信号控制这些串行单元中的开关导通或断路，当数字信号为1时，表示开关导通，0时表示开关断路，每一位的数字输入信号对应控制一开关，借助控制开关的导通或断路，进而控制电阻并联以产生新电阻值，因此，可以利用数字信号的增加来达到上述电阻值规则性变化的目的，产生一连续性的物理量输出。在本实施例中，可通过P型通道金属氧化半导体晶体管(PMOS)来实现第一开关312，可通过N型通道金属氧化半导体晶体管(NMOS)来实现第二开关322，所以当下方导通时，上方的开关为断路，上下两端刚好形成对称阻值的电阻结构，因此输出为一对应数字信号的模拟电压。

由于图3中当数字信号输入时，权重式分压选择单元的导通支路的电阻进行并联，而断路支路的电阻则无用处，同一权重的电阻(第一权重式分压选择单元310的第一电阻311和第二权重式分压选择单元320的第二电阻321为同一权重，以此类推，下一位上方的R/2和下方的R/2为同一权重)同时只会有一开关导通，另一开关则断路，也就是第一开关312和第二开关322为互补式动作。

请参考图4，为本发明的又一实施例。一种另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路400包含有数个串行单元410，其中每一串行单元包含有一电阻411、一第一开关412以及一第二开关413。该第一开关412的一端接至一第一参考电压源401，该第二开关413的一端接至一第二参考电压源402，两者的另一端相互连接至该电阻411。在本实施例中，第一开关412可为一P型通道金属氧化半导体晶体管(PMOS)，接至第一参考电压源401，如操作电压(V_dd)；第二开关413可为一N型通道金属氧化半导体晶体管(NMOS)，接至第二参考电压源402，如地端或参考电压(V_ss)。

随着数字输入信号的位数增加，每一串行单元410以并联方式连接增加，其数量对应于数字输入信号的位数n，n为一正整数，而其电阻值呈现一权重式变化。当数字输入信号输入时，每一串行单元的电阻不是导通至地端或参考电压(V_ss)，就是导通至操作电压(V_dd)，不会有无用的电阻出现。

请参考图5，为一种二阶式数字模拟转换器500包含有一第一阶数字模拟转换单元510以及一第二阶数字模拟转换单元520，两者通过一缓冲装置530相互连接。请同时参考图6与图9，该第一阶数字模拟转换单元510包含有一进位控制器611、一第一数字模拟转换电路612以及一第二数字模拟转换电路613。该第二阶数字模拟转换单元520包含有一第三数字模拟转换电路621。

在本实施例中，第一阶数字模拟转换单元510会产生两参考电压信号，此两参考电压信号为相邻一最小电压输出间隔的电压值，此两参考电压信号分别经由缓冲装置530中的两缓冲器，输出给第二阶数字模拟转换单元520，第二阶数字模拟转换单元520承接上一级的两电压作为参考电压，将此二电压再细分为更精细的电压，依所输入的数字信号选择电压输出。

请进一步参考图6，第一数字模拟转换电路612，用以接收输入信号(n位)的较大位码(MSB)信号(m位，m≦n)614，用以控制内部所对应位的开关，进而产生一第一阶输出低电压参考信号615。该进位控制器611接收该较大位码信号614，将其信号值加一，输出给该第二数字模拟转换电路613，作为其输入信号，用以控制内部所对应位的开关，进而产生一第一阶输出高电压参考信号616。在本实施例中，该较大位码信号614为一数字信号，该第一阶输出低电压参考信号615与该第一阶输出高电压参考信号616为模拟电压信号。

请进一步参考图7，进位控制器611用以将所输入的数字信号值加一后输出，并包含有一信号输入端6114、一信号输出端6115、数个单元电路6111、一非门6112以及一互斥或门6113。其中该信号输入端6114与该较大位码(MSB)信号614连接，包含有m个位数且与该较大位码(MSB)信号614的位数相对应；该信号输出端6115具有m+1个位数；这些单元电路6111的数量与该信号输入端6114的位数具有一特定关系，其中该特定关系为m-1，m为该信号输入端6114的位数且为一正整数。

