CN105811987B - 单积分型模数转换器及其转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单积分型模数转换器及其转换方法，所述模数转换器包括锯齿波发生器、负反馈电路和模数转换电路，所述模数转换电路由第一多路选择器、第一比较器、第一数字逻辑控制电路和第一计数器组成；所述转换方法包括：将待测电压的大小，转换为锯齿波由参考电压下降到待测电压的时间长短，进而转换成对应的计数值，最终计算出待测电压的电压值。本发明通过数字逻辑电路的控制，使转换过程中，比较器等中间器件的延时造成的误差被抵消，进而达到提高性能，降低成本的目的，同时通过数字电路的设计，使模拟电路的元器件参数对系统性能的影响降低，与传统的积分型模数转换器相比，更易调试，节省了开发成本，缩短了开发周期。

Description

单积分型模数转换器及其转换方法

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，尤其是一种单积分型模数转换器及其转换方法，属于模数转换技术领域。

背景技术

随着数字集成电路和嵌入式系统的发展，采用嵌入式系统、片上系统、可编程逻辑器件等以数字电路为核心的产品设计方案，已经成为电子类产品设计制造行业的首选和主流。这其中许多产品不可避免的需要应用模数转换技术。而由于数字电路抗干扰能力、可编程和低功耗的突出优势，越来越多的模拟系统采用数字电路进行控制，其中也需要应用模数转换技术。

目前电子行业内的模数转换器设计方案主要有：逐次逼近型、Σ-Δ调制型、并行比较型、积分型、压频变换型等等。而对快速消费电子和便携式电子产品的低成本、简单小巧和开发周期短的需求而言，双积分型模数转换器更加符合市场需求。

但双积分型模数转换器的缺点是转换速度慢。如果采用同等时钟速度的单积分型模数转换器则转化速度可以提升一倍，但性能容易受到积分电路中电子元件参数的影响，比较器也需要采用高速比较器以减小比较器输出电平反转的延时对性能的影响。

CN101964662B示出的“一种改进型单斜率串行模数转换器”改进了性能容易受到积分电路中电子元件参数的影响的缺点，但仍会受到比较器输出电平反转延时对性能的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种单积分型模数转换器，该模数转换器具有低成本、简单小巧、开发周期短的特点，同时解决了比较器速度和积分电路参数对性能的限制。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述单积分型模数转换器的转换方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

单积分型模数转换器，包括锯齿波发生器、负反馈电路和模数转换电路，所述模数转换电路由第一多路选择器、第一比较器、第一数字逻辑控制电路和第一计数器组成；

所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接负反馈电路的一个输入端和第一比较器的一个输入端；所述负反馈电路的输出端连接锯齿波发生器的斜率调节输入端；外部输入的参考电压分别连接负反馈电路的另一个输入端和第一多路选择器的一个输入端；外部输入的待测电压连接第一多路选择器的另一个输入端；所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的另一个输入端；所述第一比较器的输出端连接第一数字逻辑控制电路的输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接锯齿波发生器、负反馈电路、第一数字逻辑控制电路和第一计数器的清零端；所述第一数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第一多路选择器的选择信号输入端和第一计数器的使能信号输入端；所述第一计数器的输出端连接到系统输出端。

进一步的，所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接第一比较器的反相输入端，所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的正相输入端。

进一步的，所述负反馈电路的负反馈控制方式为PWM脉冲宽度调制。

进一步的，所述负反馈电路由第二多路选择器、第二比较器、第二数字逻辑控制电路、第二计数器和PWM模块组成，所述第二多路选择器的两个输入端分别连接外部输入的参考电压和0V，所述第二多路选择器的输出端连接第二比较器的正相输入端，所述锯齿波发生器的输出端连接第二比较器的反相输入端，所述第二比较器的输出端连接第二数字逻辑控制电路的输入端，所述第二数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第二多路选择器的选择输入端和第二计数器的使能输入端，所述第二计数器的输出端连接PWM模块的输入端，所述PWM模块的输出端连接锯齿波发生器的斜率调节输入端，外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接第二数字逻辑控制电路和第二计数器的清零端。

