CN109756228A - 一种多通道sar-adc电路的通道转换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道SAR‑ADC电路的通道转换控制方法，其包括有如下步骤：步骤S1，控制SAR‑ADC电路进入多通道采样状态；步骤S2，控制SAR‑ADC电路进入采样保持状态；步骤S3，控制SAR‑ADC电路进入全局复位状态；步骤S4，控制SAR‑ADC电路的第一通道依次进入复位状态和保持状态；步骤S5，控制SAR‑ADC电路的第一通道进入数据量化状态；步骤S6，控制SAR‑ADC电路进入全局复位状态；步骤S7，控制SAR‑ADC电路的下一通道依次进入复位状态和保持状态；步骤S8，控制SAR‑ADC电路的下一通道进入数据量化状态；重复步骤S6至步骤S8，直至将全部通道的数据量化完成。本发明可保证各通道转换时序一致，进而降低第一通道与其他通道之间的转换误差。

Description

一种多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法

技术领域

本发明涉及SAR-ADC电路，尤其涉及一种多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法。

背景技术

模拟数字转换器(ADC)是模拟集成电路领域的常用电路模块，其功能是完成数据从模拟量到数字量的转换。逐次逼近寄存器型ADC(SAR-ADC)是采样速率低于5Msps(每秒百万次采样)的中等至高分辨率应用的常见结构。SAR-ADC的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特点使该类型ADC具有很宽的应用范围，例如便携/电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据/信号采集等。在特定的应用领域，比如触摸屏驱动，报点率是非常重要的性能指标，报点率决定了触摸屏的触控灵敏度，影响用户体验，而报点率取决于完成一次触摸屏的所有坐标阵列扫描所需的时间。从报点率的角度考虑，触摸控制系统理论上可以为每一个扫描通道配置一个SAR-ADC，这样所有通道并行扫描一次，即可完成全屏扫描，报点率最高。但这种方案电路占用的面积非常大，成本非常高，在实际应用中几乎没有意义。为减小电路占用的面积，降低方案成本，触摸控制系统广泛采用多个扫描通道共用一个SAR-ADC的方案，通道之间的切换采用开关控制，这种SAR-ADC的应用一般称为多输入通道SAR-ADC，也称多通道SAR-ADC。

以上触摸控制系统方案中，由于ADC的核心部分只有一个，因此每个通道的数据是串行转换的。具体来说，每个通道提供一个数据，所有数据采样一次完成，然后进行第一个通道数据转换，完成第一个数据转换后，ADC复位，然后再进行第二个通道数据转换…以此类推，直到所有通道数据转换结束。在以上转换时序中，第一个通道数据转换开始前，由于存在一个全局采样过程，其转换时序和其他数据转换时序有可能不完全相同，存在微小的差别。由于电路的非理想特性(比如开关的非理想特性、电容的ESR电阻、物理版图的寄生参数)，时序上的这些微小差别可能会导致电容上电荷的转移存在差别，从而导致在转换相同大小的电压(或其他电学参数)时，第一个通道数据转换和其他通道数据转换的输出数字结果存在差别，引入第一个通道和其他通道之间的转换误差。实验和仿真数据表明，这种误差在极端情况下会达到8～10LSB。因此，如何在不显著增加ADC的转换时间的前提下，减小多通道SAR-ADC第一个通道数据转换时序和其他通道数据转换时序的差别，从而减小由此引起的第一个通道和其他通道之间的转换误差，成为目前迫切需要解决的技术问题。

现有技术中，请参照图1，第一通道和下一通道的转换时序存在微小的差别：为了简化时序，第一通道在采保结束后即开始进行数据的量化，而下一通道在量化之前特别地进行了一次复位操作，时序存在差别的根源即在于此。其中，除了第一通道转换和下一通道转换本身包含的内容不一样之外，第一通道转换和下一通道转换之前所处的状态也不一样。第一通道转换之前是全局采保，而下一通道转换之前是全局复位。由于电路的非理想特性，这种转换时序的差别，会导致第一通道和其他通道在转换相同大小的电压时电荷的转移过程不完全一样，从而导致转换输出的数字值存在一定的差别。

