CN107124184A - 模拟数字转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟数字转换装置，包含一输入模块，包含一可充电单元，用来根据一控制信号来输出一输入电压；一积分模块，用来接收所述输入电压与一参考电压，以输出一积分电压；一比较模块，用来接收所述积分电压，且比较所述积分电压与所述参考电压的差值是否超过一默认电压，以对应输出所述控制信号；以及一第一计数模块，用来当所述积分电压与所述参考电压的差值超过所述默认电压时，所述第一计数模块是根据所述控制信号，累积一有效位；其中，所述比较模块还反馈所述控制信号至所述输入模块，以切换所述可充电单元来进行一充电操作或一放电操作。

Description

模拟数字转换装置
技术领域
本发明涉及一种数字模拟转换装置，尤指一种具高动态操作范围与高线性度的数字模拟转换装置。
背景技术
传统上，模拟数字转换装置可用来计算一最高有效位与一最低有效位的累积操作，并于一可量测范围内将接收的模拟信号线性地以数字方式来表示，例如以2的幂次(即二进制方式)表示。然而，当模拟数字转换装置进行最高有效位累积操作时，将伴随进行一重置操作，而导致有效积分时间的损失，进而让模拟数字转换装置的线性度越来越差；此外，部分现有模拟数字转换装置会采用多组比较模块来进行最低有效位的累积操作，在此情况下，其硬件架构需耗费较多的电流面积，同时由于不同比较模块间的对称性难以达成，其也将使差动非线性(Differential nonlinearity)更差。
因此，提供一种具高动态操作范围与高线性度的数字模拟转换装置，已成为本领域的重要课题。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种具高动态操作范围与高线性度的数字模拟转换装置。
本发明揭露一种模拟数字转换装置，其特征在于包含一输入模块，包含一可充电单元，用来根据一控制信号来输出一输入电压；一积分模块，耦接所述输入模块，包含一积分单元与一运算放大器，所述运算放大器用来接收所述输入电压与一参考电压，以让所述积分单元累积所述输入信号，进而输出一积分电压；一比较模块，耦接所述积分模块，用来接收所述积分电压，且比较所述积分电压与所述参考电压的差值是否超过一默认电压，以对应输出所述控制信号；以及一第一计数模块，耦接所述比较模块与所述输入模块，当所述积分电压与所述参考电压的差值超过所述默认电压时，所述第一计数模块是根据所述控制信号，累积一有效位；其中，所述比较模块还反馈所述控制信号至所述输入模块，以切换所述可充电单元来进行一充电操作或一放电操作。
附图说明
图1为本发明实施例一模拟数字转换装置的示意图。
图2A、图2B为本发明实施例另一模拟数字转换装置的示意图。
图3为本发明实施例一模拟数字转换装置的输出信号的示意图。
图4为本发明实施例的模拟数字转换装置与现有技术的模拟数字转换装置的模拟转换数字输出比较图。
其中，附图标记说明如下：
1、2 模拟数字转换装置
10 输入模块
100 二极管单元
102 第一切换模块
102_S1、102_S2 开关单元
104 可充电单元
12 积分模块
120 积分单元
122 运算放大器
14 比较模块
14_S1、S_LSB 切换模块
16 第一计数模块
28 第二计数模块
C1、C2 模拟转换数字输出曲线
LSB 时钟信号
S_C 控制信号
VREF 参考电压
VREF+V1、VREF+V1/N 导通电压
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区别组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及权利要求书的权利要求当中所提及的“包含”是为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至所述第二装置。
请参考图1，图1为本发明实施例一模拟数字转换装置1的示意图。如图1所示，本实施例的模拟数字转换装置1包含一输入模块10、一积分模块12、一比较模块14与一第一计数模块16。较佳地，本实施例中的模拟数字转换装置1可应用于一环境光感测装置或一距离感测装置，并通过一二极管单元100实现并取得模拟输入信号，据此，本实施例所提供的模拟数字转换装置1将用以转换模拟输入信号为一数字信号，并进行一有效位的累积操作。