进一步的，所述锯齿波发生器的斜率调节，通过恒流源控制电荷存储模块放电的方式实现。

进一步的，所述锯齿波发生器由恒流源、电荷存储模块和第三比较器组成，所述恒流源的恒流输出端连接电荷存储模块的充放电输入端；所述电荷存储模块的电平输出端连接负反馈电路的一个输入端，以及第一比较器和第三比较器的反相输入端；所述第三比较器的正相输入端连接固定电平；所述第三比较器的输出端连接恒流源的一个输入端；所述负反馈电路的输出端连接恒流源的另一个输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接恒流源的清零端。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

单积分型模数转换器的转换方法，所述方法包括：将待测电压的大小，转换为锯齿波由参考电压下降到待测电压的时间长短，进而转换成对应的计数值，最终计算出待测电压的电压值。

进一步的，所述锯齿波由参考电压下降到待测电压的时间长短，进而转换成对应的计数值，具体为：

所述锯齿波发生器输出的锯齿波峰值大于参考电压，复位时第一多路选择器选通参考电压；锯齿波电压下降过程中，锯齿波电压等于参考电压的瞬间，第一数字逻辑控制电路控制第一计数器开始计数，同时令第一多路选择器切换到待测电压；所述锯齿波电压等于待测电压的瞬间，第一数字逻辑控制电路控制第一计数器停止计数，并输出计数值。

进一步的，所述锯齿波发生器在锯齿波周期脉冲信号的上升沿开始快速充电，形成一个陡峭的上升沿，充满后在PWM负反馈信号的控制下以固定速度放电，形成一个缓慢下降的斜率固定的斜坡，周而复始，形成一个上升陡峭、下降缓慢斜率固定的锯齿波。所述负反馈电路实时采集锯齿波波形，并输出PWM波调整锯齿波的斜率。

进一步的，所述锯齿波电压下降到参考电压到开始计数的时间等于第一比较器输出电平翻转的延时、第一数字逻辑控制电路的逻辑器件延时以及第一计数器信号延时之和；所述锯齿波电压下降到待测电压到结束计数的时间等于第一比较器输出电平翻转的延时、第一数字逻辑控制电路的逻辑器件延时以及第一计数器信号延时之和；即所述锯齿波电压下降到参考电压到锯齿波电压下降到待测电压的时间等于开始计数到结束计数的时间，延时被抵消。

进一步的，所述参考电压记为Vref，所述单积分型模数转换器的量程为（-Vref，Vref）。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的模数转换器中的积分电路由数字电路输出PWM进行负反馈电路控制，解决了积分电路参数影响转换性能的缺点，降低了积分电路的成本，减小了积分电路的设计难度，缩短了积分电路的调试周期。

2、本发明的模数转换器通过数字逻辑电路的控制，使转换过程中，比较器等中间器件的延时造成的误差被抵消，解决了比较器速度对转换性能的限制，同时降低了比较器的成本，减小了整体设计难度，缩短了整体调试周期。

3、本发明的模数转换器通过数字电路的设计，使模拟电路的元器件参数对系统性能的影响降低，与传统的积分型模数转换器相比，更易调试，节省了开发成本，缩短了开发周期。

附图说明

图1为本发明实施例的单积分型模数转换器的结构框图。

图2为本发明实施例的单积分型模数转换器的设计原理图。

图3为本发明实施例的单积分型模数转换器的波形示意图。

图4为本发明实施例的单积分型模数转换器中数字逻辑控制电路的设计原理图。

具体实施方式

实施例：

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例的单积分型模数转换器包括锯齿波发生器、负反馈电路和模数转换电路，所述模数转换电路由第一多路选择器、第一比较器、第一数字逻辑控制电路和第一计数器组成；