综上所述，当通道个数较少(比如双通道)时，转换时序的差别带来的转换误差还不算太大，大约只有2LSB，但随着通道数量的增多，电容数量也在增加，参与电荷转移的器件数量也在增多，以上时序差别将会引起较大的转换误差。根据仿真和实验数据，当通道数量增加到6时，转换误差最大可达8LSB。对于10位分辨率ADC来说，转换精度会急剧下降，如果不修改现有的转换时序，现有的SAR-ADC电路难以进行多通道拓展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种在不延长ADC转换时间的前提下，尽量减小第一通道与其他通道的转换时序差别，保证各通道转换时序一致，进而降低第一通道与其他通道之间转换误差的多通道SAR-ADC电路转换控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其包括有如下步骤：步骤S1，通过控制所述SAR-ADC电路中各开关的通断状态，令所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态；步骤S2，控制所述SAR-ADC电路进入采样保持状态；步骤S3，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；步骤S4，控制所述SAR-ADC电路的第一通道依次进入复位状态和保持状态；步骤S5，控制所述SAR-ADC电路的第一通道进入数据量化状态；步骤S6，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；步骤S7，控制所述SAR-ADC电路的下一通道依次进入复位状态和保持状态；步骤S8，控制所述SAR-ADC电路的下一通道进入数据量化状态；重复步骤S6至步骤S8，直至将全部通道的数据量化完成。

优选地，所述SAR-ADC电路包括有开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2、开关Sb3、开关S4和比较器COMP，所述开关Sa1的前端用于接入第一通道的输出电压Vsample_1，所述开关Sb1的前端用于接入下一通道的输出电压Vsample_2，所述开关Sa2的前端和开关Sb2的前端相互连接后接入高六位对应的DAC模拟电压，低六位对应的DAC模拟电压通过第一电容传输至所述比较器COMP的反相端，所述开关Sa1的后端与所述开关Sa2的后端相互连接后通过第二电容连接于所述开关Sa3的前端，所述开关Sb1的后端与所述开关Sb2的后端相互连接后通过第三电容连接于所述开关Sb3的前端，所述开关Sa3的后端和所述开关Sb3的后端均连接于所述比较器COMP的反相端，所述开关S4连接于所述比较器COMP的同相端和反相端之间，所述比较器COMP的输出端作为所述SAR-ADC电路的输出端。

优选地，所述步骤S1中，将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb3和开关S4闭合，将所述开关Sa2和开关Sb2断开，所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态。

优选地，所述步骤S2中，将所述开关S4断开，所述SAR-ADC电路进入采样保持状态，之后将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1和开关Sb3断开，全部通道继续处于保持状态。

优选地，所述步骤S3中，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

优选地，所述步骤S4中，将所述开关Sa3闭合，控制所述第一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制所述第一通道处于保持状态。

优选地，所述步骤S5中，将所述开关Sa2闭合，所述第一通道进入数据量化状态。

优选地，所述步骤S6中，将所述开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2和开关Sb3断开，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

优选地，所述步骤S7中，将开关Sb3闭合，控制下一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制该下一通道处于保持状态。

优选地，所述步骤S8中，将所述开关Sb2闭合，该下一通道进入数据量化状态。

本发明公开的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法中，在全局采样过程结束之后，不会立即进行第一通道的数据转换，而是在第一通道数据转换之前特别地加入了一个全局复位过程，使得第一通道数据的转换时序与其他通道数据的转换时序相同，从而减小了第一通道与其他通道之间的转换误差，相比现有技术而言，本发明在不延长ADC转换时间的前提下，保证了各通道转换时序一致，大大提高了多通道SAR-ADC电路的性能。

附图说明

图1为现有技术中SAR-ADC电路状态切换控制流程图；

图2为本发明中SAR-ADC电路的通道转换控制方法流程图；

图3为本发明中SAR-ADC电路双通道采样状态原理图；

图4为本发明中SAR-ADC电路保持状态原理图；

图5为本发明中SAR-ADC电路继续保持状态原理图；

图6为本发明中SAR-ADC电路全局复位状态原理图；

图7为本发明中SAR-ADC电路第一通道复位状态原理图；

图8为本发明中SAR-ADC电路第一通道保持状态原理图；

图9为本发明中SAR-ADC电路第一通道量化状态原理图；

图10为本发明中SAR-ADC电路再次全局复位状态原理图；

图11为本发明中SAR-ADC电路下一通道复位状态原理图；

图12为本发明中SAR-ADC电路下一通道保持状态原理图；

图13为本发明中SAR-ADC电路下一通道量化状态原理图；

图14为本发明中SAR-ADC电路转换控制时序图；

图15为本发明应用于六通道SAR-ADC电路时的转换控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，请参照图2，其包括有如下步骤：

