CN107888191A - 逐次逼近模数转换器及其基于自适应预测区间的量化方法 - Google Patents

Abstract

逐次逼近模数转换器及其基于自适应预测区间的量化方法，属于模拟数字转换技术领域。本发明中的DAC模块包括两个冗余电容，根据切换冗余电容前的第一比较结果切换第一冗余电容并得到切换后的第二比较结果，在根据比较第一比较结果和第二比较结果判断是继续量化还是切换第二冗余电容并得到切换后的第三比较结果，再根据比较第二比较结果和第三比较结果判断是调整预测区间还是直接从最高位开始量化。本发明确保了在预测区间窗口大小范围内的采样点能够预测正确，通过预测正确可以大幅度减少比较次数和DAC模块中电容开关的切换次数。

Description

逐次逼近模数转换器及其基于自适应预测区间的量化方法

技术领域

本发明属于模拟数字转换技术领域，尤其涉及一种逐次逼近模数转换器及其基于自适应预测区间的量化方法，以及本发明在生物电信号特征参数提取中的应用。

背景技术

针对生物电信号在大部分时间内，幅度变化缓慢、不同波段区分明显、具有周期性变化的特性，有文献提出了区间预测算法，传统的区间预测技术，通过将上次量化结果高几位直接载入到本次高几位的量化结果，如果预测正确就可以进行低位比较，如果预测错误则将高几位的下极板电容复位，重新进行量化。

量化区间预测技术的引入，可以减少数模转换器DAC的量化次数，大幅度地衰减信号中低频部分的量化功耗，从而使得系统的整体功耗大幅度降低。但是该区间预测算法存在明显的缺点，当输入信号采样点位于预测区间以外，但是非常接近预测区间时，前后两次采样的信号幅度变化仍然很小，该区间预测算法会判断预测错误，将预测区间电容复位并重新量化，造成了不必要的比较和切换。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为实现系统对信号的中低频部分进行更低功耗的量化，本发明提供了一种逐次逼近模数转换器及其基于自适应预测区间的量化方法，保证在预测区间窗口大小范围内的采样点都能预测正确，具有较好的区间预测能力和较低的功耗。

本发明的技术方案为：

一种逐次逼近模数转换器，包括DAC模块、比较器模块、SAR逻辑电路模块和预测判断控制电路模块，

所述DAC模块获取输入信号，其输出端连接所述比较器模块的输入端，其控制端连接所述SAR逻辑电路模块的第一输出端和预测判断控制电路模块的第一输出端；所述比较器模块的输出端连接所述SAR逻辑电路模块的第一输入端和预测判断控制电路模块的输入端，所述预测判断控制电路模块的第二输出端连接所述SAR逻辑电路模块的第二输入端，所述SAR逻辑电路模块的第二输出端输出所述逐次逼近模数转换器的数字输出；

所述DAC模块包括两组基于共模电压复位的二进制开关电容阵列，每组二进制开关电容阵列为分段电容阵列，包括主DAC阵列、子DAC阵列和连接在所述主DAC阵列和子DAC阵列之间的耦合电容C_S，所述主DAC阵列包括M个量化电容以及第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2，M为大于1的正整数，按权重由高到低的顺序给所述主DAC阵列的M个量化电容编号为C₁、C₂、……、C_M，第一冗余电容C_R1与量化电容C_M的电容值相等，第二冗余电容C_R2与量化电容C_M-1的电容值相等，所述第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2依次插在所述量化电容C_M之后。

具体的，所述子DAC阵列包括L个量化电容，按权重由高到低的顺序给所述子DAC阵列的L个量化电容编号为C_M+1、C_M+2、……、C_M+L，L为大于1的正整数；所述子DAC阵列中的量化电容上极板耦合并连接所述耦合电容C_S的一端和共模电压，下极板通过开关分别连接输入电压、共模电压、参考电压和地电压，所述参考电压为所述逐次逼近模数转换器的参考电压，所述共模电压的电压值为所述参考电压的电压值的一半；所述主DAC阵列中的量化电容的上极板耦合并连接所述耦合电容C_S的另一端和所述比较器模块的正向输入端或负向输入端，下极板通过开关分别连接输入电压、共模电压、参考电压和地电压。

一种基于自适应预测区间的逐次逼近模数转换器的量化方法，所述逐次逼近模数转换器中DAC模块为分段式二进制开关电容阵列，包括主DAC阵列、子DAC阵列和连接在所述主DAC阵列和子DAC阵列之间的耦合电容C_S，所述主DAC阵列包括M个量化电容以及第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2，M为大于1的正整数，按权重由高到低的顺序给所述主DAC阵列的M个量化电容编号为C₁、C₂、……、C_M，第一冗余电容C_R1与量化电容C_M的电容值相等，第二冗余电容C_R2与量化电容C_M-1的电容值相等，所述第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2依次插在所述量化电容C_M之后；

