CN106027054B - 一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法 - Google Patents

一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法。逐次逼近型模数转换器包括第一采样电路、转换电路和用于控制第一采样电路采样时序和转换电路转换时序的控制模块。逐次逼近型模数转换器的工作过程包括信号采样阶段和信号转换阶段，通过变采样周期模式或者逆采样周期模式改变信号采样阶段的工作时序；变采样周期模式为将信号采样阶段的预期采样周期划分为多个单位采样周期；逆采样周期模式为将信号采样阶段和信号转换阶段进行重叠。本发明通过对采样时序和转换时序进行控制，提高了逐次逼近型模数转换器在信号源的内阻较大时的转换速度，当存在不同内阻的信号源时，所述逐次逼近型模数转换器可以保持较高的转换速度。

Description

一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法
技术领域
本发明涉及模数转换器领域，特别涉及一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法。
背景技术
逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)作为一种广泛使用的ADC类型，具有非常平衡适中的转换速度和转换精度，同时面积和功耗指标也较为出色，因此在很多领域，特别是在通用处理器(MCU)上得到了广泛的应用。
MCU上的SAR ADC，一般是通用型ADC，需要处理多通道输入的信号，且这些通道多数和数字电路的其他IO功能复用。因为输入信号来源的差异性，同一个ADC所需测量的不同通道的信号特性会有相当大的差别，如信号强度、动态范围、信号带宽和信号源驱动能力等。为适应不同的信号强度需要ADC有更高的转换精度，而信号源之间不同的驱动能力则会影响到ADC的转换速度。
具体来说，一个SAR ADC完成一次模拟信号到数字信号的转换需要经历两个时序阶段，第一个阶段是信号采样阶段，一般需要一个时钟周期T。另一个阶段是信号转换阶段，将采集到的模拟信号逐次转换成数字信号，对于N BIT SAR ADC来说，这一阶段需要N个周期N*T。工作时序如图1。在采样周期内，信号源对SAR ADC的输入电容进行充电，为保证转换的精度，在采样周期T内信号源需要将电容充电至目标值的某一精度范围内。假设SAR ADC的位数是12位，则电容上的充电电压与信号源的信号电压之间的差值应该小于SAR ADC的分辨率，即Vref/2^12，这一差值可称为采样误差。信号源为ADC充电的模型如图2所示。图2中电容C是SAR ADC的输入电容，电阻R是信号源的输入内阻与采样开关内阻之和，由于开关内阻可由设计者保证在一较小值且较为恒定，可将R约等于信号源内阻。
采样误差的公式为：
从公式中可知，采样误差与信号源内阻R、SAR ADC输入电容C和采样周期T有关。对于一个SAR ADC，其输入电容是固定的，因此对不同通道、具有不同内阻的信号源来说，为了得到相同的采样误差，就需要调整采样周期T与之适应。具体说，对于内阻越大的信号源，其采样周期T也需要等比例变大，从而完成一次转换所需的总时钟也等比例变大。举例来说，对于某个通道的信号，其内阻较小，驱动能力较强，因此可在1us的采样周期内达到要求的采样误差，那么完成整个采样需要13us。但对于另一个通道，其信号源内阻比之大了10倍，那么需要10us才能完成采样，因此整个采样也需要130us才能完成，因此极大的减慢了SARADC的工作速度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种逐次逼近型模数转换器及时序控制方法，解决了现有技术中不同内阻信号源带来的SAR ADC转换速度极大变慢的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种逐次逼近型模数转换器，包括第一采样电路、转换电路和用于控制所述第一采样电路在信号采样阶段采样时序和所述转换电路在信号转换阶段转换时序的控制模块。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案通过对采样时序和转换时序进行控制，提高了逐次逼近型模数转换器在信号源的内阻较大时的转换速度，当存在不同内阻的信号源时，所述逐次逼近型模数转换器可以保持较高的转换速度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述控制模块包括第一计数单元和第二计数单元，所述第一计数单元用于对所述第一采样电路的采样周期进行计数；所述第二计数单元用于对所述转换电路的转换周期进行计数。
