CN108028660B - 用于对模数转换器的输入信号进行滤波的滤波器电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种滤波器电路(200)，包括：至少第一滤波器线路(210)。所述第一滤波器线路(210)具有第一输入电路(10)、第一积分电路(20)、和第一输出电路(30)。所述第一输入电路(10)采用以下这样的方式来配置：根据输入信号的值，所述第一输入电路(10)将输入信号(5)转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号，并且在规定的时间段内将所述第一第一级输出信号中继到所述第一积分电路(20，420)。所述第一积分电路(20)配置成在所述规定的时间段内对所述第一输入电路(10)的所述第一第一级输出信号进行积分并生成第一积分信号(25)。所述第一输出电路(30)配置成将所述第一积分信号(25)与第一输参考值进行比较并且生成第一第二级输出信号(35)。本申请还涉及一种相关的滤波方法。

Description

用于对模数转换器的输入信号进行滤波的滤波器电路

技术领域

本发明涉及一种用于对模数转换器的输入信号进行滤波的滤波器电路，还涉及一种模数转换器，以及一种用于对模数转换器的输入信号进行滤波的相关方法。

背景技术

模数转换器(ADC)应该在给定的循环时间点决定输入信号是高于还是低于给定的阈值，则多个阈值在时钟周期的某个时间点产生信号的数字表示。在传统ADC的情况下，输入信号必须在转换之前被滤波(抗混叠滤波器)。在这个过程中，噪声或非线性会干扰输入信号。活跃的滤波器消耗额外的能量。为了避免检测时间点的波动，为时钟信号产生尽可能清晰的边缘也是致力达到的目的。由于寄生耦合，这些边缘对ADC的内部信号造成干扰，换句话说，例如这些边缘也在输入信号与之比较的参考电压中造成干扰。这些波动导致了比较器的错误判断。

在这种情况下，国际专利文献WO99/13583公开了一种用于校正在模数转换器的操作期间发生的比较器偏移的系统和方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的滤波器电路，特别是用于对模数转换器的输入信号进行滤波。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于对输入信号，特别是模拟输入信号进行滤波的滤波器电路。一种滤波器电路，包括：至少第一滤波器线路。所述第一滤波器线路具有第一输入电路、第一积分电路、和第一输出电路。所述第一输入电路采用以下这样的方式来配置：根据输入信号的值，所述第一输入电路将输入信号转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号，并且在规定的时间段内将所述第一第一级输出信号中继到所述第一积分电路。所述第一积分电路配置成在所述规定的时间段内对所述第一输入电路的所述第一第一级输出信号进行积分并生成第一积分信号。所述第一输出电路配置成将所述第一积分信号与第一输出参考值进行比较并且生成第一第二级输出信号。

该积分防止对输入信号的改变，尤其是对输入信号中比规定时间段短的高频干扰，对积分结果几乎没有影响。在这种情况下，第一第一级输出信号可以是离散性质的。离散的第一第一级输出信号的示例可以是比较器的输出端处定义的电压，所述比较器比较输入信号是高于还是低于定义的参考电压。第一第一级输出信号可以连续发射或以离散的时间间隔发射。

第一过滤器线路具有第一输入参考值。在这种情况下，第一个输入参考值可以是固定的或可自由设计的。将输入信号与第一输入参考值进行比较以确定第一第一级输出信号。

输入信号被输入电路转换成第一第一级输出信号，在这个实施例中，第一第一级输出信号将输入信号设置为与所定义的第一输入参考值的定义关系。在该实施例中，输入信号的这种参考的目的是使第一第一级输出信号通过与定义的第一输入参考值的关系来区分。所述第一第一级输出信号与输入信号减去第一输入参考值(11,12,13,14)的数学符号相对应。第一输入参考值可以有一个离散值。

