CN104883191A - 一种包含自适应增量调制的模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开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；比较器，将所述误差信号与零电平进行比较，输出一比较信号；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，通过跟踪连续的多个量化信号以生成数字跟踪信号，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。

Description

一种包含自适应增量调制的模数转换器

技术领域

本发明涉及模数转换器技术领域，特别涉及一种成本低、性能好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，几十年来对模数转换器的改进一直是信号处理领域的重点。

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，成为低成本、高性能ADC的主力。

然而消费电子继续推动模数转换器向低成本，低功耗，高性能发展。sigma delta模数转换器主要由模拟积分器构成。由于模拟电路相对于数字电路结构复杂，功耗高，逐渐限制了sigma delta模数转换器的应用。

用数字模块尽可能的替代模拟模块，是一个发展方向。因此，如何充分发挥增量调制器的潜质，开发出一种包含增量调制的模数转换器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，提供一种成本低廉、性能良好的包含增量调制的模数转换器。

为达上述目的，本发明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；

比较器，将所述误差信号与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号小于零，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，通过跟踪连续的多个量化信号以生成数字跟踪信号，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。

根据本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器，所述反馈信号和所述模拟输入信号的相位相反，所述模拟加法器通过对所述模拟输入信号和所述反馈信号直接相加以得到减法的效果。

根据本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器，所述数模转换器为R2R梯形电阻网络组成的数模转换器，其输出阻抗与所述模拟输入信号的输入阻抗相等。

根据本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器，所述数模转换器为带缓冲驱动的电阻串数模转换器或者电流数模转换器。

根据本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器，所述自适应增量转换器包括相同检测模块、增量生成模块与跟踪信号生成模块；所述相同检测模块用以检测多个连续的量化信号是否为相同的信号，如果相同，输出为高电平，如果不同则输出为低电平；所述增量生成模块与所述相同检测模块的输出端相连，根据所述相同检测模块的不同输出信号累加不同的增量值；所述跟踪信号生成模块与所述增量生成模块的输出端相连，对所述增量生成模块的输出信号进行极性判断和积分，最终得到所述数字跟踪信号。

根据本发明提出的包含自适应增量调制的模数转换器，所述自适应增量转换器包括多个延时单元、多个非门、多个与门以及一个或门，所述延时单元用于实现量化信号的延时以输出等待信号；所述非门用于对量化信号或等待信号进行取反以输出量化取反信号或等待取反信号；所述与门用以实现量化信号和等待信号之间的与运算，或者实现量化取反信号与等待取反信号之间的与运算；所述或门用于实现所述多个与门的输出之间的或运算。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所提出的包含自适应增量调制（ADM）的模数转换器（ADC），可以将模拟输入信号转换为一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比较器和数模转换器两个模拟电路模块，其他电路功能都由数字电路实现。设计复杂度低，功耗也比可比拟性能的其他模数转换器小，在低成本、低功耗、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中的增量调制器的电路结构图；

图4为本发明的模数转换器的电路结构图；

图5为本发明中数模转换器和加法器的电路结构图；

图6为本发明中自适应增量转换器的电路结构图。

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增量调制器以保证高性能的发展方向不符。

图3为现有技术2（美国专利US2011/0006937）中的增量调制器的电路结构图。如图3所示，该增量调制器由比较器228、D触发器230、量化器234、数字处理逻辑236、数模转换器252及低通滤波器260组成。该增量调制器包含了一个反馈回路，该回路保证Sigma delta数模转换器252的输出信号208跟踪输入信号204的变化。比较器228对输入信号和反馈信号进行比较，经过D触发器230，量化器234，对比较结果进行量化输出。若输入信号大于反馈信号，则量化器的输出232为D，否则输出为-D。数字处理逻辑236以量化器的输出作为输入，在环路中添加极点和零点，保证环路的稳定性，它的输出直接给到数模转换器。

尽管现有技术2的结构较为简洁，但却受限于低通滤波器260的特性。低通滤波器260的作用是抑制sigma delta数模转换器DAC252的量化噪声，因为DAC的量化噪声会直接进入该模数转换器系统成为输出噪声。若低通滤波器260对sigmadelta数模转换器DAC252的量化噪声抑制作用比较强，会使得群延时比较大，反馈信号不能跟随高频率输入信号的变化，引起环路不稳定。精细地设计低通滤波器260，可以同时得到较好的噪声特性和良好的电路稳定性，但同时也会占用较大的芯片面积和消耗更多的功耗。

鉴于上述两种现有技术存在的缺陷，本发明创造性地提出了一种包含自适应增量调制的模数转换器，其电路结构如图4所示。本发明的模数转换器包括模拟加法器302、比较器303、量化器304、自适应增量转换器305和数模转换器（DAC）306，用于接收模拟输入信号301以产生1位的数字输出信号309或者多位数字输出信号310。其中，模拟加法器302用于对模拟输入信号301及反馈信号311执行减法操作，以产生误差信号307；比较器303对误差信号307和零进行比较，如果误差信号307大于零，即输入信号301大于反馈信号311，则量化器304的输出309为“1”，否则输出为“0”；自适应增量转换器305根据量化器最近的一组1位量化信号309生成N位数字跟踪信号310；N位数模转换器306用于将N位数字跟踪信号310转换为模拟的反馈信号311。