所述自适应预测区间的方法是在所述逐次逼近模数转换器的量化过程中进行预测区间的自适应调整，所述基于自适应预测区间的量化过程包括如下步骤：

步骤一：将所述逐次逼近模数转换器上电复位，DAC模块采样保持，主DAC阵列中量化电容下极板连接保持不变，子DAC阵列中量化电容的下极板接共模电平，第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2的下极板接共模电平；

步骤二：对DAC模块的输出信号进行第一次比较产生第一比较结果b₀，根据第一比较结果b₀切换第一冗余电容C_R1，切换之后对DAC模块的输出信号进行第二次比较产生第二比较结果b₁；

步骤三：比较步骤二的两次比较结果，若b₀≠b₁则预测正确，量化剩余位数，完成本次量化；若b₀＝b₁，根据第二比较结果切换第二位冗余电容，切换之后对DAC模块的输出信号进行第三次比较产生第三比较结果b₂；

步骤四：比较第二比较结果b₁和第三比较结果b₂，若b₁≠b₂则预测正确，此时根据第三比较结果b₂调整预测区间，量化剩余位数，完成本次量化；若b₁＝b₂，预测错误，将主DAC阵列中量化电容的下极板接共模电平复位，再从最高位开始量化。

具体的，所述步骤四中根据第三比较结果b₂调整区间的具体做法为：当第三比较结果b₂＝1时，将此时主DAC的预测码字-1形成新的预测区间；当第三比较结果b₂＝0时，将此时主DAC的预测码字+1形成新的预测区间。

具体的，所述根据第一比较结果b₀切换第一冗余电容C_R1的具体做法为：若b₀＝1，则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压切换至地电压，若b₀＝0则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压切换至参考电压；根据第二比较结果b₁切换第二冗余电容C_R2的具体做法为：若b₁＝1，则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压切换至地电压，若b₁＝0则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压切换至参考电压。

本发明的有益效果为：确保了在预测区间窗口大小范围内的采样点能够预测正确，通过预测正确可以大幅度减少比较次数和DAC模块中电容开关的切换次数；对于心电信号(ECG)和脑电信号(EEG)等生物电信号包含大量的频率低、幅值变化缓慢的生物电信号，本发明提供的基于区间预测技术的量化方法可以滤除掉这些频率低、幅值变化缓慢的信号，提取其中的特征参数。

附图说明

图1为本发明提供的逐次逼近模数转换器的系统框图。

图2为本发明提供的逐次逼近模数转换器中带二进制冗余电容的分段DAC模块结构示意图。

图3为实施例中带二进制冗余电容的分段DAC模块结构示意图。

图4为预测高五位时的采样点和预测区间示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明，需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

如图3所示为实施例中DAC模块的结构示意图，包括两组分段式电容阵列，每组电容阵列包括主DAC阵列、子DAC阵列和连接在所述主DAC阵列和子DAC阵列之间的耦合电容C_S，主DAC阵列包括7个量化电容以及第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2，按权重由高到低的顺序给所述主DAC阵列的M个量化电容编号为C₁、C₂、……、C₇，第一冗余电容C_R1与量化电容C₇的电容值相等，第二冗余电容C_R2与量化电容C₆的电容值相等，使得预测区间和观察窗口大小相同，第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2依次插在所述量化电容C₇之后。主DAC阵列中的量化电容的上极板耦合并连接耦合电容C_S的一端和比较器模块的正向输入端或负向输入端，下极板通过开关分别连接输入电压V_in、共模电压V_cm、参考电压V_ref和地电压gnd，其中参考电压V_ref为逐次逼近模数转换器的参考电压，共模电压V_cm的电压值为参考电压V_ref的电压值的一半。子DAC阵列包括4个量化电容，按权重由高到低的顺序给子DAC阵列的4个量化电容编号为C₈、C₉C₁₀、C₁₁；子DAC阵列中的量化电容上极板耦合并连接所述耦合电容C_S的另一端和共模电压V_cm，下极板通过开关分别连接输入电压V_in、共模电压V_cm、参考电压V_ref和地电压gnd。