第一输入电路优选为至少包括一个输入比较器，并且第一输出电路优选至少包括一个输出比较器。

第一积分电路优选具有至少第一电容器和第一开关。在该实施例中，第一电容器和第一开关被配置成使得，在规定的时间段内，所述第一电容器和所述第一开关配置累积成与所述第一第一级输出信号关联的电荷。第一开关采用以下这样的方式来切换，例如在规定的时间段内，由于第一第一级输出信号电荷流入第一电容器。在规定的时间段结束时，第一开关采用以下这样的方式来切换，使得在规定的时间段内累积的电荷可以作为积分信号被中继到第一电容器，或者也可以被提供给输出电路。一旦积分信号已经被中继到输出电路，第一开关采用以下这样的方式来切换，使得第一电容器被放电。在随后的规定的时间段内，第一电容器可以被再充电，以便再次提供积分信号。

所述规定的时间段优选为由第一常规时间信号来规定。第一常规时间信号可以是，例如，电路装置内的周期性时钟信号。该时钟信号可以是，例如，矩形形状，其中至少半个时钟周期的时钟信号被用于产生积分信号。

第一滤波器线路优选具有用于时间离散化的第一电路。在该过程中，所述用于时间离散化的第一电路配置成处理所述第一第二级输出信号并将其转换成时间离散输出信号。时间离散化电路的例子是定时触发器或锁存器。用于时间离散化的第一电路优选地被配置成根据所述第一常规时间信号特别是周期性的时间信号将第一第二级输出信号转换为第一时间离散输出信号。

滤波器电路优选为至少包括第二滤波器线路，其中所述输入信号的第一范围与所述第一滤波器线路相关联，以及所述输入信号的第二范围区间与所述第二滤波器线路相关联，其中所述输入信号的所述第一范围不同于所述输入信号的所述第二范围。

第一和第二范围可以部分重叠。第二滤波器线包括第二输入电路，第二积分电路和第二输出电路。第二输入电路产生第二第一级输出信号。积分电路产生第二积分信号。输出电路产生第二第二级输出信号。第一滤波器线路因此被配置成用上述方式对输入信号的第一范围进行滤波。第二滤波器线路因此被配置成用上述方式对输入信号的第二范围进行滤波。

所述第一滤波器电路优选为至少包括第三滤波器线路，其中所述输入信号的第三范围与所述第三滤波器线路相关联，其中所述输入信号的第二范围邻接所述输入信号的第一范围，并且输入信号的第三范围邻接所述输入信号的第二范围。第三滤波器线包括第三输入电路，第三积分电路和第三输出电路。第三输入电路产生第三第一级输出信号。积分电路产生第三积分信号。输出电路产生第三第二级输出信号。第三滤波器线路因此被配置成用上述方式对输入信号的第一范围进行滤波。滤波器电路可以具有附加的滤波器线路(4,5,6或更多)，从而借助滤波器线路可以将多个第二级输出信号或时间离散输出信号分配给输入信号。

输入信号的第一范围，第二范围，第三范围和其他范围优选具有相同的量级。用这种方式，输入信号可以被划分成多个相同量级的范围，借助于各个滤波器电路的滤波器线路可以确定第二级输出信号或时间离散输出信号。

所述第一滤波器线路优选为具有第一输入参考值。所述第二滤波器线路具有第二输入参考值，以及所述第三滤波器线路具有第三输入参考值。所述第一范围通过所述第一输入参考值来进行关联，所述第二范围通过所述第二输入参考值来进行关联，并且所述第三范围通过所述第三输入参考值来进行关联。

在一个优选实施例中，温度计码通过所述第一第二级输出信号、通过由所述第二滤波器线路生成的第二第二级输出信号、以及通过由所述第三滤波器线路生成的第三第二级输出信号来生成。时间离散输出信号最好是时间离散温度计码。

本发明的另一个目的是提出一种改进的模-数转换器。

模数转换器优选为包括一种滤波器电路，所述滤波器电路用上述方式产生时间离散温度计码。所述模数转换器还包括变换单元，其中所述变换单元配置成将时间离散温度计码转换成时间离散二进制输出信号。

本发明的另一个目的是提出一种改进的对信号进行滤波的方法。所述方法包括如下步骤：

-根据输入信号的值，将输入信号转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号；其中所述输入信号与所述第一输入参考值相比较以确定所述第一第一级输出信号；其中所述第一第一级输出信号与输入信号减去第一输入参考值的数学符号相对应；