通过本发明上述实施例中的电路结构，使得数模转换器306输出的反馈信号311能够跟踪模拟输入信号301的变化。自适应增量转换器305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，从而既保证了小信号时的高精度又不影响大信号时的精度。应用时，本发明的输出既可以取量化器304的1位二进制量化信号309，也可以取自适应增量调制后的N位数字跟踪信号310。当取量化器304的1位二进制量化信号309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305来进行解码。

本发明中对模拟输入信号301及反馈信号311执行减法操作的实现方式为，对自适应增量转换器305输出的数字跟踪信号310进行取反，再通过数模转换器（DAC）306的数模转换后便得到与模拟输入信号101相反相位的信号，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。附图5给出了本发明中数模转换器306和加法器302的一个具体实施方式。该数模转换器306采用N位的R2R梯形数模转换器，其就一般应用而言具有低噪声，高精度的优点。同时在本发明中，R2R梯形数模转换器具有恒定输出阻抗的特点也得到了利用，通过将模拟输入信号101的输入阻抗和R2R梯形数模转换器的输出阻抗进行相等匹配，就可以在307端得到模拟输入信号101和R2R梯形数模转换器输出311的求和信号。该结构以非常简洁的构成实现了数模转换和加法器的功能，且具有高精度，低噪声的优点。

可选的，数模转换器306还可以使用带缓冲驱动的电阻串数模转换器，或者使用电流数模转换器。数模转换器306输出的反馈信号311和模拟输入信号301可以通过直流或者交流的方式进行相加。与现有技术1相比，本发明中只有比较器303和数模转换器306两个模拟电路模块，其他电路功能都由数字电路实现，系统结构简洁，易于开发设计，功耗和面积都比较小。与现有技术2相比，本发明不需要精细设计的滤波器也能达到同样的转换精度，系统的群延时小，稳定性较好。

图6给出了本发明中自适应增量转换器305的一种具体实施方式。如图6所示，自适应增量转换器305由连续三位相同检测模块312、增量生成模块313及数字跟踪信号生成模块314组成。其中连续三位相同检测模块312用以检测三个连续的量化信号是否为相同的信号；增量生成模块313与连续三位相同检测模块312的输出端相连，根据连续三位相同检测模块312的不同输出信号累加不同的增量值；数字跟踪信号生成模块314与增量生成模块313的输出端相连，对增量生成模块313的输出信号进行极性判断和积分，最终得到数字跟踪信号310。

具体的，若量化器的输出309中有三个连续的“0”或者“1”出现时，连续三位相同检测模块312的输出321为“1”，最大增量单位ΔMax322和最小增量单位ΔMin325同时被累加到增量326中，否则只有最小增量单位ΔMin325被累加到增量326中。增量方向判断单元320判断量化输出309的极性，若309的输出为“1”，则增量为“正”，否则增量为“负”。积分器319对有极性增量327进行积分，即可得到数字跟踪信号310。

可选的，根据模拟输入信号带宽、幅度和采样频率等的变化，图6中的自适应增量转换器305也可以有相应的改变。例如连续三位相同检测模块312可以变成连续M（1≤M≤N）位相同检测模块或者分成K组，分别检测连续M位相同，连续M+1位相同直到连续M+K-1位相同，不同组的检测结果控制累加不同的增量。

综上所述，本发明所提出的包含自适应增量调制（ADM）的模数转换器（ADC），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比较器和数模转换器两个模拟电路模块，其他电路功能都由数字电路实现。设计复杂度低，功耗也比可比拟性能的其他模数转换器小，在低成本、低功耗、高性能的设计中有明显优势。

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 (6)

1.一种包含自适应增量调制的模数转换器，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；

比较器，将所述误差信号与零电平进行比较，输出一比较信号；当所述误差信号大于零，则所述比较信号为高电平；当所述误差信号小于零，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，通过跟踪连续的多个量化信号以生成数字跟踪信号，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。

2.根据权利要求1所述的包含自适应增量调制的模数转换器，其特征在于，所述反馈信号和所述模拟输入信号的相位相反，所述模拟加法器通过对所述模拟输入信号和所述反馈信号直接相加以得到减法的效果。

3.根据权利要求2所述的包含自适应增量调制的模数转换器，其特征在于，所述数模转换器为R2R梯形电阻网络组成的数模转换器，其输出阻抗与所述模拟输入信号的输入阻抗相等。

4.根据权利要求1所述的包含自适应增量调制的模数转换器，其特征在于，所述数模转换器为带缓冲驱动的电阻串数模转换器或者电流数模转换器。

5.根据权利要求1所述的包含自适应增量调制的模数转换器，其特征在于，所述自适应增量转换器包括相同检测模块、增量生成模块与跟踪信号生成模块；所述相同检测模块用以检测多个连续的量化信号是否为相同的信号，如果相同，输出为高电平，如果不同则输出为低电平；所述增量生成模块与所述相同检测模块的输出端相连，根据所述相同检测模块的不同输出信号累加不同的增量值；所述跟踪信号生成模块与所述增量生成模块的输出端相连，对所述增量生成模块的输出信号进行极性判断和积分，最终得到所述数字跟踪信号。

6.根据权利要求5所述的包含自适应增量调制的模数转换器，其特征在于，所述自适应增量转换器包括多个延时单元、多个非门、多个与门以及一个或门，所述延时单元用于实现量化信号的延时以输出等待信号；所述非门用于对量化信号或等待信号进行取反以输出量化取反信号或等待取反信号；所述与门用以实现量化信号和等待信号之间的与运算，或者实现量化取反信号与等待取反信号之间的与运算；所述或门用于实现所述多个与门的输出之间的或运算。