CN104883190B - 一种包含自适应增量调制的高精度模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模数转换器，包括：模拟加法器，将模拟输入信号和反馈信号相减得到误差信号；积分器，与模拟加法器相连，对误差信号积分得到积分信号；比较器，将误差信号和积分信号的和与零电平进行比较得到比较信号；量化器，与比较器相连，将比较信号转化为一位二进制数字的量化信号；自适应增量转换器，与量化器相连，用于跟踪连续的多个量化信号以输出数字跟踪信号，所述被跟踪的连续的量化信号的个数大于或等于2，所述数字跟踪信号的位数大于或等于2；数模转换器，与自适应增量转换器和模拟加法器相连，将数字跟踪信号转化为模拟的反馈信号后输送至模拟加法器。其中积分器用于对量化噪声进行噪声整形，可以大大降低信号带宽内的量化噪声。

Description

一种包含自适应增量调制的高精度模数转换器

技术领域

本发明涉及模数转换器技术领域，特别涉及一种高精度的包含自适应增量调制的模数转换器。

背景技术

随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是各种处理器的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。处理器只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量。而自然界中的变量往往是连续变化的模拟量，例如力，位移，速度等。这些模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往处理器进行处理，这就需要模拟数字转换器，即模数转换器（ADC）。模数转换器具有非常重要的地位，对其性能，功耗和成本的优化是几十年来模数转换器的改进方向。

根据采样频率的不同，模数转换器可以分为两类：奈奎斯特采样模数转换器和过采样模数转换器。奈奎斯特采样模数转换器的采样频率等于两倍信号带宽，采样频率低，但其精度非常依赖于抗混叠滤波器阻容元件的精度，制造成本高。过采样模数转换器的采样频率远高于信号带宽，只需要简单的抗混叠滤波器，制造成本低，性能好，被广泛采用。增量调制器和sigma delta模数转换器是过采样模数转换器的典型代表。

增量调制器最早发明于20世纪40年代，用于对语音信号进行模数转换，编码和解码。后来受限于二阶模拟跟随环路的稳定性问题，后面的发展主要局限于数字调制器领域。1970年Greefkes和Riemens发明了连续可变斜率增量调制CVSD，用于对数字语音信号进行调制压缩。而在模拟调制领域，sigma delta模数转换器克服了增量调制器高阶不稳定的问题，成为高性能ADC的主力。然而sigma delta模数转换器主要由模拟积分器构成，而且高性能的sigma delta模数转换器一般要进行高阶的噪声整形，即需要多个模拟积分器。由于模拟电路相对于数字电路结构复杂，设计难度大，功耗高，逐渐限制了sigma delta模数转换器的应用。

用易于设计的数字模块尽可能的替代复杂的模拟模块，是高精度模数转换器的一个发展方向。因此，如何充分发挥增量调制器的潜质并将其更好地应用于模数转换器中，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于充分发挥增量调制器的优势，用易于设计的数字模块尽可能的替代复杂的模拟模块，提供一种高精度的包含自适应增量调制的模数转换器。

为达上述目的，本发明提出了一种包含自适应增量调制的模数转换器，包括：

模拟加法器，用于对模拟输入信号和反馈信号执行减法操作，以得到误差信号；

积分器，与所述模拟加法器的输出端相连，用于对所述误差信号进行积分运算，得到积分信号；

比较器，与所述模拟加法器及所述积分器均相连，用于将所述误差信号和所述积分信号的和与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号和所述积分信号的和大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号和所述积分信号的和小于零，则所述比较信号为低电平；

量化器，与所述比较器的输出端相连，将所述比较信号转化为量化信号，所述量化信号为一位二进制数字信号；

自适应增量转换器，与所述量化器的输出端相连，用于跟踪连续的多个量化信号，并通过判断不同的量化信号输出不同的数字跟踪信号；所述被跟踪的连续的量化信号的个数大于或等于2，所述数字跟踪信号的位数大于或等于2；

数模转换器，一端与所述自适应增量转换器的输出相连，另一端连接所述模拟加法器，用于将所述数字跟踪信号转化为模拟的反馈信号后输送至所述模拟加法器。

在另一实施例中，本发明还提出一种包含自适应增量调制的模数转换器，包括：

模拟加法器，用于对模拟输入信号和反馈信号执行减法操作，以得到误差信号；

第一积分器，与所述模拟加法器的输出端相连，用于对所述误差信号进行积分运算，得到一次积分信号；

第二积分器，与所述第一积分器的输出端相连，用于对所述一次积分信号再进行积分运算，得到二次积分信号；

比较器，与所述模拟加法器、所述第一积分器及所述第二积分器的输出端均相连，用于将所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和小于零，则所述比较信号为低电平；