-在规定的时间段内对所述第一第一级输出信号进行积分；

-基于积分结果生成第一积分信号；

-将所述第一积分信号与第一输出参考值进行比较；以及

-基于比较结果生成第一第二级输出信号。

该方法的各个步骤不一定必须按照上述顺序进行。

要指出的是，根据实施例的滤波器电路，根据实施例的模数转换器以及根据实施例的方法具有相似和/或相同的配置，尤其如在示例中所述。

还要指出的是，从属权利要求与相应的独立权利要求的每个组合也构成了本发明的优选实施例。

以下描述其它优选的实施例。

附图说明

本发明的这些和其他方面在附图中详细示出如下：

图1为第一滤波器电路的结构示意图；

图2为第一模数转换器的结构示意图；

图3为第二模数转换器的结构示意图；

图4为第三模数转换器的线的示意图；

图5为积分电路的积分器的结构示意图；

图6为用于对信号进行滤波的方法的示意图。

具体实施方式

图1为第一滤波器电路200的结构示意图。第一滤波器电路200包括第一滤波器线路210，其中所述第一滤波器线路210具有第一输入电路10、第一积分电路20、和第一输出电路30。所述第一输入电路10将模拟输入信号5转换为第一第一级输出信号，其将输入信号5设定为例如定义的输入参考值11，12， 13，和14。输入信号5的这种参考的目的是通过与所定义的输入参考值11，12， 13，和14的关系来区分第一第一级输出信号。在该实施例中，所述可区分性是由于参考允许在规定的时间段内对第一第一级输出信号进行积分造成的，使得积分的结果具有明确的值。该积分防止对输入信号5的改变，尤其是对输入信号5中比规定时间段短的高频干扰，对积分结果几乎没有影响。在这种情况下，第一第一级输出信号可以是离散性质的，或者也可以是通过参考信号11，12， 13，和14或者相关的参考信号进行参考的输入信号5的稳定图像。离散的第一第一级输出信号的示例可以是比较器的输出端处定义的电压，所述比较器比较输入信号5是高于还是低于定义的参考电压。第一第一级输出信号可以连续发射或以离散的时间间隔发射。在第一级输出信号以离散的时间间隔发射的情况下，必须确保在规定的时间段内产生多个多级输出信号(优选至少三个)。积分电路20接收第一第一级输出信号，并在规定的时间段内对它们进行积分。在这种情况下，积分可以用数字或模拟的方式来进行。在数字积分的情况下，例如，在规定的时间段内，时间离散的第一级输出信号处于高电压和低电压(例如，在比较器的输出端)的数量是可以确定的，然后在将所述数量进行相减。在模拟积分的情况下，例如，由于电荷转移到一个或多个电容器而产生的电压是可以确定的，所述移位转移是由一级输出信号引起的。模拟积分可以具有这样的优点，即对输入信号5中的短暂干扰较不敏感。而且，数字积分将需要第一第一级输出信号的高时钟，以便在规定的时间段内进行可靠的积分。基于第一级输出信号的积分，积分电路20产生第一积分信号25，并将第一积分信号25中继到输出电路30。输出电路30将所述第一积分信号25与第一输出参考值进行比较，并且生成第一第二级输出信号35。

这样的滤波器电路200尤其可以用于模数转换器。与传统的模数转换器相反，模拟信号不会在单个时间点被转换成数字信号，其中该时间点将由例如时钟信号的边缘来规定。当然，模拟信号将在规定的时间段内被积分，例如该时间段可以对应于时钟信号的半个周期。然后，积分信号将会被用来产生数字信号。这将带来这样的优点，即输入信号5中比时钟信号的半个周期更短的波动或干扰大大减小了对数字化的结果产生的影响。输入信号5中的短暂波动或干扰优选地短于规定时间段的一半，三分之一，五分之一或者例如十分之一(在这种情况下，规定时间段为时钟信号的半周期)。