所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接负反馈电路的输入端和第一比较器的一个输入端；所述负反馈电路的输出端连接锯齿波发生器的斜率调节输入端；外部输入的参考电压Vref=2.5V分别连接负反馈电路的另一个输入端和第一多路选择器的一个输入端；外部输入的待测电压Vin连接第一多路选择器的另一个输入端；所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的另一个输入端；所述第一比较器的输出端连接第一数字逻辑控制电路的输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接锯齿波发生器、负反馈电路、第一数字逻辑控制电路和第一计数器的清零端；所述第一数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第一多路选择器的选择信号输入端和第一计数器的使能信号输入端；所述第一计数器的输出端连接到系统输出端，即第一计数器的输出端作为转换完成的数字量进入后端的电路；

所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接第一比较器的反相输入端，所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的正相输入端。

本实施例的单积分型模数转换器的设计原理如图2所示，在图2中可以看到，恒流源、电荷存储模块和第三比较器组成了图1中的锯齿波发生器，锯齿波发生器的斜率调节，通过恒流源控制电荷存储模块放电的方式实现；第二多路选择器、第二比较器、第二数字逻辑控制电路、第二计数器和PWM模块组成了图1中的负反馈电路，负反馈电路的负反馈控制方式为PWM脉冲宽度调制；所述锯齿波发生器产生的锯齿波上升陡峭、下降的斜率由负反馈电路控制。

所述恒流源的恒流输出端连接电荷存储模块的充放电输入端；所述电荷存储模块的电平输出端连接第一比较器、第二比较器、第三比较器的反相输入端；所述第三比较器的正相输入端连接固定电平Vmax=3.3V；所述第三比较器的输出端连接恒流源的一个输入端；所述第二计数器的输出端连接PWM模块的输入端；所述PWM模块的输出端连接恒流源的另一个输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接恒流源、第一数字逻辑控制电路、第二数字逻辑控制电路、第一计数器、第二计数器的清零端；

所述第二多路选择器的两个输入端分别连接外部输入的参考电压Vref=2.5V和0V，所述第二多路选择器的输出端连接第二比较器的正相输入端，所述第二比较器的输出端连接第二数字逻辑控制电路的输入端，所述第二数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第二多路选择器的选择输入端和第二计数器的使能输入端。

结合图2和图3，所述锯齿波周期脉冲数字信号是一个由晶振信号分频得到的周期性脉冲信号，其周期决定锯齿波的周期；

所述恒流源在锯齿波周期脉冲数字信号到来时开始对电荷存储模块充电，充电过程不受PWM控制，充电电流为恒流源所能提供的最大电流，电荷存储模块输出端电压Vramp快速升高，第三比较器实时比较Vmax与Vramp的大小，当Vramp大于或等于Vmax时，令第三比较器输出的Comp3v3变低，恒流源接收到的Comp3v3信号变低时，停止对电荷存储模块充电，并开始进行恒流放电；PWM模块对输入值与理想值进行比较后，输出PWM信号控制恒流源输出的电流大小，Vramp以固定斜率缓慢降低；到下一个锯齿波周期脉冲到来时进入下一个周期，重复上述操作。

如图3所示，CapCharge为充放电状态信号，CapCharge为高时所述电荷存储模块放电，CapCharge为为低时所述电荷存储模块充电。

结合图2和图3，所述第二数字逻辑控制电路与第二计数器在锯齿波周期脉冲数字信号到来时复位，第二数字逻辑控制电路输出的第二多路选择器的选择信号Mux2变为低电平，第二多路选择器选通参考电压Vref，此时Vref大于Vramp，第二比较器的输出信号Comp2为高电平，第二数字逻辑控制电路输出的第二计数器的使能信号CountEn2为低电平，第二计数器不计数。

随后Vramp快速升高；当Vramp升高到2.5V时，Vref与Vramp大小关系发生变化，Comp2变为低电平；然后Vramp继续升高，达到3.3V后开始缓慢降低；直到Vramp下降到2.5V时，Vref与Vramp大小关系再次发生变化，Comp2变为高电平。