量化器，与所述比较器的输出端相连，将所述比较信号转化为量化信号，所述量化信号为一位二进制数字信号；

自适应增量转换器，与所述量化器的输出端相连，用于跟踪连续的多个量化信号，并通过判断不同的量化信号输出不同的数字跟踪信号；所述被跟踪的连续的量化信号的个数大于或等于2，所述数字跟踪信号的位数大于或等于2；

数模转换器，一端与所述自适应增量转换器的输出相连，另一端连接所述模拟加法器，用于将所述数字跟踪信号转化为模拟的反馈信号后输送至所述模拟加法器。

另外，本发明还提出一种与上述模数转换器相对应的自适应增量调制方法，包括以下步骤：

S1：对包含一位数值的量化信号进行判断，根据不同的判断结果输出对应的增量值；

S2：判断所述增量值是否满足第一条件，若满足，则所述增量值的极性为正；反之则所述增量值的极性为负；

S3：对确定极性的增量值进行运算，得到包含多位数值的数字跟踪信号。

根据本发明提出的自适应增量调制方法，所述步骤S1中对量化信号进行判断的步骤包括：

S11：判断量化信号是否符合第一标准，若不符合，输出最小增量值；

S12：若量化信号符合第一标准，继续判断所述量化信号是否符合预先设定的其余多个标准，根据所述量化信号对应的不同标准，输出不同的量化值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器可以将模拟输入信号转换为1位数字输出信号或者多位数字输出信号；该模数转换器中主要有加法器，比较器，积分器和数模转换器四个简单的模拟电路模块，其他电路功能都由数字电路实现，有利于降低设计复杂度，缩小电路面积，降低芯片成本；积分器对自适应增量量化的量化噪声进行噪声整形，可以大大降低信号带宽内的量化噪声，提高模数转换的精度；本发明的设计复杂度低，分辨率高，在低成本，高性能设计中有明显优势。

附图说明

图1为公知的增量调制器的系统原理图；

图2为现有技术1中的自适应增量调制器的电路结构图；

图3为现有技术2中的自适应增量调制器的电路结构图；

图4为本发明的模数转换器的第一实施例的电路结构图；

图5为本发明的模数转换器的第二实施例的电路结构图；

图6为本发明的自适应增量转换器的算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为公知的增量调制器系统原理图。该系统由模拟加法器102,采样保持电路103，量化器104及反馈电路105组成。模拟加法器102用于对模拟输入信号101及反馈信号106执行减法操作,以产生误差信号107。如果误差信号107大于零，即输入信号101大于反馈信号106，则量化器104的输出109为“1”，否则输出为“0”。反馈电路105的传输函数为H（s），根据量化器104的输出信号生成模拟的反馈信号106，跟踪输入信号101的变化。量化器104的输出信号就是增量调制器的数字输出信号，解码时该输出信号经过同样的H（s）变换后就可以得到调制之前的信号。

反馈电路105的一个简单实现是积分器，此时反馈信号106有固定的变化量，因此这种调制器叫线性增量调制器LDM。线性增量调制器是增量调制器的典型代表之一，其结构简单，但是在高速和高幅度信号转换时精度不高，使用受限。相比较之下自适应增量调制器则更具优势。自适应增量调制器根据最近的一组量化器输出信号来动态调整数模转换器的输入信号，使得反馈信号即数模转换器的输出能够跟随输入信号的变化。自适应增量调制器在输入信号变化较小的时候以很小的步长变化，在输入信号变化较大的时候以较大的步长变化，既保证了小信号时的高精度又不影响大信号时的精度。

图2为现有技术1（美国专利US6,452,522）中的自适应增量调制器的电路结构图。如图2所示，该自适应增量调制器包含模拟数字转换器2，电平控制电路4和漂移补偿逻辑电路6。模拟输入信号8与反馈信号即电容26上的电压加到比较器28上进行比较，产生量化信号18。电平控制电路4对量化信号18进行逻辑操作，产生控制信号10，控制信号10包含一个标记位和一个控制字段（包括C个控制位）组成，控制电流源阵列22和电流漏阵列24对电容26进行充放电，将数字输出信号18转变为模拟反馈信号。在电平控制电路4中，通过比较最近的两个输出来调整步长；若两个输出一致，则变化的步长增大，否则步长减小。这就是自适应增量调制ADM。

然而，现有技术1中的电流源和电流漏对电路匹配要求较高，还需要漂移补偿逻辑等，导致系统中模拟模块多，结构复杂。这与目前用数字模块尽可能的替代模拟模块的发展方向不符。