详细来说，输入模块10包含一第一切换模块102与一可充电单元104，其中，第一切换模块102还包含两个开关单元102_S1、102_S2，开关单元102_S1用来切换导通电压的数值，例如本实施例中的一导通电压VREF+V1；开关单元102_S2耦接可充电单元104，可用来根据一控制信号S_C，以切换可充电单元104的工作模式；至于本实施例中的可充电单元104为一电容单元。在此情况下，通过控制信号S_C与开关单元102_S1、102_S2的切换操作，可充电单元104将对应进行一充电操作或一放电操作，并对应输出一输入电压至积分模块12。
再者，积分模块12还包含一积分单元120与一运算放大器122，其中，积分单元120为一电容单元，且包含两端分别耦接于运算放大器122的一负输出端与一输出端，而运算放大器122的一正输出端是耦接一参考电压VREF。据此，运算放大器122是接收可充电单元104的输入电压与参考电压VREF，以让积分单元120累积输入信号，进而输出一积分电压至比较模块14。另外，比较模块14为一运算放大器(于其他实施例中，比较模块14也可为一比较器单元，而非限本发明的范畴)，其一正输入端耦接至运算放大器122的输出端与积分单元120的一端且接收积分电压，而比较模块14一负输入端耦接有另一切换模块14_S1，且根据切换模块14_S1的切换操作，比较模块14的负输入端可对应接收导通电压VREF+V1。据此，比较模块14可判断正输入端与负输入端的输入电压是否相同，即比较正输入端的积分电压与负输入端的导通电压间的差值是否超过一默认电压，并对应输出控制信号S_C。
至于本实施例中的第一计数模块16在此仅以简单方块图表示，第一计数模块16耦接比较模块14的输出端与输入模块10的第一切换模块102，且包含一逻辑控制组件与一计数器，并对应接收一致能信号与比较模块14的控制信号S_C，在此情况下，当积分电压与参考电压的差值超过默认电压(例如电压V1)时，第一计数模块16可根据所述控制信号来累积一有效位，同时，第一计数模块16还反馈控制信号S_C至第一切换模块102，以重设可充电单元104的相关操作，例如将可充电单元104由放电操作改为进行充电操作。
除此之外，于模拟数字转换装置1用来进行有效位的累积操作之前，可充电单元104已先切换耦接至导通电压VREF+V1并累积相同电压为VREF+V1，且当模拟数字转换装置1进行有效位的累积操作时，可充电单元104被切换来耦接至积分模块12，同时可充电单元104是进行放电操作来对积分单元120充电，而比较模块的负输入端也切换耦接至导通电压VREF+V1，据此，可充电单元104将动态地放电直到可充电单元104的电压降至为参考电压VREF，此时，积分模块12的积分电压已达到电压VREF+V1，且积分电压VREF+V1与一参考电压VREF的差值已满足为默认电压V1，在此情况下，比较模块14将对应输出控制信号S_C来控制第一计数模块16将有效位累积加一，同时控制信号S_C还反馈至开关单元102_S2，以切换可充电单元104来进行充电操作并耦接至导通电压VREF+V1，进而完成重置输入模块12与积分模块14的相关操作。
换言之，本实施例中的模拟数字转换装置1可根据环境光感测装置或距离感测装置(即二极管单元100)所量测的输入信号，依序切换输入模块12与积分模块14的操作模式，再通过比较模块14来比较积分单元120所累积的积分电压(例如VREF+V1)扣除参考电压(例如VREF)是否已为默认电压(例如V1)，在此情况下，比较模块14将控制第一计数模块16来累积一次有效位，并反馈控制信号S_C来重设输入模块12与积分模块14，如此形成的循环操作，将于一预设时间内重复计算积分电压超过参考电压的次数，进而取得有效位。
