CN103178849B - 一种结合tdc的循环模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种结合TDC的循环模数转换器，是将采样的模拟电压信号进行两步转换的循环模数转换器，包括有：循环模数转换单元，所述的循环模数转换单元进行第一步数据转换，将采样的模拟电压信号进行量化后得到最高有效位，并将余差电压送入时间数字转换单元；时间数字转换单元，所述的时间数字转换单元进行第二步数据转换，将所述的余差电压转换为时间信号，并分别得到第一低位有效位和第二低位有效位，将第一低位有效位和第二低位有效位相加从而完成两步转换。本发明在提升转换速率、保证转换精度的同时节省了功耗，实现了对模拟信号的量化，满足了实际应用中的需要。与传统单一电路模块相比降低了对子电路的要求，在版图上更加易于实现。

Description

一种结合TDC的循环模数转换器

技术领域

本发明涉及一种循环模数转换器。特别是涉及一种结合TDC的循环模数转换器。

背景技术

循环模数转换器被用在中高精度和低中转换速率的产品中，特别是要求低功耗和低芯片面积的应用中。在获得高分辨率同时消耗较小的芯片尺寸和较低的功耗是循环模数转换器的主要优点。

TDC（时间数字转换器）是一种时间测量的常用电路，主要计算参考信号到事件发生的时间及两个脉冲间的时间间隔，将时间的间隔直接转化为高精度的数字值。在模数转换器中，通过将模拟电压转换为时间信号再由TDC处理，可以实现数据的快速转换。

但上述技术至少存在以下缺点和不足：

参见图1，循环模数转换器的工作原理使得其转换时间过长，对于N位数据，需要N个转换周期，其转换速率限制了循环模数转换器在高速器件中的进一步应用。

参见图2，TDC电路的启动信号沿延迟线传播，当停止信号来到时，经过若干延时单元到达相应的抽头处的启动信号被记录入寄存器，由此即可测得时间。然而在进行高精度数据转换时，需要极高的时钟频率和相应的处理电路，在增加系统的设计复杂度的同时需要占用更多的芯片面积和功耗，这就限制了其在模数转换器中的应用。而在低频时钟下TDC转换精度低，不能适应模数转换器的位数要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够降低整体电路对子模块的要求，在保持高分辨率的同时提高转换速度的一种结合TDC的循环模数转换器。

本发明所采用的技术方案是：一种结合TDC的循环模数转换器，是将采样的模拟电压信号进行两步转换的循环模数转换器，包括有：

循环模数转换单元，所述的循环模数转换单元进行第一步数据转换，将采样的模拟电压信号进行量化后得到最高有效位，并将余差电压送入时间数字转换单元；

时间数字转换单元，所述的时间数字转换单元进行第二步数据转换，将所述的余差电压转换为时间信号，并分别得到第一低位有效位和第二低位有效位，将第一低位有效位和第二低位有效位相加从而完成两步转换。

所述的循环模数转换单元包括有：

采样保持电路，所述采样保持电路的输入端连接模拟电压输入信号Vin，输出端输出采样信号；

模数转换器，所述的模数转换器的输入端连接采样保持电路的输出端，将采样保持电路输出的模拟采样信号转换为数字的高位有效位信号MSBs；

数模转换器，所述的数模转换器的输入端连接模数转换器的输出端接收模数转换器输出的高位有效位信号MSBs，将高位有效位信号MSBs进行数模转换；

加法器，所述的加法器的输入端分别连接采样保持电路的输出端和数模转换器的输出端，并将采样保持电路输出的采样信号和数模转换器输出的数模转换信号进行相加后输出求和信号；

乘2电路，所述的乘2电路的输入端连接加法器的输出端，输出端输出余差电压分别连接采样保持电路的输入端和时间数字转换单元的输入端。

所述的时间数字转换单元包括有：

电压时间转换器，所述的输入端连接所述循环模数转换单元中的乘2电路的输出端，该压电压时间转换器的输出端输出时间信号；

第一D触发器，所述的第一D触发器的一个输入端连接所述的电压时间转换器的输出端，另一个输入端连接外部的时钟信号clk；

反相器，所述的反相器的输入端连接外部的时钟信号clk；

计数器，所述计数器的输入端连接外部的时钟信号clk；

第二D触发器，所述的第二D触发器的一个输入端连接第一D触发器的输出端，另一个输入端连接反相器的输出端，该第二D触发器的输出端输出控制信号；

时间数字转换器，所述时间数字转换器的输入端分别连接电压时间转换器的输出端和第二D触发器的输出端，该时间数字转换器的输出端输出第二低位有效位LSB2；

寄存器，所述寄存器的输入端分别连接计数器的输出端和第二D触发器的输出端，该寄存器的输出端输出第一低位有效位LSB1。

本发明的一种结合TDC的循环模数转换器，通过结合循环模数转换器和TDC电路的各自优点，在提升转换速率、保证转换精度的同时节省了功耗，使其可应用在更高速的采样环境和低功耗电路中。本发明实现了对模拟信号的量化，满足了实际应用中的需要。与传统单一电路模块相比降低了对子电路的要求，在版图上更加易于实现。