图3为一种改进的自适应增量调制器的结构。该增量调制器由模拟加法器202,比较器203，量化器204,自适应增量转换器205和数模转换器（DAC）206组成。模拟加法器202用于对模拟输入信号201及反馈信号211执行减法操作,以产生误差信号207;比较器203对误差信号207和零进行比较，如果误差信号207大于零，即输入信号201大于反馈信号211，则量化器204的输出209为“1”，否则输出为“0”，量化器204的输出为1位的二进制数。自适应增量转换器205根据量化器最近的一组1位二进制输出信号209生成N位数字跟踪信号210。N位数模转换器206将N位数字跟踪信号210转换为模拟跟踪信号211.环路稳定后，数模转换器206的输出211能够跟踪模拟输入信号201的变化。

对于现有技术2来说，自适应增量调制的量化噪声是噪声的主要来源。由于自适应增量调制的量化噪声不是白噪声，其具有随频率的升高和输入信号幅度的增大而增大的特性。当输入信号幅度较大或者频率较高时，由于自适应增量调制器不能很好地跟踪输入信号的变化而产生较大的量化噪声，导致噪声本底升高，信号谐波增大，从而限制了该模数转换器的信噪比和线性度。

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明特提出了一种包含自适应增量调制的模数转换器，如图4所示。本发明用于接收模拟输入信号301以产生自适应增量调制的1位数字输出信号311或者多位数字输出信号312。本发明的模数转换器由模拟加法器302、积分器303、比较器304、量化器305、自适应增量转换器306和数模转换器（DAC）307组成。模拟加法器302用于对模拟输入信号301及反馈信号313执行减法操作，以产生误差信号308。积分器303对误差信号308进行积分，积分的结果309与误差信号308的和通过比较器304和零进行比较，如果积分结果309和误差信号308的和大于零，则量化器305的输出311为“1”，否则输出为“0”。量化器305的输出为自适应增量调制的1位二进制数，自适应增量转换器306根据量化器305最近的一组1位二进制输出信号311生成N位数字跟踪信号312。N位数模转换器307将N位数字跟踪信号312转换为模拟跟踪信号313。环路稳定后，数模转换器307的输出313能够跟踪模拟输入信号301的变化。实施时，在自适应增量转换器306中对数字输出信号312进行取反，再通过数模转换器（DAC）307后就可以得到与模拟输入相反相位的信号313，这样模拟加法器就可以用简单的加法操作来实现实际的减法操作。

本发明的上述组成部件中，只有模拟加法器302、积分器303、比较器304和数模转换器（DAC）307为模拟电路，其余均为数字电路，可有效减少芯片面积。且这些模拟电路结构简单，功耗低，可以降低芯片设计的复杂度，同时降低功耗。

本发明中的自适应增量转换器306在输入信号301变化较小的时候以很小的步长变化，在输入信号301变化较大的时候以较大的步长变化，既保证了小信号时的高精度又不影响大信号时的精度。该模数转换器的输出可以取量化器305的1位二进制输出信号311，也可以取N位数字信号312。当取量化器305的1位二进制输出信号311作为模数转换器的输出信号时，解码端还需要同样的自适应增量转换器306来进行解码。

如前所述，现有技术2中包含自适应增量调制的模数转换器的量化噪声不是白噪声，与输入信号301的频率和幅度相关。输入信号301的频率越高，幅度越大，量化噪声越大。本发明中积分器303的作用就是对量化噪声进行噪声整形。引入积分器303，信号的传递函数不变，但是量化噪声经过了一个高通滤波器。量化噪声在低频时能量密度低，在高频时能量密度高，这就是噪声整形。高通滤波器的带宽由积分器带宽决定。一般地，积分器带宽远远大于信号带宽，在较高的过采样率时，落入信号带宽内的量化噪声就会被抑制从而获得更低的噪声。理论上，积分器带宽越宽，对量化噪声的抑制比越高，但是受环路稳定性的限制，积分器带宽也要合理选取。

本发明还可通过提高积分器的阶数对自适应增量调制的量化噪声进行高阶整形，像高阶的sigma delta模数转换器一样，阶数越高，噪声整形效果越好，可实现的分辨率越高，但同时环路的稳定性也越差，需要合理取舍。如附图5中的实施例二所示。

在附图5中，本发明的模数转换器由模拟加法器302、第一积分器303、第二积分器314、比较器304、量化器305、自适应增量转换器306和数模转换器（DAC）307组成。模拟加法器302用于对模拟输入信号301及反馈信号313执行减法操作,以产生误差信号308;第一积分器303对误差信号308进行积分，积分的结果309再经过第二积分器314进行第二次次积分，二次积分的结果与误差信号308，一次积分的结果309这三项的和通过比较器304与零进行比较，如果这三项的和大于零，则量化器305的输出311为“1”，否则输出为“0”，量化器305的输出为自适应增量调制的1位二进制数。自适应增量转换器306根据量化器305最近的一组1位二进制输出信号311生成N位数字跟踪信号312。N位数模转换器307将N位数字跟踪信号312转换为模拟跟踪信号313.环路稳定后，数模转换器307的输出313能够跟踪模拟输入信号301的变化。自适应增量转换器306在输入信号301变化较小的时候以很小的步长变化，在输入信号301变化较大的时候以较大的步长变化，既保证了小信号时的高精度又不影响大信号时的精度。本发明的模数转换器的输出可以取量化器305的1位二进制输出信号311，也可以取N位数字信号312。当取量化器305的1位二进制输出信号311作为模数转换器的输出信号时，解码端还需要同样的自适应增量调制来进行解码。两阶积分器对自适应增量调制的量化噪声进行二阶整形，可以得到比一阶整形更好的信噪比。