进一步，所述控制模块包括第二采样电路和控制单元，
所述第二采样电路用于对信号源进行采样；
所述控制单元用于在进行前次信号转换过程时，控制第二采样电路对信号源进行采样，并在采样过程结束时，控制所述第二采样电路进入保持阶段；然后控制所述第一采样电路对所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为逐次逼近型模数转换器的单位采样周期；待所述第一采样电路采样完成后，控制所述转换电路进入信号转换阶段，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
一种逐次逼近型模数转换器的时序控制方法，逐次逼近型模数转换器的工作过程包括信号采样阶段和信号转换阶段，通过变采样周期模式或者逆采样周期模式改变所述信号采样阶段的工作时序和信号转换阶段的工作时序；所述变采样周期模式为：将信号采样阶段的预期采样周期划分为多个单位采样周期；所述逆采样周期模式为：将信号采样阶段和信号转换阶段进行重叠。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案通过对采样时序和转换时序进行控制，提高了逐次逼近型模数转换器在信号源的内阻较大时的转换速度，当存在不同内阻的信号源时，所述逐次逼近型模数转换器可以保持较高的转换速度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，采用变采样周期模式改变信号采样阶段的工作时序包括以下具体步骤：
步骤1，获取所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期T；
步骤2，根据所述逐次逼近型模数转换器的采样精度和信号源的内阻，计算所述逐次逼近型模数转换器的预期采样周期；
步骤3，将所述预期采样周期划分为M个单位采样周期T；
步骤4，采用独立的计数单元分别对信号采样时序和信号转换时序进行控制，控制信号采样周期为所述M个单位采样周期T，控制信号转换周期为N个单位采样周期T，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数。
进一步，所述步骤4具体为：采用第一计数单元对第一采样电路的采样周期进行计数，采用第二计数单元对转换电路的转换周期进行计数；当第一计数单元记到M个所述单位采样周期时，采样周期结束，第一计数单元停止计数并清零，同时第二计数单元开始计数，第二计数单元累加到所述N个单位采样周期时，第二计数单元停止计数并清零，所述逐次逼近型模数转换器的工作过程结束。
采用上述进一步方案的有益效果是：以12BIT的逐次逼近型模数转换器为例，在变采样周期模式下，转换和采样的单位周期T保持不变，例如1us。对于内阻较大的信号通道来说，如在1us内不能完成要求精度的采样任务，则可通过配置将采样周期设置为M*T，M可以为任意一个整数。对于需10us才能完成采样的信号通道来说，可将M设置为10，则完成一个完整的采样、转换流程所需的时间是10*1us+12*1us，即22us。转换速度上，相比传统的130us有了极大的提高。对于采样时间越长的信号通道，所节省的完整采样转换时间就越多。
进一步，所述计数单元为计数器。
进一步，采用逆采样周期模式改变信号采样阶段的工作时序，具体为：
步骤a，设计第二采样电路，所述第二采样电路在保证所述逐次逼近型模数转换器的采样精度的情况下，采样时间为N*T，其中T为所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；
步骤b，当进行前次信号转换过程时，通过第二采样电路对信号源进行采样，采样过程结束的同时，前次信号转换过程结束；
步骤c，所述第二采样电路进入保持阶段，通过所述第一采样电路为所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为T；
步骤d，所述第一采样电路采样完成后，转换电路开始信号转换过程，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
采用上述进一步方案的有益效果是：对于传统的N Bit逐次逼近型模数转换器的工作时序来说，采样周期是1*T，转换周期是N*T，转换周期比采样周期长的多。逆采样周期模式通过增加一个采样电路，将采样时间和模数转换器的转换时间重叠，使得采样时间达到N*T，大大降低了对输入信号源内阻的要求。对于T＝1us的12Bit SAR ADC来说，某个信号通道需要10us的采样时间，由于转换周期有12us，因此采用此模式的逐次逼近型模数转换器不用增加任何时间，仍然只需13us即可完成采样转换周期，比上述的变采样周期模式还要节省时间。
进一步，当通过市电对所述逐次逼近型模数转换器供电时，采用逆采样周期模式；当采用电池为所述逐次逼近型模数转换器供电时，采用变采样周期模式。
