CN102957430B

CN102957430B - 一种模数转换电路

Info

Publication number: CN102957430B
Application number: CN201110247087.9A
Authority: CN
Inventors: 李振刚; 黄臣; 杨云
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: CN102957430A

Abstract

本发明提供了一种模数转换电路，属于集成电路领域。该模数转换电路包括：电荷存储器、电流源模块、输入电阻、比较器、触发器、计数器、放电模块；待转换模拟电压信号经过所述输入电阻连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接参考电压；所述触发器的输入端连接所述比较器的输出端；所述触发器的输出端连接所述计数器的输入端和所述放电模块；所述电荷存储器连接于所述比较器的第一输入端与第一固定电平之间；所述电流源模块连接所述比较器的第一输入端；所述放电模块连接在所述比较器的第一输入端与第二固定电平之间。本发明的模数转换电路抗干扰能力强、转换精度可调，且制造成本低。

Description

一种模数转换电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种模数转换电路。

背景技术

现有常用模数转换器包括如下几种类型：积分型、逐次比较型、并行比较型/串行比较型、流水线型、Sigma-delta调制型、压频变换型等。

积分型模数转换器的分辨率高，可达22位，且功耗低、成本低，抗干扰能力强，但是转换速度低。

逐次比较型模数转换器速度高，采样速率可达1MSPS，与其他模数转换器相比，功耗相当低，在分辨率低于12位时，价格较低；但在高于14位分辨率的情况下，价格较高，传感器产生的信号在进行模数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。

并行比较型，转换速度最快，转换是并行的，转换时间只受比较器、触发器和编码器电路延迟时间的限制。但制成分辨率较高的集成并行模数转换器比较困难，原因在于随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。

串行比较型，成本较低，但速度低于并行比较型模数转换器。

流水线型，具有良好的线性和低失调；允许流水线各级同时对多个采样进行处理，信号的处理速度很高；功率消耗低；该类型模数转换器的误差较低，分辨率很高。但是对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，会影响增益的线性、失调及其他参数。

Sigma-delta调制型，易于单片集成，实现了模数转换器与数字信号处理技术的结合，分辨率高，比积分型及压频变化型模数转换器的转换速率高；采用高倍频过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的要求，时间上取消了信号调理。但是当高速转换时，需要高阶调制器，在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型模数转换器的功耗高。

压频变换型，压频变换型模数转换器的分辨率高、精度高、功耗低、价格较低。但转换速率受到限制，需要外围电路支持。

上述现有类型的模数转换器结构都比较复杂，制作成本相对较高，而且在对强干扰的目标检测时很容易被干扰，影响检测结果。

发明内容

本发明为解决现有模数转换器电路结构复杂、制作成本高，且在对强干扰的目标检测时转换效果不好的技术问题，提供一种制作成本低、抗干扰能力强的模数转换电路。

一种模数转换电路，包括：电荷存储器、电流源模块、输入电阻、比较器、触发器、计数器、放电模块、时钟产生模块；

所述待转换模拟电压信号经过所述输入电阻连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接参考电压；所述触发器的输入端连接比较器的输出端；所述触发器的输出端连接所述计数器的输入端和放电模块；

所述电荷存储器连接于所述比较器的第一输入端与第一固定电平之间；

所述电流源模块连接比较器的第一输入端；

所述放电模块连接在所述比较器的第一输入端与第二固定电平之间；

所述时钟产生模块连接触发器和计数器。

本发明的模数转换电路的进行实时的模拟信号采样，采样过程中即使受到干扰，也只是干扰一瞬间的计数值，对最后的转换结果干扰非常小；转换后的数字信号代表转换时间内的平均电压，具有非常强的抗干扰能力；转换精度可以通过改变计数器的计数位数来改变。另外，本发明的模数转换电路占用芯片面积小，从而大大降低了电路的成本。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的模数转换电路模块示意图。