如图4所示，为第一数字逻辑控制电路与第二数字逻辑控制电路的内部电路图，信号Comp的上升沿CountEn电平翻转，Mux变为高电平；所述锯齿波周期脉冲数字信号高电平时复位，CountEn变为低电平，Mux变为低电平；Comp、CountEn、Mux分别对应图2中的第一数字逻辑控制电路的Comp1、CountEn1、Mux1和第二数字逻辑控制电路的Comp2、CountEn2、Mux2。

所以，Comp2变高的瞬间（10ns以内），所述数据选择器0选通0V，Vramp=2.5V>0V，Comp2变为低电平，CountEn2变为高电平，第二计数器开始计数。

随后Vramp继续下降，当Vramp=0V时，Comp2变为高电平，CountEn2变为低电平，第二计数器停止计数并将计数值输出；随后Vramp继续下降，直到下一个锯齿波周期脉冲数字信号到来，系统复位，进入下一个周期。

所述第一多路选择器、第一比较器、第一数字逻辑控制电路和第一计数器组成的模数转换电路，基本原理与负反馈电路相同。

结合图2和图3，第一数字逻辑控制电路与第一计数器在锯齿波周期脉冲到来时复位，第一数字逻辑控制电路输出的第一多路选择器的选择信号Mux1变为低电平，第一多路选择器选通参考电压Vref，此时Vref大于Vramp，第一比较器的输出信号Comp1为高电平，第一数字逻辑控制电路输出的第一计数器的使能信号CountEn1为低电平，第一计数器不计数。

随后Vramp快速升高；当Vramp升高到2.5V时，Vref与Vramp大小关系发生变化，Comp1变为低电平；然后Vramp继续升高，达到3.3V后开始缓慢降低；直到Vramp下降到2.5V时，Vref与Vramp大小关系再次发生变化，Comp1变为高电平；第一数字逻辑控制电路在信号Comp1的上升沿令CountEn1电平翻转，令Mux1变为高电平。

所以，Comp1变高的瞬间（<10ns），第一多路选择器选通待测电压Vin（本实施例中的模数转换器量程为（-2.5V，2.5V）），Vramp=2.5V>Vin，Comp1变为低电平，CountEn1变为高电平，第一计数器开始计数。

随后Vramp继续下降，当Vramp=Vin时，Comp1变为高电平，CountEn1变为低电平，所述第一计数器停止计数并将计数值输出；随后Vramp继续下降，直到下一个锯齿波周期脉冲数字信号到来，系统复位，进入下一个周期。

系统工作时，通过PWM负反馈调整锯齿波Vramp的斜率，使第二计数器的计数值等于理想值RefNum；最后通过第一计数器的计数值HexOut与公式Vin/（RefNum-HexOut）=Vref/RefNum，可以计算出待测电压的大小。

综上所述，本发明的模数转换器通过数字逻辑电路的控制，使转换过程中，比较器等中间器件的延时造成的误差被抵消，进而达到提高性能，降低成本的目的，同时通过数字电路的设计，使模拟电路的元器件参数对系统性能的影响降低，与传统的积分型模数转换器相比，更易调试，节省了开发成本，缩短了开发周期。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.单积分型模数转换器，包括锯齿波发生器、负反馈电路和模数转换电路，所述模数转换电路由第一多路选择器、第一比较器、第一数字逻辑控制电路和第一计数器组成，其特征在于：

所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接负反馈电路的一个输入端和第一比较器的一个输入端；所述负反馈电路的输出端连接锯齿波发生器的斜率调节输入端；外部输入的参考电压分别连接负反馈电路的另一个输入端和第一多路选择器的一个输入端；外部输入的待测电压连接第一多路选择器的另一个输入端；所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的另一个输入端；所述第一比较器的输出端连接第一数字逻辑控制电路的输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接锯齿波发生器、负反馈电路、第一数字逻辑控制电路和第一计数器的清零端；所述第一数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第一多路选择器的选择信号输入端和第一计数器的使能信号输入端；所述第一计数器的输出端连接到系统输出端。