采用上述进一步方案的有益效果是：由于增加的一个采样电路需要消耗一定的工作电流，因此在对工作电流没有要求的场合，例如通过市电供电的时候，可采样逆周期工作模式，以获得最快的转换速度；在对电流有要求的时候，如电池供电下，可采用变采样周期模式。
附图说明
图1为现有技术逐次逼近型模数转换器的时序控制图；
图2为现有技术模数转换器的充电模型图；
图3为本发明的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图4为实施例1的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图5为实施例2的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图6为实施例1的时序控制图；
图7为实施例2的时序控制图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图3所述，为本发明逐次逼近型模数转换器的结构示意图，包括第一采样电路、转换电路和用于控制所述第一采样电路采样时序和所述转换电路转换时序的控制模块。
以下通过实施例1和实施例2分别对本发明的技术方案进行说明。
实施例1采用变采样周期模式，如图4所示，所述逐次逼近型模数转换器包括第一采样电路、转换电路和用于控制所述第一采样电路采样时序和所述转换电路转换时序的控制模块；所述控制模块包括第一计数单元和第二计数单元，所述第一计数单元用于对所述第一采样电路的采样周期进行计数；所述第二计数单元用于对所述转换电路的转换周期进行计数。本实施例中，所述第一计数单元和第二计数单元均为计数器。
本实施例逐次逼近型模数转换器的时序控制方法如下：
步骤1，获取所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期T；
步骤2，根据所述逐次逼近型模数转换器的采样精度和信号源的内阻，计算所述逐次逼近型模数转换器的预期采样周期；
步骤3，将所述预期采样周期划分为M个单位采样周期T；
步骤4，采用独立的计数单元分别对信号采样时序和信号转换时序进行控制，控制信号采样周期为所述M个单位采样周期T，控制信号转换周期为N个单位采样周期T，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数。所述步骤4具体为：采用第一计数单元控制信号采样时序，采用第二计数单元控制信号转换时序；当第一计数单元记到M个所述单位采样周期时，采样周期结束，第一计数单元停止计数并清零，同时第二计数单元开始计数，第二计数单元累加到所述N个单位采样周期时，第二计数单元停止计数并清零，所述逐次逼近型模数转换器的工作过程结束。
具体的，工作于变采样周期模式下的SAR ADC时序图如图6所示。该图表示的是M＝3，N＝12的SAR ADC工作时序，包含2个完整的采样转换周期。在该模式下，采样周期和转换周期由2个独立的计数器控制。采样周期的计时由计数器1实现，当计数器记到预设的采样周期M时，采样周期结束，停止计数并清零，同时计数器2开始计数。计数器2累加到预设的转换周期N时，停止计数并清零，同时此次采样转换过程结束。
实施例2采用逆采样周期模式，如图5所示，所述逐次逼近型模数转换器包括包括第一采样电路、转换电路和用于控制所述第一采样电路采样时序和所述转换电路转换时序的控制模块；所述控制模块包括第二采样电路和控制单元，所述第二采样电路用于对信号源进行采样；所述控制单元用于在进行前次信号转换过程时，控制第二采样电路对信号源进行采样，并在采样过程结束时，控制所述第二采样电路进入保持阶段；然后控制所述第一采样电路为所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为T；待所述第一采样电路采样完成后，控制所述转换电路进入信号转换过程，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
本实施例逐次逼近型模数转换器的时序控制方法如下：
步骤a，设计第二采样电路，所述第二采样电路在保证所述逐次逼近型模数转换器的采样精度的情况下，采样时间为N*T，其中T为所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；
步骤b，当进行前次信号转换过程时，通过第二采样电路对信号源进行采样，采样过程结束的同时，前次信号转换过程结束；
步骤c，所述第二采样电路进入保持阶段，通过所述第一采样电路为所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为T；
步骤d，所述第一采样电路采样完成后，转换电路开始信号转换过程，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