图2是本发明实施例2提供的模数转换电路模块示意图。

图3是本发明实施例提供的集成运算放大器电路图。

图4是本发明实施例提供的由集成运算放大器构成电压跟随器的电路图。

图5是本发明实施例3提供的模数转换电路示意图。

图6是本发明实施例4提供的模数转换电路示意图。

图7是本发明实施例5提供的模数转换电路示意图。

图8是本发明实施例6提供的模数转换电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明实施例1提供的模数转换电路模块示意图。包括：电荷存储器16、电流源模块15、输入电阻11、比较器12、触发器13、计数器14、放电模块17、时钟产生模块18。

所述待转换模拟电压信号经过所述输入电阻11连接所述比较器12的第一输入端，所述比较器12的第二输入端连接参考电压；所述触发器13的输入端连接比较器12的输出端；所述触发器13的输出端连接所述计数器14的输入端和放电模块17；

所述电荷存储器16连接于所述比较器12的第一输入端与第一固定电平之间；

所述电流源模块15连接比较器12的第一输入端；

所述放电模块17连接在所述比较器12的第一输入端与第二固定电平之间；

所述时钟产生模块18连接触发器13和计数器14。

为了增大待转换模拟电压信号的输入阻抗，从而减小输入电流。如图2所示，所述模数转换电路包括：电荷存储器26、电流源模块25、输入电阻21、比较器22、触发器23、计数器24、放电模块27、时钟产生模块28、电压跟随器29。与图1相比，增加了电压跟随器29，所述电压跟随器29连接于所述模拟电压信号和所述输入电阻21之间。

如图3所示，为同相比例集成运算放大器电路。同相比例集成运算放大器工作在线性区时，放大器输出电压与其两输入端的电压之间存在着线性放大关系，即Uo=Aod（U+-U-），其中U+和U-分别是其同相输入端和反相输入端电压，Aod是集成运算放大器的开环差模电压增益，Uo为集成运算放大器的输出电压。理想的集成运算放大器的开环差模电压增益Aod=∞，所以得出U+=U-。由于理想的集成运算放大器差模输入电阻Rid=∞，所以在两个输入端均没有电流流过。

由此可以得知Uo=（1+）UI，同相比例集成运算放大器的比例系数总大于或者等于1，当RF=0或者R1=∞时，U₀=UI，即等效为图4电路。由于这种电路的输出电压与输入电压不仅幅相相等而且相位相同，两者是跟随关系，所以又称电压跟随器。即电压跟随器为反相输入端与输出端短接的运算放大器。作为本领域人员所公知的，也可以短接运算放大器的同相输入端与输出端构成电压跟随器。

所述电流源模块包括电压源及第一电阻，所述第一电阻连接于所述电压源与所述比较器的第一输入端之间。所述电压源可为正电位、也可为零电位。

所述电荷存储器为电容，用于存储电荷使比较器的第一输入端电位稳定，减小电压波动。所述电荷存储器连接于所述比较器的第一输入端与第一固定电平之间；此固定电平为任意电平。该任意电平由电容的承受电压能力确定，在常规的应用中，通常接电路中能够提供的电平，如接地或电压源电平VCC。

所述放电模块包括：第二电阻和放电开关；所述第二电阻连接于所述比较器的第一输入端与放电开关之间；所述放电开关接第二固定电平；所述触发器的输出端连接所述放电开关并控制放电开关的工作状态。所述第二固定电平可为正电位、也可为零电位。当电流源模块中的电压源为正电位时，第二固定电平为零电位；当电流源模块中的电压源为零电位时，第二固定电平为正电位。

如图5所示，为本发明的实施例3的模数转换电路示意图，比较器的第一输入端为同相输入端，比较器的第二输入端为反相输入端。

图5中待转换模拟电压信号Vi输入跟随器FOL的反相输入端，反相器FOL的输出端连接输入电阻Rin的一端，输入电阻Rin的另一端连接比较器COM的同相输入端，比较器COM的反相输入端接参考电压Vth，比较器COM的输出端连接触发器的输入端，触发器的输出端连接计数器的输入端及放电开关S1。

电压源VCC通过第一电阻R1连接比较器COM的同相输入端，电容C1连接在比较器COM的同向输入端和地之间，第二电阻R2连接在比较器COM的同相输入端和放电开关S1之间，放电开关S1另一端接地；时钟产生模块连接触发器和计数器并为触发器和计数器提供时钟信号。