基于本发明提供的逐次逼近模数转换器，本发明提出了一种基于自适应预测区间的量化方法，在逐次逼近模数转换器量化过程中自适应地调整预测区间，预测区间为上一次高位量化结果的预测码字序列。如果预测高M位，D_pre(C₁:C_M)表示本次量化的预测码字，上一次量化结束时将高M位的编码赋给D_pre(C₁:C_M)，逐次逼近模数转换器采样保持后，D_pre(C₁:C_M)用于控制量化电容C₁-C_M的下极板开关切换，Dpre(C_i)＝0时电容C_i下极板接地电压gnd，Dpre(C_i)＝1时电容C_i下极板接参考电压V_ref，i为1至M的正整数，除了C₁-C_M其余所有电容下极板接共模电压V_cm。随后进行一次比较，记录切换冗余电容之前的比较结果为第一比较结果b₀，根据第一比较结果b₀切换第一冗余电容C_R1，若b₀＝1，则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压V_cm切换至地电压gnd，若b₀＝0则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压V_cm切换至参考电压V_ref，然后得到切换第一冗余电容C_R1之后的第二比较结果b₁，如果b₀≠b₁，则预测正确，不需要切第二冗余电容C_R2，然后开始量化剩余位数；如果b₀＝b₁，则根据第二比较结果b₁切换第二冗余电容C_R2，若b₁＝1，则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压V_cm切换至地电压gnd，若b₁＝0则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压V_cm切换至参考电压V_ref，得到切换第二冗余电容C_R2之后的第三比较结果b₂；如果此时b₁≠b₂，则预测正确，并调整预测区间，将D_pre(C₁:C_M)+1或-1，然后开始量化剩余位数；如果b₀、b₁、b₂都相同，则预测错误，表示此次量化不能通过预测高位的方式实现，需要以二进制搜寻的方法，将C₁-C_M的下极板切换至共模电压V_cm进行复位，然后直接从最高位开始量化，量化结束后更新D_pre(C₁:C_M)。

以预测高五位为例，如图4所示，假如上一个采样点V₁量化高五位得到的码值为10110，接下来的点V₂也在这个预测区间内，则

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₂比处于预测区间中间的参考电平要大，所以V_P-V_N<0，此时输出码字b₀＝1，同时此码字指导第一个冗余电容C_R1的切换，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₂比处于预测区间顶端的参考电平要小，所以V_P-V_N>0，此时输出码字b₁＝0，同时判定预测正确，保留当前预测区间，然后开始剩余位数的量化。

若下一个点V₃在预测区间以外，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₃比处于预测区间中间的参考电平要大，所以V_P-V_N<0，此时输出码字b₀＝1，同时此码字指导第一个冗余电容C_R1的切换，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₃比处于预测区间顶端的参考电平要大，所以V_P-V_N<0，此时输出码字b₁＝1，同时此码字指导第二个冗余电容C_R2的切换，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₃比这个参考电平要小，而这个参考电平是观察窗口顶端位置所对应的电压，所以V_P-V_N>0，此时输出码字b₂＝0，同时判定预测正确，并将预测区间从10110改变为10111，作为下一个点的预测值，然后开始剩余位的量化。

若下一个输入信号采样点V₄幅度陡增，即在预测区间和观察窗口以外，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₄比处于预测区间中间的参考电平要大，所以V_P-V_N<0，此时输出码字b₀＝1，同时此码字指导第一个冗余电容C_R1的切换，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₄比处于预测区间顶端的参考电平要大，所以V_P-V_N<0，此时输出码字b₁＝1，同时此码字指导第二个冗余电容C_R2的切换，则：

DAC P端：

DAC N端：

所以

显然V₄比这个参考电平要大，V_P-V_N<0，此时输出码字b₂＝1，此时判断预测错误，将冗余电容之前的所有电容下极板复位，重新从高位开始量化。

虽然在信号幅度陡增即预测错误时，会增加比较器的比较次数，但是由于生物电信号，如心电信号(ECG)、脑电信号(EEG)在大部分时间内幅度变化缓慢，对于生物电信号平缓的部分可以正确的预测量化出其值或者跳过不量化，可以大幅度减少比较器的比较次数；当预测错误时量化出其值，根据量化过程中连续预测错误的次数可以将波形分类并识别出有用的波形，例如心电信号的T波、P波、QRS波群等。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种逐次逼近模数转换器，包括DAC模块、比较器模块、SAR逻辑电路模块和预测判断控制电路模块，

所述DAC模块获取输入信号，其输出端连接所述比较器模块的输入端，其控制端连接所述SAR逻辑电路模块的第一输出端和预测判断控制电路模块的第一输出端；所述比较器模块的输出端连接所述SAR逻辑电路模块的第一输入端和预测判断控制电路模块的输入端，所述预测判断控制电路模块的第二输出端连接所述SAR逻辑电路模块的第二输入端，所述SAR逻辑电路模块的第二输出端输出所述逐次逼近模数转换器的数字输出；

