CN107733434B - 模数转换器及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种模数转换器及电子设备，所述模数转换器包括：压频转换器，适于接收输入电压，将所述输入电压转换为脉冲信号；频率计数器，在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器的脉冲信号进行计数，以得到计数数值。本发明技术方案提高了模数转换器的分辨率及分辨率的灵活性。

Description

模数转换器及电子设备

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种模数转换器及电子设备。

背景技术

在电子电路中，模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)是一种基本模块，在很多场景中都有应用。其输入为模拟信号，其输出为数字信号。对于ADC的分辨率，通常需求较高。分辨率是指ADC能够分辨量化的最小信号的能力。分辨率越高，ADC转换结果就越精确。例如，对一个分辨率为10位(bit)的ADC，其所能分辨的最小量化电平为满量程的1/2¹⁰。也就是说分辨率越高，就能把满量程里的电平分出更多的份数(例如，10位是把满量程分成了2¹⁰份)，得到的转换结果就越精确，得到的数字信号再用数模转换器(Digital toAnalog Converter,DAC)转换就越接近原输入的模拟信号。

如图1所示，图1是现有技术一种模数转换器的结构示意图。ADC的输入端接收输入电压Vin，同时接入采样信号Sample；ADC对输入电压Vin开始转换。在转换结束后，将转换结束信号EOC发送到输出寄存器，寄存器输出数字信号Output。其中，Σ-△ADC作为一种典型的ADC，具备较高的分辨率。

但是，在匹配无源器件的应用场景中，现有的ADC不能达到无源器件对分辨率精度的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何提高模数转换器的分辨率及对其分辨率的调整的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：压频转换器，适于接收输入电压，将所述输入电压转换为脉冲信号；频率计数器，在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器的脉冲信号进行计数，以得到计数数值。

可选的，所述模数转换器还包括：锁存器，适于在所述采样信号界定的采样时间结束时对所述计数数值进行锁存，锁存结果作为所述模数转换器的输出值输出。

可选的，在所述采样时间开始的时刻，所述频率计数器的计数数值清零。

可选的，通过调整所述压频转换器的增益和所述采样时间的至少一种，控制所述模数转换器的分辨率。

可选的，所述频率计数器的计数数值为所述输入电压、所述压频转换器的增益和所述采样时间的乘积。

可选的，所述采样信号的上升沿表示所述采样时间开始，所述采样信号的下降沿表示所述采样时间结束。

为解决上述技术问题，本发明实施例还公开了一种电子设备，所述电子设备包括所述模数转换器。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例的模数转换器包括：压频转换器，适于接收输入电压，将所述输入电压转换为脉冲信号；频率计数器，在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器的脉冲信号进行计数，以得到计数数值。通过使用电压频率转换器将输入电压转换为频率脉冲信号，然后将该频率脉冲信号进行计数，得到计数数值，该计数数值可以直接或间接地作为模数转换器的输出值。由于压频转换器的增益可以很高而且易于调整，使得所述计数数值可以很高且容易调整，从而有利于提高模数转换器的分辨率且分辨率的调整更加灵活。

进一步地，所述采样时间开始的时刻，所述频率计数器的计数数值清零；锁存器在所述采样信号界定的采样时间结束时对所述计数数值进行锁存。通过调整采样时间，可以调整模数转换器的输出值，达到调整ADC的分辨率的目的；还可以通过调整压频转换器的增益调整模数转换器的输出值，达到调整ADC的分辨率的目的，提高了模数转换器的分辨率及调整分辨率的灵活性。

附图说明

图1是现有技术一种模数转换器的结构示意图；

图2是本发明实施例一种模数转换器的结构示意图；

图3是本发明实施例一种采样信号与模数转换器的输出的关系示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，但是，在匹配无源器件的应用场景中，现有的ADC不能达到上述无源器件对分辨率精度的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2是本发明实施例一种模数转换器的结构示意图。下面结合图2对所述模数转换器的具体结构做详细的说明。

模数转换器20可以包括：压频转换器201和频率计数器202。

其中，压频转换器201可以是电压频率转换器(Voltage Frequency Converter,VFC)，压频转换器201适于接收输入电压Vin，将所述输入电压转换为脉冲信号(未标示)。具体而言，脉冲信号可以是具有频率信息的信号，该频率信息与输入电压的幅度相关，例如成正比。该脉冲信号例如可以是正弦信号、方波信号等。

