CN103457608A - 用于操作模数转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作模数转换器的系统和方法，该系统和方法可被用于缩放Σ-Δ模数转换器的调制器的输出，且该系统和方法可被用于补偿Σ-Δ模数转换器中的基准电压随温度的变化。根据一种实施方式，系统可被用于缩放Σ-Δ模数转换器（ADC）的调制器的输出。抽取滤波器具有由作为向抽取滤波器的输入而接收的抽取长度值可调节的抽取长度。抽取滤波器被配置为接收Σ-ΔADC的调制器的输出，并利用所接收的抽取长度值来抽取所接收的Σ-ΔADC的调制器的输出。

Description

用于操作模数转换器的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于操作模数转换器的系统和方法，在具体实施方式中，涉及一种用于缩放Σ-Δ（sigma-delta）模数转换器的调制器的输出的系统和方法以及用于补偿Σ-Δ模数转换器中的基准电压随温度的变化的系统和方法。
背景技术
在许多应用中，诸如在锂离子电池管理集成电路中，例如，需要高精度电压测量，这必须非常小的绝对误差（例如，<1.5mV）。
这些电压测量可利用Σ-Δ模数转换器（ADC）来实施。Σ-ΔADC输出具有与输入信号的平均值相对应的平均值（即“脉冲密度”，它是预定总位数内的对应于由Σ-ΔADC测量的电压值的“1”的数量）的比特流。
Σ-ΔADC的输出范围（ADC固有范围（native ADC range））由一个或两个基准电压限定，然而，该基准电压不是固定的，而是可随温度或其他物理变量而变化。因此，当利用Σ-ΔADC测量电压时，要测量的电压的范围（校正结果范围）必须小于最小（“最坏情况”）的ADC固有范围。
对于固有范围到校正结果范围的转换，输出值被缩放且必要时被偏移校正。由于不同（例如，随温度而变化）的基准电压，可期望转换自适应地可调节，使得转换可连续适用于不同的基准电压。否则，例如，针对基准的温度稳定性要求将非常高，或者甚至根据所要求的测量精度不可行。
用于实施固有范围到校正结果范围的转换的传统方法利用在微控制器中的浮点计算来缩放Σ-ΔADC的输出。这种解决方案在芯片级上非常复杂，且需要具有高集成度电路的半导体技术。此外，当传送缩放Σ-ΔADC输出所需要的计算到微控制器时，改变基准电压（由于例如温度变化）而对Σ-ΔADC输出的缩放的连续调节将很困难。
因此，例如，存在对需要不太复杂的电路和较低集成度的电路的用于缩放Σ-ΔADC输出和/或补偿Σ-ΔADC基准电压的变化的方法和/或系统的需求。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种系统可被用于缩放Σ-Δ模数转换器（ADC）的调制器的输出，该系统包括抽取（decimation）滤波器，其抽取长度可由作为抽取滤波器的输入而接收的抽取长度值来调节。该抽取滤波器被配置为接收Σ-ΔADC的调制器的输出，并利用所接收的抽取长度值来抽取所接收的Σ-ΔADC的调制器的输出。
根据本发明的另一方面，一种方法可被用于缩放Σ-Δ模数转换器（ADC）的调制器的输出。通过具有可调抽取长度的抽取滤波器来执行多个步骤。接收抽取长度值。还接收Σ-ΔADC的调制器的输出。利用接收到的抽取长度值来抽取所接收的Σ-ΔADC的调制器的输出。
根据以下参照附图对本发明做出的详细描述，本发明的其他特征、方面和优势将变得显而易见。
附图说明
所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方式，并与本描述一起用来解释本发明的原理。将容易理解本发明的其他实施方式和许多预期优势，因为参照以下详细描述，它们会变得更好理解。
图1示出了说明范围的示例性转换的示意图；
图2示例性示出了根据本发明实施方式的系统的简化示意图；
图3示出了根据本发明实施方式的示例性方法；以及
图4示出了根据本发明另一实施方式的示例性方法。
具体实施方式
在以下具体描述中，参照构成其一部分的附图，且在附图中以说明本发明可被实践的具体实施方式的方法来示出。应理解，其他实施方式也可被使用，且可在不偏离本发明的范围的情况下做出结构上或其他的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，且本发明的范围由所附权利要求限定。