步骤S1，通过控制所述SAR-ADC电路中各开关的通断状态，令所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态；

步骤S2，控制所述SAR-ADC电路进入采样保持状态；

步骤S3，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；

步骤S4，控制所述SAR-ADC电路的第一通道依次进入复位状态和保持状态；

步骤S5，控制所述SAR-ADC电路的第一通道进入数据量化状态；

步骤S6，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；

步骤S7，控制所述SAR-ADC电路的下一通道依次进入复位状态和保持状态；

步骤S8，控制所述SAR-ADC电路的下一通道进入数据量化状态；

重复步骤S6至步骤S8，直至将全部通道的数据量化完成。

上述方法中，在全局采样过程结束之后，不会立即进行第一通道的数据转换，而是在第一通道数据转换之前特别地加入了一个全局复位过程，使得第一通道数据的转换时序与其他通道数据的转换时序相同，从而减小了第一通道与其他通道之间的转换误差，相比现有技术而言，本发明在不延长ADC转换时间的前提下，保证了各通道转换时序一致，大大提高了多通道SAR-ADC电路的性能。

关于所述SAR-ADC电路的具体电路结构，请参照图3，所述SAR-ADC电路包括有开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2、开关Sb3、开关S4和比较器COMP，所述开关Sa1的前端用于接入第一通道的输出电压Vsample_1，所述开关Sb1的前端用于接入下一通道的输出电压Vsample_2，所述开关Sa2的前端和开关Sb2的前端相互连接后接入高六位对应的DAC模拟电压，低六位对应的DAC模拟电压通过第一电容传输至所述比较器COMP的反相端，所述开关Sa1的后端与所述开关Sa2的后端相互连接后通过第二电容连接于所述开关Sa3的前端，所述开关Sb1的后端与所述开关Sb2的后端相互连接后通过第三电容连接于所述开关Sb3的前端，所述开关Sa3的后端和所述开关Sb3的后端均连接于所述比较器COMP的反相端，所述开关S4连接于所述比较器COMP的同相端和反相端之间，所述比较器COMP的输出端作为所述SAR-ADC电路的输出端。

基于上述电路原理，在本发明的具体执行过程中，请参照图3，所述步骤S1中，将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb3和开关S4闭合，将所述开关Sa2和开关Sb2断开，所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态。

请参照图4和图5，所述步骤S2中，将所述开关S4断开，所述SAR-ADC电路进入采样保持状态，之后将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1和开关Sb3断开，全部通道继续处于保持状态。

请参照图6，所述步骤S3中，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

请参照图7和图8，所述步骤S4中，将所述开关Sa3闭合，控制所述第一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制所述第一通道处于保持状态。

请参照图9，所述步骤S5中，将所述开关Sa2闭合，所述第一通道进入数据量化状态。

请参照图10，所述步骤S6中，将所述开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2和开关Sb3断开，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

请参照图11和图12，所述步骤S7中，将开关Sb3闭合，控制下一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制该下一通道处于保持状态。

请参照图13，所述步骤S8中，将所述开关Sb2闭合，该下一通道进入数据量化状态。

本发明公开的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，以双通道SAR-ADC为例，其工作原理可参考如下实施例：

结合图2至图13所示，首先双通道数据同时采样，每个通道的数据存储到各自的采样电容上，开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb3、开关S4闭合，开关Sa2、开关Sb2断开；采样结束后，断开开关S4，所有通道处于保持状态；接着开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb3断开，所有通道仍处于保持状态；然后，与现有技术不同的是，在所有开关处于断开状态时，合上开关S4，进行一次全局复位；合上开关Sa3，第一通道仍处于复位状态，并为量化做好准备；断开开关S4后，第一通道处于保持状态；然后合上开关Sa2进行第一通道的数据转换；完成第一通道的数据转换后，断开除开关S4之外的所有开关，重新进行一次全局复位；之后将开关Sb3闭合，下一通道处于复位状态，并为量化做好准备；然后，与第一通道类似，先断开开关S4开关，下一通道保持；然后将开关Sb2闭合，开始进行下一通道的数据量化，下一通道的数据量化结束后，ADC的一个完整的采样保持转换的周期才算完成。