图2为第一模数转换器的结构示意图。模数转换器是1位模数转换器，其具有配置有滤波器线路210的滤波器电路200。滤波器线路210具有配置成整流器的输入电路10，其中整流器包括一个不进行负反馈的放大器。根据输入信号 5和第一参考信号，整流器将两个不同的第一第一级输出信号中继到滤波器线路 210的积分电路20。在一个简单的实施例中，积分电路20具有三个开关，一个电容器。两个开关采用以下这样的方式来断开，即整流器的第一第一级输出信号在时钟信号的第一个半周期内被中继到电容器。在第一个半周期结束时，开启所述两个开关，使得时钟信号的第一个半周期之后的第二个半个周期内，没有电荷被整流器中继到积分电路20。电容器可以通过第三开关短路，使得电容器可以在时钟信号的第二个半周期内再次放电。因此，积分仅在规定的时间内发生，这里特指时钟信号的第一个半周期。输出电路30被配置成比较器，其将由积分电路20发射的积分信号25与参考信号进行比较，然后发射第一第二级输出信号35。第一第二级输出信号35被中继到滤波器电路210的用于时间离散化的电路40。在这个例子中，用于时间离散化的电路40被配置成定时触发器或锁存器。根据第一第二级输出信号35和由时钟信号规定的间隔，定时触发器发射时间离散输出信号45。在所引用的例子中，时间离散输出信号45可以取0或 1的值，其中1与输入信号5的幅度的第一特定范围(例如，正半波)相关联，并且0与输入信号5的幅度的第二特定范围(例如，负半波)相关联。因此，输入信号5通过滤波器电路200的一个滤波器线路210被转换成1比特的二进制信号。

图3为第二模数转换器的结构示意图。模数转换器具有带有四个滤波器线路210的滤波器电路200。输入参考值11，12，13，和14与这些滤波器线路210 中的每一个相关联，并且关于所述四个不同的输入参考值11，12，13，和14，这些参考值允许输入信号5被参考。因此，输入信号5被划分成五个不同的范围。输入信号5被并行地发送到所有的滤波器线路210，从而输入电路10根据所属的输入参考值11，12，13，或14将第一第一级输出信号中继到所属的积分电路20。然后，积分电路20将所属的积分信号25中继到属于相应滤波器线路210的输出电路30。输出电路30产生第一，第二，第三和第四第二级输出信号以用于时间离散化40，所述第一，第二，第三和第四第二级输出信号被中继到所属滤波器线路的电路。每个用于时间离散化的电路40发射时间离散输出信号 45。根据输入信号5在规定的时间段内的幅度和输入参考值11，12，13，或14，每个所述电路以时钟信号的相应间隔发射0或1的值以用于时间离散化。例如，如果上升的电压值(-7.5V；-2.5V；2.5V；7.5V)与输入参考值11，12，13，或 14相关联，则时间离散输出信号产生温度计码(0000，0001，0011，0111，1111)，其可以通过变换单元50变换成时间离散二进制输出信号305。例如，变换单元 50可以将二进制数(0000→000，0001→001，0011→010，0111→011，1111→ 100)通过简单的分配表格转换成相应的温度计码。