在许多应用中，诸如在锂离子电池管理集成电路中，例如，需要高精度电压测量，这要求极小的绝对误差（例如，<1.5mV）。
这些电压测量可利用Σ-Δ模数转换器（ADC）来实施。Σ-ΔADC输出具有与输入信号的平均值相对应的平均值（即“脉冲密度”或者预定总位数内的对应于由Σ-ΔADC测量的电压值的值“1”的数量）的比特流。
Σ-ΔADC的输出范围（ADC固有范围（native ADC range））由一个或两个基准电压限定，然而，该基准电压不是固定的，而是随温度或其他物理变量而变化。因此，当利用Σ-ΔADC测量电压时，要测量的电压的范围（校正结果范围）必须小于最小（“最坏情况”）的ADC固有范围。
对于固有范围到校正结果范围的转换，输出值被缩放且必要时被偏移校正。由于不同（例如，随温度而变化）的基准电压，可期望转换自适应地可调节，使得转换可连续适用于不同的基准电压。否则，例如，针对基准的温度稳定性要求将非常高，或者甚至根据所要求的测量精度不可行。
图1示出了说明范围的示例性转换的示意图。ADC固有范围是Σ-ΔADC的输出范围且从下限“NRL”延伸至上线“NRH”，该ADC固有范围具有2L×a位的分辨率。变量L为测量结果的位宽，且该变量为待确定的数值（见下文）。分别从下限“CRL”延伸至上限“CRH”的校正结果范围或预定结果范围具有2L位的分辨率。
图1的曲线图的Y坐标示出了脉冲密度“Xin”。Xin为包括在由Σ-ΔADC输出的数字电压值内的“1”的数量除以由Σ-ΔADC输出的数字电压值的总位数。因此，Xin可达到ADC固有范围内的从0到1的值（0≤Xin≤1）。然而，Xin不会达到校正结果范围内的极值0和1，该校正结果范围包括所有可能的电压测量值，具体也包括满刻度值。因此，需要从ADC固有范围到校正结果范围的转换。通过转换获得的结果也在图1中示出。在重新缩放和偏移校正之后，Xin也达到校正结果范围边界处的极值0和1。
在传统方法中，缩放脉冲密度Xin以通过使微控制器执行用于缩放的浮点运算来实施从固有范围到校正结果范围的转换。
根据本发明的实施方式，抽取滤波器被用于缩放Σ-ΔADC测量结果。更精确地，调整抽取器的抽取长度以缩放Σ-ΔADC测量结果。因此，代替如传统方法中所进行的直接缩放脉冲密度Xin，根据本发明的实施方式，在其上累加脉冲密度Xin的抽取长度被调整为缩放Σ-ΔADC测量结果。
例如，若最终结果R应具有分别对应于从0到2L-1的数值范围和2L的分辨率的位宽L，则可利用ADC固有范围（NRH-NRL）的长度与校正结果范围（CRH-CRL）的长度的商来调整抽取长度N：
（1）a=(NRH-NRL)/(CRH-CRL)
（2）N=2L×a
抽取的结果S在公式（3）中给出：
（3）S=Xin×N=Xin×2L×a
应理解，由于抽取长度的微小变化仅引起测量结果的微小变化，所以抽取长度的连续调整不是关键性的。例如，抽取长度+/-1的变化至多仅使测量结果改变+/-1的最低有效位（LSB），这可从公式（3a）中得出：
（3a）dS/DN=Xin≤1
因此，测量的重现性、微分非线性（DNL）和精度未受损。
必要时，可另外通过从抽取结果S中减去偏移校正值K来进行偏移校正，其中，偏移校正值K由公式（4）给出：
（4）K=[(CRL-NRL)/(NRH-NRL)]×N
=[(CRL-NRL)/(NRH-NRL)]×[(NRH-NRL)/(CRH-CRL)]×2L
=[(CRL-NRL)/(CRH-CRL)]×2L
作为偏移校正抽取结果S的最终结果R由公式（5）给出：
（5）R=S–K
=2L×[Xin×a-(CRL-NRL)/(CRH-CRL)]
图2示例性示出了根据本发明实施方式的系统的简化示意图。该系统包括Σ-ΔADC调制器12、抽取滤波器14、减法器16、第一插值器18和第二插值器19。
Σ-ΔADC调制器12接收模拟电压信号Vin和一个或两个电压基准（在该实施方式中随温度而变化），并输出指定包括在预定位数中的“1”的“密度”（即，“1”的数量与总位数的商）的脉冲密度Xin。
抽取滤波器14接收由Σ-ΔADC调制器12输出的脉冲密度Xin和指定抽取滤波器14的抽取长度的值N，在抽取长度N内对所接收的脉冲密度Xin求和，并向减法器16输出抽取结果S。减法器16从所接收的抽取结果减去偏移校正值K并输出最终结果R。