具体实施中，在有输入电压Vin接入的情况下，压频转换器201的输出端持续输出脉冲信号。

频率计数器202在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器201输出的脉冲信号进行计数，以得到计数数值。具体地，压频转换器201的输出端耦接频率计数器202的输入端。频率计数器202对脉冲信号进行计数的过程例如可以包括：对于脉冲信号的每一个脉冲，频率计数器202的计数数值可以加1。

具体而言，压频转换器201持续输出脉冲信号，在采样信号界定的采样时间的开始时刻，频率计数器202的计数数值清零，并在采样时间内进行计数；在采样信号界定的采样时间的结束时刻，频率计数器202计数结束，并将结束时刻的计数数值进行输出，频率计数器202在结束时刻的采样数值为所述模数转换器20的输出值Dout。由此，实现了模拟信号Vin到数字信号Dout的转换。

具体实施中，所述频率计数器202的计数数值可以为所述输入电压Vin、所述压频转换器201的增益(也即压频转换器201的分辨率)和采样时间的乘积。

仍然参考图2，本发明另一实施例中，模数转换器20还可以包括压频转换器201、频率计数器202和锁存器203。

其中，压频转换器201适于接收输入电压Vin，将所述输入电压转换为脉冲信号(未标示)。具体而言，脉冲信号可以是具有频率信息的信号，该频率信息与输入电压的幅度相关，例如成正比。该脉冲信号例如可以是正弦信号、方波信号等。

具体实施中，在有输入电压Vin接入的情况下，压频转换器201的输出端持续输出脉冲信号。

频率计数器202在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器201输出的脉冲信号进行计数，以得到计数数值。具体地，压频转换器201的输出端耦接频率计数器202的输入端。频率计数器202对脉冲信号进行计数的过程例如可以包括：对于脉冲信号的每一个脉冲，频率计数器202的计数数值可以加1。

锁存器203适于在所述采样信号界定的采样时间结束时对所述计数数值进行锁存，锁存结果作为所述模数转换器的输出值输出。具体而言，频率计数器202的输出端耦接锁存器203的输入端。锁存器203可以将采样时间结束时所述计数数值锁住，从而可以保证锁存器203输出端的输出值是稳定的，不会随锁存器203输入端的计数数值的变化而变化。

具体而言，压频转换器201持续输出脉冲信号，在采样信号界定的采样时间的开始时刻，频率计数器202的计数数值清零，并在采样时间内进行计数；在采样信号界定的采样时间的结束时刻，频率计数器202将结束时刻的计数数值输出至锁存器203，锁存器203将所述计数数值锁住并输出。频率计数器202在结束时刻的采样数值为所述模数转换器20的输出值Dout，也即，锁存器203的输出值为模数转换器20的输出值Dout。

具体实施中，所述频率计数器202的计数数值可以为所述输入电压Vin、所述压频转换器201的增益(也即压频转换器201的分辨率)和采样时间的乘积。也就是说，模数转换器20的输出值Dout为输入电压Vin、所述压频转换器201的增益和采样时间的乘积。

具体而言，可以通过调整所述压频转换器201的增益和所述采样时间的至少一种，控制所述模数转换器20的分辨率。

本发明实施例中，模数转换器20的分辨率可以通过压频转换器201的分辨率和采样时间来确定，由于压频转换器201的分辨率可以更容易提高，故通过调整采样时间和压频转换器201的分辨率，可以达到调整模数转换器20的分辨率的目的。例如，需要模数转换器20的分辨率增加时，在其他条件不变的情况下，只需要增高压频转换器201的分辨率。

可以理解的是，本发明实施例中的压频转换器201、频率计数器202和锁存器203可以是任意可实施的电路结构或芯片或硬件设备，本发明实施例对此不做限制。

请参照图3，图3是本发明实施例一种采样信号与模数转换器的输出的关系示意图。

一并参照图2和图3，频率计数器202和锁存器203的工作状态可以通过采样信号Sample进行控制。

具体实施中，频率计数器202在采样信号Sample界定的采样时间T内，对所述压频转换器201的脉冲信号进行计数。所述采样时间T开始的时刻，所述频率计数器202的计数数值清零，也即，对频率计数器202进行重置(reset)操作。采样时间结束时，锁存器203对所述计数数值进行锁存。