在本实施例中，该进位控制器611将较大位码信号614的值加一，作为该第二数字模拟转换电路613的输入信号，使其产生一第一阶输出高电压参考信号616，让该第一阶输出低电压参考信号615与该第一阶输出高电压参考信号616，产生相邻一最小电压输出间格的电压值。第一阶数字模拟转换单元510的两数字模拟转换电路所输出的两参考信号为模拟电压值，且为相邻一最小电压输出间隔的电压值，以作为下一阶(第二阶数字模拟转换单元520)的参考电压。

请进一步参考图8，单元电路6111包含有数个互斥或门8101以及一与门8102。请进一步参考图9，第二阶数字模拟转换单元520，接收输入信号的较小位码(LSB)信号(n-m位)622，用以控制内部所对应位的开关，并接收上一阶的两参考信号(第一阶输出低电压参考信号615与第一阶输出高电压参考信号616)，进而产生一输出信号623。在本实施例中，较小位码信号622为一数字信号，用以控制第三数字模拟转换电路621内所对应位的开关，第一阶输出低电压参考信号615作为第三数字模拟转换电路621的操作电压(V_dd)，第一阶输出高电压参考信号616作为第三数字模拟转换电路621的参考电压(V_ss)，产生输出信号623为模拟电压信号。

二阶式数字模拟转换器500内部所采用的第一数字模拟转换电路612、第二数字模拟转换电路613以及第三数字模拟转换电路621可分别选自于上述的温度计码式切换电阻结构的数字模拟转换电路100、权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路300以及另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路400中的任一种。

在本实际例中，当二阶式数字模拟转换器500的数字模拟转换电路采用另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路400时，请进一步参考图4的虚线所示为另类权重式切换电阻结构的另一种设计。在另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路400中加入一电阻450，此电阻450的一端为信号端(V_con)，另一端接至模拟信号输出端。图6中的第一数字模拟转换电路612和图9中的第三数字模拟转换电路621的信号端(V_con)接至参考电压(V_ss)或地端，而图6中的第二数字模拟转换电路613的信号端(V_con)接至图7中的单元电路的B(m+1)输出端，由B(m+1)端的电压控制其开或关。信号端(V_con)的电压用来控制此额外输出的选择与否。

图10表示具有数字模拟转换电路的电子装置的示意图，电子装置700包含一数字模拟转换电路701、一数字信号输出装置702、一缓冲放大电路703以及一外壳704。然而，为了方便说明及描述，在此未显示及说明其它组件。数字信号输出装置702输出一数字信号，经过数字模拟转换电路701，将数字信号转换成模拟信号，而该缓冲放大电路703接收模拟信号，加以放大然后输出。特别的是，数字模拟转换电路701，分别选自于上述的温度计码式切换电阻结构的数字模拟转换电路100、权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路300、另类权重式切换电阻结构的数字模拟转换电路400以及二阶式数字模拟转换器500中的任一种。

电子装置700可以是数字相机、可携式DVD、电视、车用显示器、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、全球定位系统(GPS)、笔记本计算机、桌上型计算机、手机、航空用显示器、数字相框或显示装置等等。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种数字模拟转换电路，其特征在于，包含：

两分压选择单元，各该分压选择单元包含一个以上的串行单元，各该串行单元包含有一电阻与一开关相互串接；

其中该两分压选择单元为一对称式结构并相互连接，且连接处包含一模拟信号输出端，该两分压选择单元的串行单元分别相互对应，相对应串行单元的开关同时受控于一数字信号而具有互补式动作，相对应串行单元的电阻具有实质上相同的阻值。