具体的，工作于逆采样周期模式下的SAR ADC时序图如图7所示。对于这一模式，逐次逼近型模数转换器需要增加一级额外的采样电路，称为第二采样电路，模数转换器原先的采样电路称为第一采样电路。对于一次完整的采样转换来说，存在两次采样过程。第二采样电路在ADC转换阶段时对信号源进行采样，因此采样时间延长为N*T。完成当次转换后，第二采样电路进入保持阶段，而ADC自身的第一采样电路对第二采样电路进行采样，在周期T内完成。由于第二采样电路是为模数转换器定制的，其驱动能力也保持恒定，因此可以在T时间内完成所要求的采样精度。第一采样电路采样完成后，模数转换器又进入转换阶段，同时第二采样电路进入对信号源的采样阶段。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括第一采样电路、转换电路和用于控制所述第一采样电路在信号采样阶段采样时序和所述转换电路在信号转换阶段转换时序的控制模块；
所述控制模块包括第一计数单元和第二计数单元，所述第一计数单元用于对所述第一采样电路的采样周期进行计数；所述第二计数单元用于对所述转换电路的转换周期进行计数。
2.根据权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述控制模块包括第二采样电路和控制单元，
所述第二采样电路用于对信号源进行采样；
所述控制单元用于在进行前次信号转换过程时，控制第二采样电路对信号源进行采样，并在采样过程结束时，控制所述第二采样电路进入保持阶段；然后控制所述第一采样电路对所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为逐次逼近型模数转换器的单位采样周期；待所述第一采样电路采样完成后，控制所述转换电路进入信号转换阶段，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
3.一种权利要求2所述的逐次逼近型模数转换器的时序控制方法，其特征在于，逐次逼近型模数转换器的工作过程包括信号采样阶段和信号转换阶段，通过变采样周期模式或者逆采样周期模式改变所述信号采样阶段的工作时序和信号转换阶段的工作时序；所述变采样周期模式为：将信号采样阶段的预期采样周期划分为多个单位采样周期；所述逆采样周期模式为：将信号采样阶段和信号转换阶段进行重叠；
采用变采样周期模式改变信号采样阶段的工作时序和信号转换阶段的工作时序包括以下具体步骤：
步骤1，获取所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期T；
步骤2，根据所述逐次逼近型模数转换器的采样精度和信号源的内阻，计算所述逐次逼近型模数转换器的预期采样周期；
步骤3，将所述预期采样周期划分为M个单位采样周期T；
步骤4，采用第一计数单元和第二计数单元分别对信号采样时序和信号转换时序进行控制，控制信号采样周期为所述M个单位采样周期T，控制信号转换周期为N个单位采样周期T，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；
采用逆采样周期模式改变信号采样阶段的工作时序和信号转换阶段的工作时序，具体为：
步骤a，设计第二采样电路，所述第二采样电路在保证所述逐次逼近型模数转换器的采样精度的情况下，采样时间为N*T，其中T为所述逐次逼近型模数转换器的单位采样周期，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；
步骤b，当进行前次信号转换过程时，通过第二采样电路对信号源进行采样，采样过程结束的同时，前次信号转换过程结束；
步骤c，所述第二采样电路进入保持阶段，通过所述第一采样电路为所述第二采样电路进行采样，控制采样时间为T；
步骤d，所述第一采样电路采样完成后，转换电路开始信号转换过程，同时所述第二采样电路重新对信号源进行采样。
4.根据权利要求3所述的逐次逼近型模数转换器的时序控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：采用第一计数单元对第一采样电路的采样周期进行计数，采用第二计数单元对转换电路的转换周期进行计数；当第一计数单元记到M个所述单位采样周期时，采样周期结束，第一计数单元停止计数并清零，同时第二计数单元开始计数，第二计数单元累加到所述N个单位采样周期时，第二计数单元停止计数并清零，所述逐次逼近型模数转换器的工作过程结束。
5.根据权利要求3所述的逐次逼近型模数转换器的时序控制方法，其特征在于，当通过市电对所述逐次逼近型模数转换器供电时，采用逆采样周期模式；当采用电池为所述逐次逼近型模数转换器供电时，采用变采样周期模式。
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