附图说明

图1是现有技术的循环模数转换器工作原理示意图；

图2是现有技术的TDC电路原理示意图；

图3是本发明一种结合TDC的循环模数转换器的电路原理框图；

图4是本发明一种结合TDC的循环模数转换器的电路结构图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：采样保持电路                2：模数转换器

3：数模转换器                  4：加法器

5：乘2电路                     6：电压时间转换器

7：第一D触发器                 8：第二D触发器

9：反相器                      10：计数器

11：时间数字转换器             12：寄存器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种结合TDC的循环模数转换器做出详细说明。

本发明的一种结合TDC的循环模数转换器，是为了结合TDC和循环模数转换器各自的优点，降低整体电路对子模块的要求，提高转换速度的同时降低芯片面积和功耗，提供一种将采样的模拟电压信号进行两步转换的循环模数转换器，如图3所示，整体电路分为粗量化阶段和细量化阶段。粗量化阶段由循环模数转换单元完成，细量化阶段由TDC完成，模拟电压到时间的转化有由VTC完成。具体包括有：循环模数转换单元，所述的循环模数转换单元进行第一步数据转换，将采样的模拟电压信号进行量化后得到最高有效位，并将余差电压送入时间数字转换单元；时间数字转换单元，所述的时间数字转换单元进行第二步数据转换，将所述的余差电压转换为时间信号，并分别得到第一低位有效位和第二低位有效位，将第一低位有效位和第二低位有效位相加从而完成两步转换。

如图4所示：

完成粗量化阶段工作的所述的循环模数转换单元包括有：采样保持电路1，所述采样保持电路1的输入端连接模拟电压输入信号Vin，输出端输出采样信号；模数转换器（ADC）2，所述的模数转换器2的输入端连接采样保持电路1的输出端，将采样保持电路1输出的模拟采样信号转换为数字的高位有效位信号MSBs；数模转换器（DAC）3，所述的数模转换器3的输入端连接模数转换器2的输出端接收模数转换器2输出的高位有效位信号MSBs，将高位有效位信号MSBs进行数模转换；加法器4，所述的加法器4的输入端分别连接采样保持电路1的输出端和数模转换器3的输出端，并将采样保持电路1输出的采样信号和数模转换器3输出的数模转换信号进行相加后输出求和信号；乘2电路5，所述的乘2电路5的输入端连接加法器4的输出端，输出端输出余差电压分别连接采样保持电路1的输入端和时间数字转换单元的输入端。

在电路的粗量化阶段，采样保持电路SHA对模拟输入信号进行采样，采样后的信号进入ADC和加法器的输入端。ADC进行量化后得到最高有效位。最高有效位进入DAC的输入端，由DAC转化为模拟电压进入加法器的输入端和采样信号作差得到余量信号。余量信号进入乘2电路的输入端进行放大后再接入采样保持电路的输入端。采样保持电路采样余差信号完成下一次循环量化。

在循环模数转换单元中，余差信号被反复量化，对于N位数据，循环模数转换单元在进行M+1量化后通过错位相加得到M位的数字码，其中M<N，N为1、2……N。

完成细量化阶段工作的所述的时间数字转换单元包括有：电压时间转换器（VTC）6，所述的输入端连接所述循环模数转换单元中的乘2电路5的输出端，该VTC6的输出端输出时间信号；第一D触发器7，所述的第一D触发器7的一个输入端连接所述的VTC6的输出端，另一个输入端连接外部的时钟信号clk；反相器9，所述的反相器9的输入端连接外部的时钟信号clk；计数器10，所述计数器10的输入端连接外部的时钟信号clk；第二D触发器8，所述的第二D触发器8的一个输入端连接第一D触发器7的输出端，另一个输入端连接反相器9的输出端，该第二D触发器8的输出端输出控制信号；时间数字转换器（TDC）11，所述TDC11的输入端分别连接VTC6的输出端和第二D触发器8的输出端，该TDC11的输出端输出第二低位有效位LSB2；寄存器12，所述寄存器12的输入端分别连接计数器10的输出端和第二D触发器8的输出端，该寄存器12的输出端输出第一低位有效位LSB1。