电路中，Vi为输入模拟电压信号，后面接电压跟随器FOL是为了增大输入阻抗，减小输入电压Vi的输入电流，但不改变输出电压的大小，即电压跟随器FOL的输出电压大小仍为Vi，输入电压Vi通过输入电阻Rin向电容C1灌或漏电流，电流大小为（Vi-Vc）/Rin，Vi为输入模拟电压信号，Vc为比较器COM同相输入端的电压值，Rin为输入电阻Rin的阻值，流过第一电阻R1的电流为（Vcc-Vc）/R1，Vcc为电压源电压值，R1为第一电阻R1的电阻值，流过第二电阻R2的电流为(Vc/R2)*y，R2为第二电阻R2的电阻值，y为放电开关S1闭合时间的占空比。

Vth为参考电压，当第一电容C1上电压Vc高于参考电压Vth时，比较器COM输出为高电平，触发器触发后输出也为高电平，这时高电平控制放电开关S1闭合，并对第一电容C1进行放电,计数器加1。当电压Vc低于参考电压Vth时，比较器COM输出为低电平，触发器触发后输出也为低电平，这时低电平控制放电开关S1断开，计数器加0。如此反复保证电压Vc始终在参考电压Vth附近，因此可以认为Vc≈Vth。触发器保证放电时间一定是时钟周期的整数倍,保证时间的准确性，计数器最后的计数结果为x。

由节点电流公式可以知道：

（Vcc-Vc）/R1+（Vi-Vc）/Rin-(Vc/R2)*y=0；

y为S1闭合时间的占空比，也就是计数器记得的数值x除以计数次数T。所以Vi=[(Vc/R2)*x/T-（Vcc-Vc）/R1]*Rin+Vc。

如果Vc≈Vth=0.5Vcc，R1=Rin=2R2，公式则可以化简成Vi=(Vcc/T)*x。其中Vcc是定值，T为计数器的计数次数，是可以设定的参数而且直接代表检测精度。如计数器为10位，则精度T=2¹⁰=1024，计数器为12位，则精度T=2¹²=4096，所以最后得到的结果x和输入模拟电压信号Vi成线性正比。

本发明的模数转换电路通过调整计数器的计数位数来改变检测精度，计数器的计数值即为数字输出信号。

当第一输入端为反相输入端，第二输入端为同相输入端时，图6作为本发明实施例4，与实施例3不同的是，当第一电容C1上电压Vc低于参考电压Vth时，比较器COM输出为高电平，触发器触发后输出也为高电平，这时高电平控制放电开关S1闭合，并对第一电容C1进行放电,计数器加1。当电压Vc高于参考电压Vth时，比较器COM输出为低电平，触发器触发后输出也为低电平，这时低电平控制放电开关S1断开，计数器加0。如此反复保证电压Vc始终在参考电压Vth附近。

作为本发明的实施例5，如图7所示，比较器的第一输入端为同相输入端，比较器的第二输入端为反相输入端。

图7中待转换模拟电压信号Vi输入跟随器FOL的反相输入端，反相器FOL的输出端连接输入电阻Rin的一端，输入电阻Rin的另一端连接比较器COM的同相输入端，比较器COM的反相输入端接参考电压Vth，比较器COM的输出端连接触发器的输入端，触发器的输出端连接计数器的输入端及放电开关S1。

地电平通过第一电阻R1连接比较器COM的同相输入端，电容C1连接在比较器COM的同相输入端和地之间，第二电阻R2连接在比较器COM的同相输入端和放电开关S1之间，放电开关S1另一端接电压源VCC；时钟产生模块连接触发器和计数器并为触发器和计数器提供时钟信号。

电路中，Vi为输入模拟电压信号，后面接电压跟随器FOL是为了增大输入阻抗，减小输入电压Vi的输入电流，但不改变输入电压大小，即电压跟随器FOL的输入电压大小仍为Vi，输入电压Vi通过输入电阻Rin向电容C1灌或漏电流，电流大小为（Vi-Vc）/Rin，Vi为输入模拟电压信号，Vc为比较器COM同相输入端的电压值，Rin为输入电阻Rin的阻值，流过第一电阻R1的下拉电流为Vc/R1，R1为第一电阻R1的电阻值，流过第二电阻R2的上拉电流为（VCC-Vc）*y/R2，Vcc为电压源电压值，R2为第二电阻R2的电阻值，y为放电开关S1闭合时间的占空比。