另外，当比较模块14判断积分电压与参考电压的差值未超过默认电压时(此时积分电压仍大于参考电压)，模拟数字转换装置还可增设其他的切换模块，并对应进行另一有效位的累积操作。请参考图2A、图2B，图2A、图2B为本发明实施例另一模拟数字转换装置2的示意图，其中，图2A为模拟数字转换装置2进行一最高有效位(Most significant bit，MSB)的累积操作，而图2B为模拟数字转换装置2进行一最低有效位(Least significant bit，LSB)的累积操作。如图2A、图2B所示，类似图1的模拟转换装置1，模拟数字转换装置2也包含输入模块10、积分模块12、比较模块14与第一计数模块16，不同之处在于，图2A、图2B的模拟数字转换装置2还包含一第二计数模块28与一切换模块S_LSB，其中，第二计数模块28耦接至比较模块14的输出端来并联第一计数模块16，而切换模块S_LSB是耦接于第二计数模块28与输入模块10之间。据此，当模拟数字转换装置2进行最高有效位的累积操作(如图2A所示)，第二计数模块28将接收另一致能信号来关闭其相关操作，至于第一计数模块16则接受另一致能信号来开启其相关操作，同时切换模块S_LSB切换来让控制信号S_C反馈至输入模块10的开关单元102_S2，以重置可充电单元104的相关操作，至于模拟数字转换装置2进行最高有效位的其他相关操作，可参考图1的模拟转换装置1，在此不赘述。
当模拟数字转换装置2进行最低有效位的累积操作(如图2B所示)，第一计数模块16可接收致能信号来关闭其相关操作，而第二计数模块28则接受致能信号来开启其相关操作，同时，切换模块S_LSB切换来让一时钟信号LSB反馈至输入模块10的开关单元102_S2，此外，开关单元102_S1还切换让导通电压VREF+V1/N来对可充电单元104进行充电操作，而切换模块14_S1是让比较模块14的负输入端耦接参考电压VREF。在此情况下，于每一个时钟信号LSB的高位准信号的驱动下，可充电单元104可通过放电操作来对积分单元120进行电荷累积，并由比较模块14判断积分单元120输出的积分电压是否超过参考电压VREF，若积分电压是超过参考电压VREF，则比较模块对应输出控制信号S_C来让第二计数模块28进行最低有效位的累积操作(即对最低有效位累积加一)，并重复进行积分电压与参考电压VREF的比较操作以及累积最低有效位，直到积分单元120输出的积分电压小于参考电压VREF时，此时，模拟数字转换装置2将结束最低有效位的累积操作，而第二计数模块28是结束最低有效位的更新/累加操作。最后，用户可通过模拟数字转换装置2的第一计数模块16与第二计数模块28来分别取得最高有效位与最低有效位，并对应取得输入信号的模拟数字转换结果，例如第一计数模块16取得最高有效位为M位，而第二计数模块28取得最低有效位为N位，则模拟数字转换装置2可对应输出M+N位的模拟数字转换结果，当然，以上数值仅为示范性说明，非用以限制本发明的范畴。
请参考图3，图3为本发明实施例一模拟数字转换装置的输出信号的示意图。如图3所示，本实施例中的参考电压设定为1.5伏特，而默认电压设定为0.2伏特，使得本实施例中的模拟数字转换装置可于充电单元的放电过程中，由积分模块对应累积积分电压；一旦积分电压从1.5伏特累积达到1.7伏特(即1.5+0.2＝1.7)时，此时比较模块将输出控制信号来让第一计数模块累加最高有效位一个单位，同时，控制信号将重置可充电单元由放电操作切换为充电操作，而积分单元的电压也降至参考电压1.5伏特左右；接着，只要模拟输入信号可满足积分单元所输出的积分电压可超过参考电压一默认电压时，以上的循环操作将被重复进行。如图3所示，本实施例中的第一计数模块将累加最高有效位共12次，并取得最高有效位为12位。另外，当积分模块输出的积分电压超过参考电压1.5伏特但未超过1.7伏特时，此时，模拟数字转换装置将进行最低有效位的累积操作，且于每一时钟信号为高位准信号时，比较模块判断积分电压是否超过标准电压1.5伏特；一旦积分电压是超过标准电压1.5伏特，则比较模块将对应输出控制信号来让第二计数模块累加最低有效位一个单位，直到积分单元输出的积分电压小于参考电压。在此情况下，比较模块是对应输出一低位准信号，而第二计数模块将结束最低有效位的累积操作。如图3所示，本实施例中的第二计数模块将累加最高有效位共4次，并取得最高有效位为2位。
请参考图4，图4为本发明实施例的模拟数字转换装置与现有技术的模拟数字转换装置的模拟转换数字输出比较图。如图4所示，假设横轴为输入信号，而纵轴为累积的最高有效位与最低有效位的加总数值，在此情况下，根据不同的输入信号，现有技术的模拟数字转换装置可对应为一模拟转换数字输出曲线C1，而本发明实施例所提供模拟数字转换装置可对应为一模拟转换数字输出曲线C2。将两条模拟转换数字输出曲线相互比较下，不难发现现有技术的模拟转换数字输出曲线C1难以形成一线性结果，特别是输入信号较小或较大时，对比之下，本发明实施例的模拟转换数字输出曲线C2则容易形成线性的转换结果，此将让本发明实施例的模拟数字转换装置可用于较大范围的输入信号。