图4为第三模数转换器的第二线路的结构示意图。第二线路构成图3所示的模数转换器的第二线路的可能的具体实施方式。输入电路10被具体配置成将输入信号5与输入参考值12进行比较的输入比较器410。输入比较器410的第一第一级输出信号被中继到差分级420a，与积分器420b一样，差分级420a是积分电路20的一部分。差分级420a将输入比较器410的电压信号转换成可以由图5所示的积分器420b进行积分的电流信号。积分器420b具有两个分支，其中每个分支包括两个电容器。这里，一个支路在时钟信号为高时钟信号425 的半个周期内被充电，另一个支路在时钟信号为低时钟信号426的半个周期内被充电。这通过如图5所示的自锁晶体管422和自导电晶体管423的布置，并且根据时钟信号(高或低)对第一或第二支路的电容器进行充电或放电。通过输出电路30包含的两个输出比较器430来确定电容器的电荷。在这种情况下，一个输出比较器430与第一分支相关联，另一个输出比较器430与积分器420b 的第二分支相关联。两个输出比较器430的输出依次被中继到用于时间离散440 的相关电路的相关输入端。输出比较器430的输出(图4中的下部或图5中的右侧部分)与积分器420b的第一分支相关联的信号因此被中继到第一定时触发器的输入端。第一定时触发器由低时钟信号426计时。与积分器420b的第二分支相关联的输出比较器430(图4中的上部或图5中的左侧部分)的输出因此被中继到第二定时触发器的输入端。第二定时触发器由低时钟信号426来计时。积分器420b的两个分支与输出电路30的两个输出比较器430以及与相应的用于时间离散化的电路440的定时触发器组合，使得在这种情况下，可以在时钟信号的两个半周期内将输入信号5转换成第二(具有输入参考值12的第二滤波器线路)时间离散输出信号45。然后使用多路复用器445将两个分支的时间离散输出信号45组合以形成第二时间离散输出信号，然后将其与第一，第三，和第四时间离散输出信号一起中继到变换单元450。如上所述，变换单元450将温度计码转换成时间离散二进制输出信号305。在替代实施例中，多路复用器445 也可以安装在变换单元450的下游，使得相关线路(或滤波器线210)的两个分支的时间离散输出信号首先通过变换单元450被数字化，并且随后被多路复用器445组合以形成时间离散二进制输出信号305。滤波器线路210或模数转换器的线路的数量根据分辨率来选择，所述分辨率应该使得时间离散输出信号305 可能与输入信号5相关。

图6为用于对信号进行滤波的方法的示意图。在步骤510中，根据输入信号5的值，将所述输入信号5转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号。在步骤520中，在规定的时间段内对所述第一第一级输出信号进行积分。在步骤530中，基于积分结果生成第一积分信号25。在步骤540中，将第一积分信号25与第一输出参考值或输出参考信号进行比较。在步骤550中，基于步骤540 中的比较结果生成第一第二级输出信号35。

本发明的思想是在规定的时间段内对输入信号5进行积分，然后将积分结果转换成时间离散输出信号45。反过来，时间离散输出信号45又可以被转换成时间离散二进制输出信号305。以这种方式，有可能减少与规定时间段相比具有较高频率的波动或干扰对模拟输入信号5的数字化造成的影响，因为输入信号的数字化不再取决于输入信号5的瞬时值。

例如，可以在模数转换器(ADC)中采用适当调整的滤波器电路。ADC功能分三个阶段：

1)值离散化：通过例如n-1个放大器(整流器)将输入信号连续数字化为 n位。放大器的输出信号与输入信号减去相应的参考值的数学符号相对应。这使得放大器下游的输入信号的连续温度计码生成。

2)周期性积分：每位温度计码在时钟信号的半个周期内自行积分。积分电路的输出信号是指示半周期内相关比特的温度计码是更频繁-1还是+1的数学符号。

3)时间离散化：在半周期结束时，时钟放大器检测积分时间结束时积分电路的输出信号是-1还是+1。

4)转换：在检测到温度计码后，将时间离散的输出信号转换成二进制码。

本领域技术人员从前面的公开内容，附图和权利要求中可以获知本发明的其他变形及其实施方式。

在权利要求中，诸如“含有”，“包括”，“包含”，“具有”等使用的术语不排除另外的元件或步骤。不定冠词的使用并不排除复数。每个单独的设备可以执行权利要求中引用的几个单元或设备的功能。权利要求中指出的附图标记不应被解释为对所采用的手段和步骤的限制。

附图标记参考表

5 输入信号

10 输入电路

11,12,13,14 输入参考值

20 积分电路

25 积分信号

30 输出电路

35 第二级输出信号

40,440 时间离散化电路

45 时间离散输出信号

50,450 变换单元

200 滤波器电路

210 滤波器线路

300 模数转换器

305 离散二进制输出信号

410 输入比较器

420a 差分级

420b 积分电路

422 自锁晶体管

423 自导电晶体管

425 时钟高

426 时钟低

427 供电电压(电源电压)

430 输出比较器

445 多路复用器

510 模拟输入信号的转换

520 对第一级输出信号进行积分

530 生成积分信号

540 将积分信号与输出参考值进行比较

550 生成第二级输出信号

Claims (12)