在本发明的这种实施方式中，抽取滤波器14被用于缩放由Σ-ΔADC调制器12输出的原始数据，或者更准确地，为抽取滤波器14选择适当抽取长度N以缩放Σ-ΔADC调制器12的输出。可利用上述公式（1）和（2）来计算适当抽取长度N。
根据本发明的优选实施方式，抽取长度N可自适应调整。由于确定ADC固有范围的一个或两个基准电压随温度变化，所以有利地，抽取长度作为温度的函数（N=N(T)）来计算。例如，这可通过利用两个校准温度T1和T2来实现，其中，第一抽取长度N1=N(T1)和第二抽取长度N2=N(T2)利用公式（1）和（2）来计算。随后，在当前温度T下的抽取长度N(T)可通过插值和/或外推法（在该实例中具体为线性插值）来计算。
然而，本发明不限于使用线性插值，而是例如，也可使用二次插值或多项式插值和/或线性/二次/多项式外推法。应理解，也可使用多于两个（例如，3或5个）的校准温度，并可为多于两个的校准温度计算多于两个（例如，3或5个）的抽取长度，从而为插值和/或外推法获得多于两个的数据点。
在该实例中，执行了基于两个数据点（T1/N1）和（T2/N2）的线性插值。随后，在当前温度T下的抽取长度N=N(T)可利用公式（6）来计算：
（6）N(T)=N1+[(N2-N1)/(T2-T1)]×(T-T1)
在图2所示的实施方式中，第一插值器18接收当前温度T、两个校准温度T1和T2以及相应的抽取长度N1和N2。基于两个数据点（T1/N1）和（T2/N2），插值器18根据公式（6）来执行线性插值。
根据本发明的另一优选实施方式，必要时，抽取结果另外可被偏移校正。偏移校正值K可利用公式（4）计算。减法器16接收抽取结果S和偏移校正值K，并根据公式（5）通过从抽取结果S中减去偏移校正值K来确定最终结果R（即，偏移校正的抽取结果）。
根据本发明的另一优选实施方式，偏移校正值K也可被自适应调整。在该实例中，由于确定ADC固有范围的一个或两个基准电压随温度而变化，所以有利地，偏移校正值K作为温度的函数（K=K(T)）来计算。例如，这可通过利用两个校准温度T1和T2来实现，其中，第一偏移校正值K1=K(T1)和第二偏移校正值K2=K(T2)利用公式（4）来计算。随后，在当前温度T下的偏移校正值K(T)可通过插值和/或外推法（在该实例中具体为线性插值）来计算。
然而，本发明不限于使用线性插值，而是例如，也可使用二次插值或多项式插值和/或线性/二次/多项式外推法。应理解，也可使用多于两个（例如，3或5个）的校准温度，且可为多于两个的校准温度计算多于两个的（例如，3或5个）的偏移校正值，从而为插值和/或外推法获得多于两个的数据点。
在该实例中，执行了基于两个数据点（T1/K1）和（T2/K2）的线性插值。随后，在当前温度T下的偏移校正值K=K(T)可利用公式（7）计算：
（7）K(T)=K1+[(K2-K1)/(T2-T1)]×(T-T1)
在图2所示的实施方式中，第二插值器19接收当前温度T和两个校准温度T1和T2以及相应的偏移校正值K1和K2。基于两个数据点（T1/K1）和（T2/K2），插值器18根据公式（7）执行线性插值。
因此，根据本发明的优选实施方式，引起Σ-ΔADC的基准电压的变化的温度变化可方便地利用一个或多个简单插值器来补偿。相比之下，用于温度补偿的传统解决方案使用模拟电路，然而，该模拟电路需要大芯片面积且不会为进一步的调节提供灵活性。此外，当使用用于温度补偿的模拟电路时，非常难以预测机械应力对基准（其为Σ-ΔADC提供基准电压）的影响。
本发明的实施方式也有利地允许在生产各芯片时执行对随温度缩放的校准，然而，当使用用于缩放的微控制器时，对随温度缩放的校准仅可在系统级上执行。
图3示出了根据本发明实施方式的示例性方法。用于缩放Σ-ΔADC的调制器的输出的方法由具有可调抽取长度的抽取滤波器来实施，其中，该方法包括以下步骤：接收抽取长度值（步骤302）；接收Σ-ΔADC的调制器的输出（步骤304）；利用接收到的抽取长度值来抽取所接收的Σ-ΔADC的调制器的输出（步骤306）。
图4示出了根据本发明另一实施方式的示例性方法。用于补偿Σ-ΔADC中的基准电压随温度的变化的方法包括以下步骤：接收Σ-ΔADC的调制器的输出（步骤402）；通过在各自均对应于不同温度的至少两个存储的抽取长度值之间进行插值来确定作为温度的函数的抽取长度值（步骤404）；利用确定的抽取长度值来抽取接收到的Σ-ΔADC的调制器的输出（步骤406）；通过在各自均对应于不同温度的至少两个存储的偏移校正值之间进行插值来确定作为温度的函数的偏移校正值（步骤408）；以及从抽取的Σ-ΔADC的调制器输出减去偏移校正值（步骤410）。