除此之外，由于部分现有模拟数字转换装置还须采用多组比较模块的平行设置，方可完成最低有效位的累积操作，其将耗费较多的电流面积，且不同比较模块间的非对称性将造成更差的差动非线性。对比之下，本发明实施例不论是进行最高有效位或最低有效位皆使用相同的硬件规格，仅于操作过程适性改变耦接至可充电单元的导通电压，且所述导通电压VREF+V1/N中的N也为任意选择的正整数。如此一来，根据不同需求来对应调整N值，本发明实施例即可提供不同转换精准需求的最低有效位的累积操作，而避免使用多组比较模块的累积操作，进而改善现有技术的缺点。
综上所述，本发明实施例提供一种模拟数字转换装置，通过增设切换模块来适性切换不同的导通电压，并对应切换可充电单元的充电操作或放电操作，再通过积分模块与比较模块间的电压比较，本发明实施例即可适性进行最高有效位或最低有效位的累积操作。相较于现有技术，本发明实施例所提供的模拟数字转换装置不但无须改变硬件规格，也可根据不同需求来对应调整其中所用的导通电压值，除了可对应减少整体设计所需的电流面积外，还可提供较佳的线性转换曲线与差动非线性成果，来大幅提高模拟数字转换装置的操作范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟数字转换装置，其特征在于，包含：
一输入模块，包含一可充电单元，用来根据一控制信号来输出一输入电压；
一积分模块，耦接所述输入模块，包含一积分单元与一运算放大器，所述运算放大器用来接收所述输入电压与一参考电压，以让所述积分单元累积所述输入信号，进而输出一积分电压；
一比较模块，耦接所述积分模块，用来接收所述积分电压，且比较所述积分电压与所述参考电压的差值是否超过一默认电压，以对应输出所述控制信号；以及
一第一计数模块，耦接所述比较模块与所述输入模块，当所述积分电压与所述参考电压的差值超过所述默认电压时，所述第一计数模块是根据所述控制信号，累积一有效位；
其中，所述比较模块还反馈所述控制信号至所述输入模块，以切换所述可充电单元来进行一充电操作或一放电操作。
2.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其特征在于，所述输入模块包含一第一切换模块，耦接所述比较模块与所述可充电单元，所述第一切换模块是根据所述控制信号，以切换所述可充电单元来进行所述放电操作或所述充电操作。
3.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其特征在于，所述充电操作是提供一第一充电数值或一第二充电数值至所述可充电单元，所述第一充电数值是所述参考电压加总所述默认电压，所述第二充电数值是所述默认电压的N分之一加总所述参考电压，而N为任一正整数。
4.如权利要求3所述的模拟数字转换装置，其包含一第二切换模块且耦接所述比较模块，所述第二切换模块是根据所述控制信号，以让所述比较模块接收所述第一充电数值或所述参考电压。
5.如权利要求3所述的模拟数字转换装置，其特征在于，当所述积分电压与所述参考电压的差值超过所述默认电压时，所述模拟数字转换装置进行一最高有效位累积操作，且所述比较模块选择所述第一充电数值来对所述可充电单元进行所述充电操作，当所述积分电压与所述参考电压的差值未超过所述默认电压时，所述模拟数字转换装置进行一最低有效位累积操作，且所述比较模块选择所述第二充电数值来对所述可充电单元进行所述充电操作。
6.如权利要求5所述的模拟数字转换装置，其还包含一第二计数模块与一第三切换模块，所述第三切换模块的一端耦接所述输入模块，所述第三切换模块的另一端耦接所述比较模块与所述第二计数模块，当所述积分信号大于所述参考信号且所述积分信号与所述参考信号的差值未超过所述默认电压时，所述第二计数模块根据一时钟信号来累积一最低有效位。
7.如权利要求6所述的模拟数字转换装置，其特征在于，当所述积分信号小于所述参考电压时，结束所述第二计数模块的累积操作。
8.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其特征在于，所述可充电单元与所述积分单元为一电容单元。
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