具体而言，如图3所示，采样信号Sample的上升沿表示采样时间T的开始时刻t0，所述采样信号Sample的下降沿表示采样时间T的结束时刻t1。具体地，在开始时刻t0，频率计数器202的计数数值清零，在采样信号Sample界定的整个采样时间T内，频率计数器202对所述压频转换器201的脉冲信号进行计数，同时将计数数值传送至锁存器203；在结束时刻t1，锁存器203对当前的计数数值进行锁存输出。也就是说，Sample＝1表示正在进行计数；Sample＝0表示计数结束。

可以理解的是，采样信号Sample可以用于状态查询，还可以作为中断请求信号使用。

具体地，频率计数器202的计数数值可以采用位(bit)表示，频率计数器202的输出信号在每一位上对应逻辑电平。例如，频率计数器202的计数数值为10位，则频率计数器202输出为10个高低电平，可以换算为相应的数值，其中计数数值最大时对应10个逻辑高电平。

具体地，锁存器203的输出Dout，也就是模数转换器20的输出Dout的电位在采样时间T内和开始时刻t0之前是变化的。在结束时刻t1，锁存器203对当前的输出Dout的电位进行锁存，使得输出Dout的电位保持稳定。

具体而言，所述采样信号Sample可以是周期信号，也可以是非周期信号，具体可以根据实际应用环境进行配置，本发明实施例对此不做限制。

需要说明的是，所述采样信号Sample也可以是其他任意可实施的时序信号，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例中，Dout为模数转换器20的输出Dout为所述输入电压Vin、所述压频转换器201的增益和所述采样时间T的乘积。具体可以表示为：Dout＝Vin×Gain×T；其中，Dout为模数转换器20的输出值，Vin为输入电压，Gain为压频转换器201的增益，T为采样时间。

本发明一实施例中，压频转换器201的增益为10MHz/V时，对于1V的输入电压Vin，在采样时间T为一秒时，压频转换器201将会有频率为10MHz的脉冲信号输出，频率计数器202的计数数值输出可以达到10M，模数转换器20的输出值Dout＝＝1V×10MHz/V×1＝10⁷，模数转换器20的分辨率可以达到10⁷，也就是说，模数转换器20能够分辨量化的最小电压为0.1uV。

本发明另一实施例中，压频转换器201的增益为10MHz/V时，对于1V的输入电压Vin，如果采样时间T为1毫秒，压频转换器201将会有频率为10MHz的脉冲信号输出，频率计数器202的计数数值输出可以达到10000。模数转换器20的输出值Dout＝1V×10MHz/V×1/1000＝10⁴，模数转换器20的分辨率可以达到10⁴(也即大于13位)，也就是说，模数转换器20能够分辨量化的最小电压为0.1mV。

由上，模数转换器20分辨率可以提高，只需要使用增益更高的压频转换器201，例如100MHz/V，那么同样的1毫秒采样时间T，模数转换器20的输出值Dout＝1V×100MHz/V×1/1000＝10⁵，模数转换器20的分辨率可以达到10⁵(也即大于16位)。

本发明实施例中，采用压频转换器将输入电压转换为脉冲信号，对压频转换器输出的脉冲信号进行计数，实现了高分辨率的模拟信号到数字信号的转换，解决了传统的高分辨率的模数转换器无法匹配无源元件的问题。同时，模数转换器的不同的分辨率可以通过调整压频转换器的增益以及采样时间来获得，提高了模数转换器的分辨率及分辨率的灵活性。

本发明实施例还公开了一种电子设备，所述电子设备可以包括所述的模数转换器20。

具体而言，可以通过模数转换器20，避免电子设备无法匹配无源元件的问题，扩大了该电子设备的应用范围。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种模数转换器，其特征在于，包括：

压频转换器，适于接收输入电压，将所述输入电压转换为脉冲信号；所述脉冲信号为具有频率信息的信号，所述频率信息与输入电压的幅度相关；

频率计数器，在采样信号界定的采样时间内，对所述压频转换器的脉冲信号进行计数，以得到计数数值；

其中，所述频率计数器的计数数值为所述输入电压、所述压频转换器的增益和所述采样时间的乘积；通过调整所述压频转换器的增益和所述采样时间的至少一种，控制所述模数转换器的分辨率。

2.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，还包括：

锁存器，适于在所述采样信号界定的采样时间结束时对所述计数数值进行锁存，锁存结果作为所述模数转换器的输出值输出。

3.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述采样信号的上升沿表示所述采样时间开始，所述采样信号的下降沿表示所述采样时间结束。

4.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的模数转换器。

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