CN102075190A - 一种自适应采样率的模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应采样率的模数转换器，包括一个用于检测信号频率的高速比较器、一个倍频的快速响应锁相环、一个传统的模数转换器。其中，高速比较器的正端接输入的模拟信号，负端接输入的信号地，通过二者比较结果的高低电平脉冲宽度得到输入信号的即时频率；然后再通过快速响应锁相环将该频率倍频固定倍数，作为模数转换器的实际采样频率，从而使得模数转换器的采样频率与输入信号的频率同步，实现了采样频率的自适应特性。所公开的自适应采样频率技术，可以有效降低由于采样频率固定时引起的采样信息冗余、系统功耗等问题，且无需外部时钟信号，使得模数转换器在不损失精度的同时提高了系统的效率。此发明可以广泛地应用于高速高精度的低功耗模数转换器产品中。

Description

一种自适应采样率的模数转换器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及片上系统、宽带数据通信系统、高速无线通信系统等数据转换的产品应用。

背景技术

当前高速低功耗片上系统、宽带通信技术以及高速数字信号处理等的高速发展，对系统的接口模数转换器部分提出越来越苛刻的要求。因为系统在最前端接触到的信号都是模拟信号，在对信号进行数字化处理前，均需要进行模拟信号到数字信号的转换。在数字信号处理占主导地位的今天，模数转换器作为信号处理的第一步，显得越来越重要。尤其是在某些系统中，对功耗、精度、速度与可靠性等都有一定的要求，这就对模数转换器的具体设计与实现提出了新的挑战。同时随着对模数转换器性能的不断提升，其内部模块和器件数量将急剧上升，作为数据缓冲系统，在实际的设计过程中，需要折中考虑的因素也不断增多，使得模数转换器在各种性能的折中上存在一定的难题。本发明提出了一种自适应采样率的模数转换器，在模数转换器的精度、速度、功耗等主要性能上实现了统一改善。

发明内容

针对当前各种数据采集系统对精度、速度、功耗等主要性能的特殊要求，本发明提出了一种自适应采样率的模数转换器。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种自适应采样率的模数转换器，首先通过高速比较器比较输入模拟信号与信号地，产生输入信号的即时频率。然后，通过快速响应锁相环将输入信号的频率倍频固定的倍数，使得锁相环的输出频率与输入模拟信号频率的联动。锁相环输出的频率即为模数转换器的采样频率，从而使得模数转换器对模拟信号的采样频率与信号的即时频率成联动关系。本发明公开的自适应采样率模数转换器，可以兼顾模数转换器的速度、精度与功耗特性。通过此项技术，可以有效提高数据采集系统的特性。

上述方案中，所述输入模拟信号频率发生变化时，高速比较器通过比较输入信号与信号地得到的频率即会跟随变化。所述快速响应锁相环的基准频率信号接到高速比较器的输出端，并将检测到的信号频率倍频，得到模数转换器的实际采样频率。

为了使采样时刻的采样频率与信号频率尽可能同步，上述比较器和锁相环响应时间之和应该小于信号最短的周期时间。

本发明通过检测输入信号的频率变化情况，得到与输入信号频率成固定倍数的模数转换器采样频率，实现了模数转换器的自适应采样频率特性，从而对采样频率固定时的过采样与欠采样情况下引起的特性衰减进行了改进，兼顾了模数转换器的精度与速度特性，降低了模数转换器的功耗，提高了模数转换器的综合性能。

附图说明

图1为本文发明的自适应采样率模数转换器。

图2为输入模拟信号频率变化时的采样信号示意图。

其中：10为输入模拟信号；20为模数转换器；30为数字信号；40为输入信号的交流地；50为高速高增益比较器；60为高速高增益比较器的输出；70为快速响应锁相环；80为输出频率信号。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的自适应采样率模数转换器结构，图2为输入模拟信号频率变化时的采样信号示意图。

如图1所示，输入模拟信号10为模数转换器的输入，同时作为高速比较器的输入。为了简化分析，可以将信号中的直流信号先屏蔽掉，使得输入模拟信号为纯交流信号，则其中心值为信号地。由于实际的信号应该是频率和幅度均会随时间变化的信号，如图2所示的模拟信号，随时间变化时频率在降低，幅度在任意变化，此处为了方便示意，频率只选择了降低变化，频率升高的情况与此分析正好相反。