请参照图14，图14为SAR-ADC电路中各开关的控制时序图，为便于直观理解，图14中的数字1～11分别对应SAR-ADC电路依次执行的11种状态。相对于现有技术，本发明增加了状态3、状态4、状态5三个转换时序，从本质上看，就是在第一通道的转换过程之前加入了一次全局复位过程。在此转换时序中，状态4和状态8为全局复位过程，状态5、状态6、状态7与状态9、状态10、状态11一一对应。如果不考虑状态1、2、3这三个全局性的采样保持时序，则后续每个通道数据转换的过程是基本相同的。简化的时序流程图请参照图2。由图2可见，第一通道和下一通道的转换过程不仅内容是相同的，而且在转换之前的状态也完全相同。当通道个数大于2时，以上转换时序也可以适用，请参照图15，图15示出了六通道SAR-ADC的转换流程，由此可见，采用本发明的转换时序，可以保证在SAR-ADC的输入通道数量大于等于2时，第一通道和其他通道的转换时序基本相同，减小了第一通道和其他通道的转换时序差别，从而也减小了第一通道与其他通道之间的转换误差。经过仿真和实验数据表明，2个输入通道和6个输入通道的上述ADC各通道之间的转换差别都低于1LSB。此外，本发明增加的3、4、5三个时序耗时很短，共计约在3～5个时钟周期的级别，而且只是在第一通道的转换之前而不是所有通道转换之前加入，因此不会明显延长ADC转换时间。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤S1，通过控制所述SAR-ADC电路中各开关的通断状态，令所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态；

步骤S2，控制所述SAR-ADC电路进入采样保持状态；

步骤S3，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；

步骤S4，控制所述SAR-ADC电路的第一通道依次进入复位状态和保持状态；

步骤S5，控制所述SAR-ADC电路的第一通道进入数据量化状态；

步骤S6，控制所述SAR-ADC电路进入全局复位状态；

步骤S7，控制所述SAR-ADC电路的下一通道依次进入复位状态和保持状态；

步骤S8，控制所述SAR-ADC电路的下一通道进入数据量化状态；

重复步骤S6至步骤S8，直至将全部通道的数据量化完成。

2.如权利要求1所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述SAR-ADC电路包括有开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2、开关Sb3、开关S4和比较器COMP，所述开关Sa1的前端用于接入第一通道的输出电压Vsample_1，所述开关Sb1的前端用于接入下一通道的输出电压Vsample_2，所述开关Sa2的前端和开关Sb2的前端相互连接后接入高六位对应的DAC模拟电压，低六位对应的DAC模拟电压通过第一电容传输至所述比较器COMP的反相端，所述开关Sa1的后端与所述开关Sa2的后端相互连接后通过第二电容连接于所述开关Sa3的前端，所述开关Sb1的后端与所述开关Sb2的后端相互连接后通过第三电容连接于所述开关Sb3的前端，所述开关Sa3的后端和所述开关Sb3的后端均连接于所述比较器COMP的反相端，所述开关S4连接于所述比较器COMP的同相端和反相端之间，所述比较器COMP的输出端作为所述SAR-ADC电路的输出端。

3.如权利要求2所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb3和开关S4闭合，将所述开关Sa2和开关Sb2断开，所述SAR-ADC电路进入多通道采样状态。

4.如权利要求3所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，将所述开关S4断开，所述SAR-ADC电路进入采样保持状态，之后将所述开关Sa1、开关Sa3、开关Sb1和开关Sb3断开，全部通道继续处于保持状态。

5.如权利要求4所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

6.如权利要求5所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，将所述开关Sa3闭合，控制所述第一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制所述第一通道处于保持状态。

7.如权利要求6所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，将所述开关Sa2闭合，所述第一通道进入数据量化状态。

8.如权利要求7所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，将所述开关Sa1、开关Sa2、开关Sa3、开关Sb1、开关Sb2和开关Sb3断开，将所述开关S4闭合，所述SAR-ADC电路进入全局复位状态。

9.如权利要求8所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，将开关Sb3闭合，控制下一通道继续处于复位状态，之后将所述开关S4断开，控制该下一通道处于保持状态。

10.如权利要求9所述的多通道SAR-ADC电路的通道转换控制方法，其特征在于，所述步骤S8中，将所述开关Sb2闭合，该下一通道进入数据量化状态。