尽管本文已示出并描述了具体实施方式，但本领域普通技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可用各种替代和/或等价实施来代替所示出并描述的具体实施方式。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方式的任何修改或变更。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等价物来限定。

Claims (25)

1.一种用于缩放Σ-Δ模数转换器（ADC）的调制器的输出的系统，所述系统包括：
抽取滤波器，具有可由作为向所述抽取滤波器的输入而接收的抽取长度值来调节的抽取长度，
其中，所述抽取滤波器被配置为接收所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出，并利用所接收的抽取长度值来抽取所接收的所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述抽取长度值与所述Σ-Δ模数转换器的输出范围的长度和预定结果范围的长度的商成比例，所述Σ-Δ模数转换器的所述输出范围被缩放为所述预定结果范围。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述抽取长度值对应于所述预定结果范围的分辨率与所述Σ-Δ模数转换器的所述输出范围的长度和所述预定结果范围的长度的商的乘积。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述Σ-Δ模数转换器的输出范围由基准电压限定，且通过调节输入到所述抽取滤波器的所述抽取长度值，所述抽取滤波器的所述抽取长度被连续调节以适应所述基准电压的变化。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述基准电压随温度变化，且所述抽取长度值被连续确定为温度的函数。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括第一插值器，被配置为在对应于不同温度的至少两个存储的抽取长度值之间进行插值，以确定针对任意温度的抽取长度值。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括减法器，被配置为：
接收偏移校正值和所述抽取滤波器的输出；以及
从所接收的所述抽取滤波器的所述输出中减去所述偏移校正值。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述Σ-Δ模数转换器的输出范围由基准电压限定，且所述基准电压随温度变化，以及所述偏移校正值被连续确定为温度的函数。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括第二插值器，被配置为：
在对应于不同温度的至少两个存储的偏移校正值之间进行插值，以确定针对任意温度的偏移校正值。
10.一种用于缩放Σ-Δ模数转换器（ADC）的调制器的输出的方法，所述方法包括：
接收被添加至具有可调抽取链路的抽取滤波器的抽取长度值；
在所述抽取滤波器处接收所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出；以及
由所述抽取滤波器利用所接收的抽取长度值来抽取所接收的所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述抽取长度值，使得所述Σ-Δ模数转换器的输出范围被缩放为预定结果范围。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所述Σ-Δ模数转换器的所述输出范围的长度与所述预定结果范围的长度的商来确定所述抽取长度值。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述抽取长度值与所述Σ-Δ模数转换器的输出范围的长度和预定结果范围的长度的商成比例。