由节点电流公式可以知道：

（Vi-Vc）/Rin+（VCC-Vc）*y/R2-Vc/R1=0；

y为S1闭合时间的占空比，也就是计数器记得的数值x除以计数次数T。

所以Vi=[Vc/R1-（VCC-Vc）*x/（R2T）]*Rin+Vc。

如果Vc≈Vth=0.5Vcc，R1=Rin=2R2，公式则可以化简成Vi=Vcc-(Vcc/T)*x。其中Vcc是定值，T为计数器的计数次数，是可以设定的参数而且直接代表检测精度。如计数器为10位，则精度T=2¹⁰=1024，计数器为12位，则精度T=2¹²=4096，所以最后得到的结果x和输入模拟电压信号Vi成线性正比。

当第一输入端为反相输入端，第二输入端为同相输入端时，图8作为本发明实施例6，与实施例5不同的是，当第一电容C1上电压Vc低于参考电压Vth时，比较器COM输出为高电平，触发器触发后输出也为高电平，这时高电平控制放电开关S1闭合，并对第一电容C1进行放电,计数器加1。当电压Vc高于参考电压Vth时，比较器COM输出为低电平，触发器触发后输出也为低电平，这时低电平控制放电开关S1断开，计数器加0。如此反复保证电压Vc始终在参考电压Vth附近。

本发明的模数转换电路的进行实时的模拟信号采样，采样过程中即使受到干扰，也只是干扰一瞬间的计数值，对最后的结果干扰非常小；转换后的数字信号代表转换时间内的平均电压，具有非常强的抗干扰能力；转换精度可以通过改变计数器的技术位数来改变。另外，本发明的模数转换电路占用芯片面积小，从而大大降低了电路的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：电荷存储器、电流源模块、输入电阻、比较器、触发器、计数器、放电模块、时钟产生模块；

待转换模拟电压信号经过所述输入电阻连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接参考电压；所述触发器的输入端连接比较器的输出端；所述触发器的输出端连接所述计数器的输入端和放电模块；

所述电流源模块连接比较器的第一输入端；

所述时钟产生模块连接触发器和计数器；

所述电荷存储器为电容；所述电流源模块包括电压源及第一电阻，所述第一电阻连接于所述电压源与所述比较器的第一输入端之间；所述放电模块包括第二电阻和放电开关；所述第二电阻连接于所述比较器的第一输入端与放电开关之间；所述放电开关接第二固定电平；所述触发器的输出端连接所述放电开关并控制放电开关的工作状态；

输入电压用如下公式表示：

Vi=[(Vc/R2)*x/T-（Vcc-Vc）/R1]*Rin+Vc；

公式中：Vi表示模拟电压信号，Vc表示比较器第一输入端电压，Vcc表示电源电压，Rin表示输入电阻，R1表示第一电阻，R2表示第二电阻，T表示计数器的计数次数，x表示计数器计得的数值。

2.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于：所述模数转换电路还包括：电压跟随器，所述电压跟随器连接于所述模拟电压信号和所述输入电阻之间。

3.如权利要求2所述的模数转换电路，其特征在于：所述电压跟随器由运算放大器的反相输入端和输出端短接构成。

4.如权利要求1至3任一项所述的模数转换电路，其特征在于：所述比较器的第一输入端为同相输入端，所述比较器的第二输入端为反相输入端。

5.如权利要求1至3任一项所述的模数转换电路，其特征在于：所述比较器的第一输入端为反相输入端，所述比较器的第二输入端为同相输入端。

6.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于：当Vc=0.5Vcc，R1=Rin=2R2时，Vi如下公式表示：

Vi=(Vcc/T)*x；

Vi表示模拟电压信号，Vc表示比较器第一输入端电压，Vcc表示电源电压，Rin表示输入电阻，R1表示第一电阻，R2表示第二电阻，T表示计数器的计数次数，x表示计数器计得的数值。