另外针对上述提到的自适应增量转换器306，本发明还提出了一种自适应增量转换算法，如图6所示。首先自适应增量转换器对1位量化器305的输出311进行一定标准的判断。若没有达到某个标准，则选择最小增量；若达到此标准，则再对此标准进行细分，根据标准的不同选择不同的增量。之后，对增量的极性进行判断，符合一定条件增量为正，否则为负。最后将带有极性的增量进行某种运算，得到多位数字跟踪信号312。

综上所述，本发明具有以下优点：

本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器可以将模拟输入信号转换为1位数字输出信号或者多位数字输出信号；该模数转换器中主要有加法器，比较器，积分器和数模转换器四个简单的模拟电路模块，其他电路功能都由数字电路实现，有利于降低设计复杂度，缩小电路面积，降低芯片成本；积分器对自适应增量的量化噪声进行噪声整形，可以大大降低信号带宽内的量化噪声；本发明的设计复杂度低，分辨率高，在低成本，高性能设计中有明显优势。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种包含自适应增量调制的高精度模数转换器，其特征在于，包括：

模拟加法器，用于对模拟输入信号和反馈信号执行减法操作，以得到误差信号；

积分器，与所述模拟加法器的输出端相连，用于对所述误差信号进行积分运算，得到积分信号；

比较器，与所述模拟加法器及所述积分器均相连，用于将所述误差信号和所述积分信号的和与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号和所述积分信号的和大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号和所述积分信号的和小于零，则所述比较信号为低电平；

量化器，与所述比较器的输出端相连，将所述比较信号转化为量化信号，所述量化信号为一位二进制数字信号；

自适应增量转换器，与所述量化器的输出端相连，用于跟踪连续的多个量化信号，并通过判断不同的量化信号输出不同的数字跟踪信号；被跟踪的连续的量化信号的个数大于或等于2，所述数字跟踪信号的位数大于或等于2；

数模转换器，一端与所述自适应增量转换器的输出相连，另一端连接所述模拟加法器，用于将所述数字跟踪信号转化为模拟的反馈信号后输送至所述模拟加法器。

2.一种包含自适应增量调制的高精度模数转换器，其特征在于，包括：

模拟加法器，用于对模拟输入信号和反馈信号执行减法操作，以得到误差信号；

第一积分器，与所述模拟加法器的输出端相连，用于对所述误差信号进行积分运算，得到一次积分信号；

第二积分器，与所述第一积分器的输出端相连，用于对所述一次积分信号再进行积分运算，得到二次积分信号；

比较器，与所述模拟加法器、所述第一积分器及所述第二积分器的输出端均相连，用于将所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号、所述一次积分信号和所述二次积分信号的和小于零，则所述比较信号为低电平；

量化器，与所述比较器的输出端相连，将所述比较信号转化为量化信号，所述量化信号为一位二进制数字信号；

自适应增量转换器，与所述量化器的输出端相连，用于跟踪连续的多个量化信号，并通过判断不同的量化信号输出不同的数字跟踪信号；被跟踪的连续的量化信号的个数大于或等于2，所述数字跟踪信号的位数大于或等于2；

数模转换器，一端与所述自适应增量转换器的输出相连，另一端连接所述模拟加法器，用于将所述数字跟踪信号转化为模拟的反馈信号后输送至所述模拟加法器。

3.一种自适应增量调制方法，该方法应用于权利要求1或2所述的包含自适应增量调制的高精度模数转换器中，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对包含一位数值的量化信号进行判断，根据不同的判断结果输出对应的增量值；

S2：判断所述增量值是否满足第一条件，若满足，则所述增量值的极性为正；反之则所述增量值的极性为负；

S3：对确定极性的增量值进行运算，得到包含多位数值的数字跟踪信号。

4.根据权利要求3所述的自适应增量调制方法，其特征在于，所述步骤S1中对量化信号进行判断的步骤包括：

S11：判断量化信号是否符合第一标准，若不符合，输出最小增量值；

S12：若量化信号符合第一标准，继续判断所述量化信号是否符合预先设定的其余多个标准，根据所述量化信号对应的不同标准，输出不同的量化值。