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述抽取长度值对应于所述预定结果范围的分辨率与所述Σ-Δ模数转换器的所述输出范围的长度和所述预定结果范围的长度的商的乘积。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述Σ-Δ模数转换器的输出范围通过由至少一个基准提供的至少一个基准电压来限定，且通过调节输入到所述抽取滤波器的所述抽取长度值，所述抽取滤波器的抽取长度被调节以适应所述基准电压的变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述基准电压随温度变化，且所述抽取长度值被连续确定为温度的函数。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
确定对应于第一温度的第一抽取长度值；
确定对应于第二温度的第二抽取长度值；以及
通过在所述第一抽取长度值与所述第二抽取长度值之间进行线性插值来确定对应于任意温度的抽取长度值。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述基准电压随温度变化，且所述方法还包括：
通过在各自对应于不同温度的至少两个存储的抽取长度值之间进行插值来确定作为温度的函数的所述抽取长度值。
19.根据权利要求10所述的方法，还包括：
接收偏移校正值；以及
从所抽取的所述Σ-Δ模数转换器的调制器输出中减去所述偏移校正值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述Σ-Δ模数转换器的输出范围由至少一个基准电压限定，且所述基准电压随温度变化，以及所述偏移校正值被连续确定为温度的函数。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
确定对应于第一温度的第一偏移校正值；
确定对应于第二温度的第二偏移校正值；以及
通过在所述第一偏移校正值与所述第二偏移校正值之间进行线性插值来确定对应于任意温度的偏移校正值。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述Σ-Δ模数转换器的输出范围由至少一个基准电压限定，且所述基准电压随温度变化，以及所述方法还包括：
通过在各自对应于不同温度的至少两个存储的偏移校正值之间进行插值来确定作为温度的函数的所述偏移校正值。
23.一种用于补偿Σ-Δ模数转换器（ADC）中的基准电压随温度的变化的方法，所述方法包括：
接收所述Σ-Δ模数转换器的调制器的输出；
通过在多个存储的抽取长度值之间进行插值来确定作为温度的函数的抽取长度值，每个存储的抽取长度值对应于不同温度；
利用所确定的抽取长度值来抽取所接收的所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出；
通过在多个存储的偏移校正值之间进行插值来确定作为温度的函数的偏移校正值，每个存储的偏移校正值对应于不同温度；以及
从所抽取的所述Σ-Δ模数转换器的调制器输出中减去所述偏移校正值。
24.一种用于补偿Σ-Δ模数转换器（ADC）中的至少一个基准电压随温度的变化的系统，所述系统包括：
第一插值器，用于通过在各自对应于不同温度的至少两个存储的抽取长度值之间进行插值来确定作为温度的函数的抽取长度值；以及
抽取滤波器，被配置为接收所述Σ-Δ模数转换器的调制器的输出和所述抽取长度值，并利用所接收的抽取长度值来抽取所接收的所述调制器的输出。
25.一种用于补偿Σ-Δ模数转换器（ADC）中的基准电压随温度的变化的系统，所述系统包括：
用于接收所述Σ-Δ模数转换器的调制器的输出的装置；
用于通过在各自对应于不同温度的至少两个存储的抽取长度值之间进行插值来确定作为温度的函数的抽取长度值的装置；
用于利用所确定的抽取长度值来抽取所接收的所述Σ-Δ模数转换器的所述调制器的所述输出的装置；
用于通过在各自对应于不同温度的至少两个存储的偏移校正值之间进行插值来确定作为温度的函数的偏移校正值的装置；以及
用于从所抽取的所述Σ-Δ模数转换器的调制器输出中减去所述偏移校正值的装置。
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