1.一种滤波器电路(200)，包括：至少第一滤波器线路，其中所述第一滤波器线路具有第一输入电路(10)、第一积分电路(20)、和第一输出电路(30)；其中所述第一滤波器线路具有第一输入参考值；其中所述第一输入电路(10)采用以下这样的方式来配置：根据输入信号的值，所述第一输入电路(10)将输入信号(5)转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号；其中所述输入信号与所述第一输入参考值相比较以确定所述第一第一级输出信号；其中所述第一第一级输出信号与输入信号（5）减去第一输入参考值的差的数学符号相对应；其中所述第一输入电路(10)还被配置成在规定的时间段内将所述第一第一级输出信号中继到所述第一积分电路(20)；其中所述第一积分电路（20）配置成在所述规定的时间段内对所述第一输入电路(10)的所述第一第一级输出信号进行积分并生成第一积分信号(25)；其中所述第一输出电路(30)配置成将所述第一积分信号（25）与第一输出参考值进行比较并且生成第一第二级输出信号。

2.根据权利要求1所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述第一输入电路（10）至少包括输入比较器（410）；并且所述第一输出电路（30）至少包括输出比较器（430）。

3.根据权利要求1或2所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述第一积分电路（20）至少具有第一电容器和第一开关，其中所述第一电容器和所述第一开关配置成使得在所述规定的时间段内，所述第一电容器和所述第一开关配置成累积与所述第一第一级输出信号关联的电荷。

4.根据权利要求1或2所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述规定的时间段由第一常规时间信号来规定。

5.根据权利要求4所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述第一滤波器线路具有用于时间离散化的第一电路（40，440），所述用于时间离散化的第一电路（40，440）配置成处理所述第一第二级输出信号并将其转换成时间离散输出信号（45）。

6.根据权利要求5所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述用于时间离散化的第一电路（40，440）配置成根据所述第一常规时间信号将所述第一第二级输出信号转换成时间离散输出信号（45）。

7.根据权利要求1或2所述的滤波器电路（200），其特征在于，滤波器电路至少包括第二滤波器线路，其中所述输入信号的第一范围与所述第一滤波器线路相关联，以及所述输入信号（5）的第二范围区间与所述第二滤波器线路相关联，其中所述输入信号（5）的所述第一范围不同于所述输入信号（5）的所述第二范围。

8.根据权利要求7所述的滤波器电路（200），其特征在于，还至少包括第三滤波器线路，其中所述输入信号（5）的第三范围与所述第三滤波器线路相关联，其中所述输入信号（5）的第二范围邻接所述输入信号（5）的第一范围，并且输入信号（5）的第三范围邻接所述输入信号（5）的第二范围。

9.根据权利要求8所述的滤波器电路（200），其特征在于，所述第二滤波器线路具有第二输入参考值，以及所述第三滤波器线路具有第三输入参考值，其中所述第一范围通过所述第一输入参考值来进行关联，所述第二范围通过所述第二输入参考值来进行关联，并且所述第三范围通过所述第三输入参考值来进行关联。

10.根据权利要求8所述的滤波器电路（200），其特征在于，温度计码通过所述第一第二级输出信号、通过由所述第二滤波器线路生成的第二第二级输出信号、以及通过由所述第三滤波器线路生成的第三第二级输出信号来生成。

11.一种模数转换器，包括：如权利要求10所述的滤波器电路（200）和变换单元（50），其中所述变换单元（50）配置成将时间离散温度计码转换成时间离散二进制输出信号（305）。

12.一种对信号进行滤波的方法，包括以下步骤：

-根据输入信号（5）的值，将输入信号(5)转换为至少两个可区分的第一第一级输出信号；其中所述输入信号与第一输入参考值相比较以确定所述第一第一级输出信号；其中所述第一第一级输出信号与输入信号（5）减去所述第一输入参考值的差的数学符号相对应;

-在规定的时间段内对所述第一第一级输出信号进行积分；

-基于积分结果生成第一积分信号（25）；

-将所述第一积分信号（25）与第一输出参考值进行比较；以及

-基于比较结果生成第一第二级输出信号。

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