2.根据权利要求1所述的单积分型模数转换器，其特征在于：所述锯齿波发生器的锯齿波输出端连接第一比较器的反相输入端，所述第一多路选择器的输出端连接第一比较器的正相输入端。

3.根据权利要求1所述的单积分型模数转换器，其特征在于：所述负反馈电路的负反馈控制方式为PWM脉冲宽度调制。

4.根据权利要求3所述的单积分型模数转换器，其特征在于：所述负反馈电路由第二多路选择器、第二比较器、第二数字逻辑控制电路、第二计数器和PWM模块组成，所述第二多路选择器的两个输入端分别连接外部输入的参考电压和0V，所述第二多路选择器的输出端连接第二比较器的正相输入端，所述锯齿波发生器的输出端连接第二比较器的反相输入端，所述第二比较器的输出端连接第二数字逻辑控制电路的输入端，所述第二数字逻辑控制电路的两个输出端分别连接第二多路选择器的选择输入端和第二计数器的使能输入端，所述第二计数器的输出端连接PWM模块的输入端，所述PWM模块的输出端连接锯齿波发生器的斜率调节输入端，外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接第二数字逻辑控制电路和第二计数器的清零端。

5.根据权利要求1所述的单积分型模数转换器，其特征在于：所述锯齿波发生器的斜率调节，通过恒流源控制电荷存储模块放电的方式实现。

6.根据权利要求5所述的单积分型模数转换器，其特征在于：所述锯齿波发生器由恒流源、电荷存储模块和第三比较器组成，所述恒流源的恒流输出端连接电荷存储模块的充放电输入端；所述电荷存储模块的电平输出端连接负反馈电路的一个输入端，以及第一比较器和第三比较器的反相输入端；所述第三比较器的正相输入端连接固定电平；所述第三比较器的输出端连接恒流源的一个输入端；所述负反馈电路的输出端连接恒流源的另一个输入端；外部输入的锯齿波周期脉冲数字信号连接恒流源的清零端。

7.基于权利要求1-6任一项所述的单积分型模数转换器的转换方法，其特征在于：所述方法包括：将待测电压的大小，转换为锯齿波由参考电压下降到待测电压的时间长短，进而转换成对应的计数值，最终计算出待测电压的电压值。

8.根据权利要求7所述单积分型模数转换器的转换方法，其特征在于：所述锯齿波由参考电压下降到待测电压的时间长短，进而转换成对应的计数值，具体为：

所述锯齿波发生器输出的锯齿波峰值大于参考电压，复位时第一多路选择器选通参考电压；锯齿波电压下降过程中，锯齿波电压等于参考电压的瞬间，第一数字逻辑控制电路控制第一计数器开始计数，同时令第一多路选择器切换到待测电压；所述锯齿波电压等于待测电压的瞬间，第一数字逻辑控制电路控制第一计数器停止计数，并输出计数值。

9.根据权利要求8所述单积分型模数转换器的转换方法，其特征在于：所述锯齿波电压下降到参考电压到开始计数的时间等于第一比较器输出电平翻转的延时、第一数字逻辑控制电路的逻辑器件延时以及第一计数器信号延时之和；所述锯齿波电压下降到待测电压到结束计数的时间等于第一比较器输出电平翻转的延时、第一数字逻辑控制电路的逻辑器件延时以及第一计数器信号延时之和；即所述锯齿波电压下降到参考电压到锯齿波电压下降到待测电压的时间等于开始计数到结束计数的时间，延时被抵消。

10.根据权利要求7所述的单积分型模数转换器的转换方法，其特征在于：所述参考电压记为Vref，所述单积分型模数转换器的量程为（-Vref，Vref）。

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