2、根据权利要求1所述的数字模拟转换电路，其特征在于，各该分压选择单元的串行单元的数量随该数字信号的位数数量增加而增加，增加的串行单元以并联连接。

3、根据权利要求2所述的数字模拟转换电路，其特征在于，各该分压选择单元的串行单元的数量为该数字信号的位数的数量的2ⁿ倍，其中n为该数字信号的位数且为一正整数，这些串行单元的电阻阻值相同。

4、根据权利要求2所述的数字模拟转换电路，其特征在于，各该分压选择单元的串行单元的数量为n，其中n为该数字信号的位数且为一正整数，这些串行单元的电阻的阻值为一等比数列。

5、一种数字模拟转换电路，其特征在于，包含一个以上的串行单元，每一串行单元包含一第一开关，其一端接至一第一参考电压源；一第二开关，其一端接至一第二参考电压源，另一端连接该第一开关的另一端；以及一电阻，其一端接至一模拟信号输出端，另一端与该两开关相连接的一端相互连接；各该串行单元的第一开关与第二开关同时受控于一数字信号而具有互补式动作。

6、根据权利要求5所述的数字模拟转换电路，其特征在于，这些串行单元的数量随该数字信号的位数增加而增加，增加的串行单元以并联连接，且这些串行单元的数量为n，n为该数字信号的位数，且为一正整数，这些串行单元的电阻的阻值为一等比数列。

7、一种数字模拟转换器，其特征在于，包含：

一第一阶数字模拟转换单元，该第一阶数字模拟转换单元包含：一第一数字模拟转换电路，接收一数字信号的较大位码信号，产生一第一阶输出低电压参考信号；一进位控制器，用以将该较大位码信号值加一；以及一第二数字模拟转换电路，连接于该进位控制器，并接收该进位控制器的输出信号，产生一第一阶输出高电压参考信号；以及

一第二阶数字模拟转换单元，连接于该第一阶数字模拟转换单元，其包含一第三数字模拟转换电路，接收该数字信号的较小位码、该第一阶输出低电压参考信号与该第一阶输出高电压参考信号，产生一模拟信号；其中该第一数字模拟转换电路、该第二数字模拟转换电路以及该第三数字模拟转换电路的其中一个以上包含一个以上的串行单元，各该串行单元包含一电阻以及一第一开关；该进位控制器使该第一参考信号与该第二参考信号，产生相邻一最小电压输出间格的电压值。

8、根据权利要求7所述的数字模拟转换器，其特征在于，还包含有一缓冲装置，连接于该第一阶数字模拟转换单元与该第二阶数字模拟转换单元之间，各该串行单元还包含一第二开关，其连接于该电阻；其中该进位控制器包含有一信号输入端、一信号输出端、数个单元电路、一非门以及一互斥或门，并用以将所输入的数字信号值加一后输出；其中该信号输入端与该较大位码信号连接，包含有m个位数且与该较大位码信号的位数相对应；该信号输出端具有m+1个位数；这些单元电路的数量与该信号输入端的位数具有一特定关系，其中该特定关系为m-1，m为该信号输入端的位数且为一正整数；该第一数字模拟转换电路与该第三数字模拟转换电路分别还包含有一电阻，其一端分别接至该第一数字模拟转换电路与该第三数字模拟转换电路的模拟信号输出端，另一端分别接至一信号端；该第二数字模拟转换电路还包含有一电阻，其一端接至该第二数字模拟转换电路的模拟信号输出端，另一端接至该进位控制器的信号输出端的第m+1个位数。

9、一种电子装置，该电子装置以数字相机、可携式DVD、电视、车用显示器、个人数字助理、全球定位系统、笔记本计算机、桌上型计算机、航空用显示器、数字相框及手机中至少一个来实施，其特征在于，该电子装置包含：

如权利要求1所述的一数字模拟转换电路；

一数字信号处理装置，连接于该数字模拟转换电路，用于处理一输入数字信号并可输出该数字信号；以及

一缓冲放大电路，接收该模拟信号输出端的模拟信号加以放大输出。

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