从信号的第一个周期开始分析，信号的频率是通过图1所示的高速比较器50来检测的，因此输入的模拟信号需要接到高速比较器50的一端。如果是纯交流信号，高速比较器50的另一端接到信号地上；如果是带共模信号的输入模拟信号，高速比较器50的另一端接到同输入模拟信号一致的共模信号上。此处以纯交流信号为例，高速比较器50的正相端接纯交流信号，负相端接信号地。由于此处采用的是高速高增益比较器50，因此可以快速捕捉到交流信号经过信号地的时刻，并使高速高增益比较器的输出端信号60发生翻转得到一系列与信号幅度无关的脉冲信号，该信号即作为基准频率信号接到快速响应锁相环70的输入端。以第一个信号周期为例，如图2所示，当信号大于0时，高速高增益比较器50的输出60变为高电平；当信号小于0时，高速高增益比较器50的输出60变为低电平。同时，为了防止在模数转换器的采样时钟内引入孔径误差，此处的高速高增益比较器50需要具有一定的迟滞。这样就得到了第一个信号周期的频率信号，即快速响应锁相环的输入基准频率信号60，如图2所示。

根据奈奎斯特采样定理，对输入模拟信号进行采样时，采样频率至少应是信号频率的两倍以上，为了保证精度，此处的采样频率选在奈奎斯特频率的四倍，即信号频率的八倍。实际设计中，还可以根据具体要求对此倍频的倍数进行设定。此实例中快速响应锁相环70将输入的基准频率信号60倍增为八倍后输出至模数转换器的采样频率端。此处的锁相环70采用快速响应的原因是为了确保信号频率变化时，采样频率可以实时地跟随信号频率的变化。如图2所示，信号频率在第一个周期后开始降低，通过高速高增益比较器50后得到信号的频率开始下降，再经过快速响应锁相环70后得到的采样频率也开始下降，但是采样频率与信号的频率之间的比例基本保持不变，在此实现实例中，始终为八倍。虽然信号幅度也在发生变化，但由于比较器的高速高增益特性，使得检测到的信号频率与锁相环的输出频率不会随信号的幅度发生变化。

快速响应锁相环70的输出频率信号80即作为模数转换器20的采样频率信号，模数转换器的输出为数字信号30。根据以上的分析，对于输入的模拟信号周期和幅度变化时，模数转换器始终保持在一个输入信号周期内采样八个离散的数据，即实现了模数转换器的自适应采样率。

综上所述，对于传统的固定采样频率模数转换器，本发明通过高速高增益比较器检测信号的即时频率，再利用快速响应的锁相环将信号的频率倍增固定的倍数，得到的倍增频率信号作为模数转换器的采样频率，使得信号的采样频率与信号的频率保持固定的倍数，即随着信号的频率变化，信号的采样频率也会跟随变化，改进了传统的固定采样频率模数转换器的过采样与欠采样问题，提升了模数转换器的性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于：包括高速比较器、快速响应锁相环和模数转换器；高速比较器的正端接输入的模拟信号，负端接输入的信号地；高速比较器的输出接到锁相环的输入端；锁相环通过对输入频率信号倍频固定倍数后输出接到模数转换器的采样频率端；模数转换器的输入端接输入的模拟信号，输出端接输出的数字信号。

2.如权利要求1所述一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于，所述高速比较器通过比较输入的信号与信号地实现对输入信号即时频率的检测；如果输入的模拟信号带有共模部分，则高速比较器的负端接为与输入模拟信号一致的共模信号。

3.如权利要求1所述一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于，所述快速响应锁相环通过将高速比较器输出的频率信号倍频产生模数转换器的采样频率信号。

4.如权利要求1所述一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器的采样频率由快速响应锁相环的输出提供。

5.如权利要求1所述一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器包括逐次逼近、流水线、全并行式等传统的结构。

6.如权利要求1所述一种自适应采样率的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器无需外部采样时钟信号，其采样时钟信号由信号、高速比较器以及快速响应锁相环共同产生。

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