循环模数转换单元完成前M位数据后，乘2电路的输出端接入VTC电路的输入端，由VTC电路转换为时间脉冲信号。在时间脉冲信号的上升沿，外部clk信号接入第一个D触发器、反相器和计数器的输入端。计数器同时开始计算时钟脉冲个数。VTC的输出信号接入TDC的输入端，作为TDC的启动信号。VTC的输出信号接入第一个D触发器的输入端，作为延迟信号的启动信号。反相器的输出信号进入第二个D触发器的输入端作为时钟脉冲。第二个D触发器的输出端连接TDC的输入端和寄存器的输入端，作为TDC的停止信号和寄存器启动信号。寄存器存储计数器的脉冲个数，完成细量化的高位。TDC输出完成细量化的低位。细量化总共完成Q位数据转化。将上述的M位和Q位数字码进行错位相加，得到最终的N位数据。

下面以一种结合TDC的循环模数转换器为例，分析其工作原理，详见下文描述：

首先进行粗量化阶段，循环模数转换器采用1.5位级电路，假设时钟频率5MHz,完成单次循环转换时间为200ns,参考电压VR=1，输入电压Vi=0.3，粗量化阶段进行6位数据转换。当输入电压Vi<-0.25VR时，ADC输出00码字，当输入电压-0.25VR<Vi<0.25VR时，ADC输出01码字,当输入电压Vi>0.25VR时，ADC输出10码字。根据级电路输入输出关系有：

第一步：输出转换结果M1L1，其值为10，输出余差电压Vo1=2×0.3-1=-0.4；

第二步：输出转换结果M2L2，其值为00，输出余差电压Vo2=2×(-0.4)+1=0.2；

第三步：输出转换结果M3L3，其值为01，输出余差电压Vo3=2×0.2=0.4；

第四步：输出转换结果M4L4，其值为10，输出余差电压Vo4=2×0.4-1=-0.2；

第五步：输出转换结果M5L5，其值为01，输出余差电压Vo5=2×(-0.2)=-0.4；

第六步：输出转换结果M6L6，其值为00，输出余差电压Vo6=2×(-0.4)+1=0.2。

最后，通过一种错位相加的方法将各步转换结果转换为标准的二进制转换输出，得到的码值为1010010。

接下来进行细量化阶段，clk频率为100MHz,时间分辨率为10ns,细量化阶段进行6位数据转换。粗量化阶段最后一步的余差电压由VTC转换为时间信号，Vi=0.2由VTC电路转换为46ns的时间量,TDC电路对此时间量进行转换，计数器记录高位的4个时间间隔，转换为对应的数字码100。时间余差t=46-4*10=6ns转换为低位的110。46ns的时间量转换后的数字码为100110，TDC完成6位数据转换需要156ns。将粗量化阶段和细量化阶段得到的数字码错位相加，得到最终的12位数字码101001100110。

在采用相同时钟频率时，传统循环模数转换器转换12位数据的转换速率为417KSPS,采用本实施例的转换速率为737KSPS，可见，具有TDC的循环模数转换器在保证精度的同时明显提升了转换速度。

Claims (1)

1.一种结合TDC的循环模数转换器，其特征在于，是将采样的模拟电压信号进行两步转换的循环模数转换器，包括有：

循环模数转换单元，所述的循环模数转换单元进行第一步数据转换，将采样的模拟电压信号进行量化后得到最高有效位，并将余差电压送入时间数字转换单元；

时间数字转换单元，所述的时间数字转换单元进行第二步数据转换，将所述的余差电压转换为时间信号，并分别得到第一低位有效位和第二低位有效位，将第一低位有效位和第二低位有效位相加从而完成两步转换，所述的时间数字转换单元包括有：

电压时间转换器（6），输入端连接所述循环模数转换单元中的乘2电路（5）的输出端，该电压时间转换器（6）的输出端输出时间信号；

第一D触发器（7），所述的第一D触发器（7）的一个输入端连接电压时间转换器（6）的输出端，另一个输入端连接外部的时钟信号clk；

反相器（9），所述的反相器（9）的输入端连接外部的时钟信号clk；

计数器（10），所述计数器（10）的输入端连接外部的时钟信号clk；

第二D触发器（8），所述的第二D触发器（8）的一个输入端连接第一D触发器（7）的输出端，另一个输入端连接反相器（9）的输出端，该第二D触发器（8）的输出端输出控制信号；

时间数字转换器（11），所述时间数字转换器（11）的输入端分别连接电压时间转换器（6）的输出端和第二D触发器（8）的输出端，该时间数字转换器（11）的输出端输出第二低位有效位LSB2；

寄存器（12），所述寄存器（12）的输入端分别连接计数器（10）的输出端和第二D触发器（8）的输出端，该寄存器（12）的输出端输出第一低位有效位LSB1。