其特征在于，所述DAC模块包括两组基于共模电压复位的二进制开关电容阵列，每组二进制开关电容阵列为分段电容阵列，包括主DAC阵列、子DAC阵列和连接在所述主DAC阵列和子DAC阵列之间的耦合电容C_S，所述主DAC阵列包括M个量化电容以及第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2，M为大于1的正整数，按权重由高到低的顺序给所述主DAC阵列的M个量化电容编号为C₁、C₂、……、C_M，第一冗余电容C_R1与量化电容C_M的电容值相等，第二冗余电容C_R2与量化电容C_M-1的电容值相等，所述第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2依次插在所述量化电容C_M之后。

2.根据权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述子DAC阵列包括L个量化电容，按权重由高到低的顺序给所述子DAC阵列的L个量化电容编号为C_M+1、C_M+2、……、C_M+L，L为大于1的正整数；所述子DAC阵列中的量化电容上极板耦合并连接所述耦合电容C_S的一端和共模电压，下极板通过开关分别连接输入电压、共模电压、参考电压和地电压，所述参考电压为所述逐次逼近模数转换器的参考电压，所述共模电压的电压值为所述参考电压的电压值的一半；所述主DAC阵列中的量化电容的上极板耦合并连接所述耦合电容C_S的另一端和所述比较器模块的正向输入端或负向输入端，下极板通过开关分别连接输入电压、共模电压、参考电压和地电压。

3.一种基于自适应预测区间的逐次逼近模数转换器的量化方法，其特征在于，所述逐次逼近模数转换器中DAC模块为分段式二进制开关电容阵列，包括主DAC阵列、子DAC阵列和连接在所述主DAC阵列和子DAC阵列之间的耦合电容C_S，所述主DAC阵列包括M个量化电容以及第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2，M为大于1的正整数，按权重由高到低的顺序给所述主DAC阵列的M个量化电容编号为C₁、C₂、……、C_M，第一冗余电容C_R1与量化电容C_M的电容值相等，第二冗余电容C_R2与量化电容C_M-1的电容值相等，所述第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2依次插在所述量化电容C_M之后；

所述自适应预测区间的方法是在所述逐次逼近模数转换器的量化过程中进行预测区间的自适应调整，所述基于自适应预测区间的量化过程包括如下步骤：

步骤一：将所述逐次逼近模数转换器上电复位，DAC模块采样保持，主DAC阵列中量化电容下极板连接保持不变，子DAC阵列中量化电容的下极板接共模电平，第一冗余电容C_R1和第二冗余电容C_R2的下极板接共模电平；

步骤二：对DAC模块的输出信号进行第一次比较产生第一比较结果b₀，根据第一比较结果b₀切换第一冗余电容C_R1，切换之后对DAC模块的输出信号进行第二次比较产生第二比较结果b₁；

步骤三：比较步骤二的两次比较结果，若b₀≠b₁则预测正确，量化剩余位数，完成本次量化；若b₀＝b₁，根据第二比较结果切换第二位冗余电容，切换之后对DAC模块的输出信号进行第三次比较产生第三比较结果b₂；

步骤四：比较第二比较结果b₁和第三比较结果b₂，若b₁≠b₂则预测正确，此时根据第三比较结果b₂调整预测区间，量化剩余位数，完成本次量化；若b₁＝b₂，预测错误，将主DAC阵列中量化电容的下极板接共模电平复位，再从最高位开始量化。

4.根据权利要求3所述的基于自适应预测区间的逐次逼近模数转换器的量化方法，其特征在于，所述步骤四中根据第三比较结果b₂调整区间的具体做法为：当第三比较结果b₂＝1时，将此时主DAC的预测码字-1形成新的预测区间；当第三比较结果b₂＝0时，将此时主DAC的预测码字+1形成新的预测区间。

5.根据权利要求3所述的基于自适应预测区间的逐次逼近模数转换器的量化方法，其特征在于，所述根据第一比较结果b₀切换第一冗余电容C_R1的具体做法为：若b₀＝1，则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压切换至地电压，若b₀＝0则将第一冗余电容C_R1下极板从共模电压切换至参考电压；根据第二比较结果b₁切换第二冗余电容C_R2的具体做法为：若b₁＝1，则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压切换至地电压，若b₁＝0则将第二冗余电容C_R2下极板从共模电压切换至参考电压。