CN110380727B - 一种混合型模数转换电路装置及转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型模数转换电路装置及转换方法，包括了LC ADC电路和SAR ADC电路，所述的LC ADC电路由LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块、切换开关S、比较器A、比较器B、计数器T、控制逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成，所述SAR ADC由比较器C、逐次逼近逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成。针对变化时快时慢的模拟信号，将LC ADC与SAR ADC相结合，通过共用输入寄存器和DAC模块减小了电路规模，同时通过对信号变化快慢的判定，实现了模数转换模式的自适应切换，在保证模数转换的高分辨率的同时，有效降低了输出数据的冗余。

Description

一种混合型模数转换电路装置及转换方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种混合型模数转换电路装置及转换方法。

背景技术

模数转换器是连接模拟信号和数字信号的桥梁，实现模拟信号到数字信号的转换。随着数字信号处理技术的快速发展，模数转换器得到非常广泛的应用，发展并演变了多种模数转换器结构。而不同的模数转换器有各自的优缺点，不能使每个指标都做得很好，比如SAR ADC分辨率较高，但输出的数据量较大，适用于信号变化较快的情况，而LC ADC的分辨率虽然较低，但输出的数据量较小，适用于信号变化比较平缓的情况，因此应用中需要根据不同的需求来选取合适的模数转换器。但是，对于某些变化是时快时慢的特殊模拟信号(比如心电信号)，选择单一的模数转换器不能很好地满足应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种该混合型模数转换电路(Analog-to-DigitalConverter,ADC)是将逐次逼近型模数转换电路(Successive Approximation RegisterADC,SAR ADC)和过电平模数转换电路(Level-Crossing ADC,LC ADC)相结合，实现将模拟信号转换为数字信号的混合型模数转换电路装置及转换方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种混合型模数转换电路装置，包括了LC ADC电路和SAR ADC电路，所述的LC ADC电路由LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块、切换开关S、比较器A、比较器B、计数器T、控制逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成，所述SARADC由比较器C、逐次逼近逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成。

进一步，所述的n位可逆计数器R和n位DAC为适用于混合型模数转换电路共用的模块。

进一步，适用于上述的一种混合型模数转换电路装置的转换方法，还包括以下步骤：

S1、电路工作时，模拟信号输入；

S2、LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块判定模拟输入信号变化的快慢，根据判定的结果在LC ADC和SAR ADC两种工作模式之间进行自适应的切换；

S3、根据S2中判定的结果，若电路当前为SAR ADC工作模式，则判定何时转为LCADC工作模式；

S4、根据S2中判定的结果，若电路当前为LC ADC工作模式，则判定何时转为SARADC工作模式；

S5、切换为合适的转换模式后，将S1中输入的模拟信号进行模数转换后输出。

进一步，S3具体包括以下步骤：

S3-1、将计数器A和计数器B清零；

S3-2、完成一次SAR ADC模数转换，具体操作为首先将计数器R最高位置1，其余位置0，把计数器R中的数据送入n位DAC模块，将数模转换后的模拟量VC送入比较器C，与待转换的输入模拟量VIN进行比较，若VC<VIN，该位被保留，否则被清0；然后，再置计数器R的次高位为1，将计数器R中新的数字量送入n位DAC模块，输出的VC再与VIN比较，若VC<VIN，该位被保留，否则被清0；循环此过程，直到计数器R最低位，得到最终模数转换之后的数字量存储在计数器R中；

S3-3、判断计数器A中数据是否为0，如果为0则将计数器R中的数据存入寄存器B，计数器A内数据加1，然后重复S3-2步骤，否则转入下一级判断(即计数器R与寄存器B的数据之差的判断)；

S3-4、若计数器R与寄存器B中数据的差值大于等于M，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，计数器B清零，重复S3-2步骤；若计数器R与寄存器B中数据的差值小于M，则计数器B进行加1操作，并转入下一级判断(即判断计数器B中的数据是否大于N)；

S3-5、若计数器B中的数据大于N，则判定当前输入模拟信号处于平缓的变化状态，转入LC ADC工作模式；若计数器B中的数据小于等于N，则判定当前输入模拟信号尚未进入平缓的变化状态，将计数器R中的数据存入寄存器B，重复S3-2步骤。

进一步，S4具体包括以下步骤：

S4-1、将计数器B和计数器T清零；

S4-2、将计数器R的数据输入n位DAC模块，得到VH和VL；

S4-3、通过比较器A和比较器B将待转换的输入模拟量VIN与VH和VL进行比较，若VL≤VIN≤VH，则计数器T进行计数加1操作，重复S4-2步骤；若VL大于VIN，则计数器R进行减1操作，若VIN大于VH，则计数器R进行加1操作，然后转入下一级判断(即计数器T中数据是否小于P)；

S4-4、若计数器T中数据大于等于P，则计数器B清零，重复S4-2步骤；若计数器T中数据小于P，则计数器B进行加1操作，然后转入下一级判断(即计数器B中数据是否大于Q)；

S4-5、若计数器B中数据大于Q，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，转入SAR ADC工作模式；若计数器B中数据小于等于Q，则判定当前输入模拟信号尚未进入较快的变化状态，重复S4-2步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计新颖，可实现性高，在实际工程应用中有存在时快时慢的模拟信号，比如心电信号，其特点为在长时间内幅值基本没有变化或者变化幅度较小，但有时又会在短时间内幅值发生突变。如果采用SAR ADC进行此类模拟信号进行模数转换，在信号没有变化或变化幅度较小的情况下，由于SAR ADC是基于均匀采样的工作模式，因此会产生大量的数据冗余。如果采用LC ADC进行此类模拟信号进行模数转换，由于LC ADC的分辨率较低，不适用于模拟信号幅值变化范围较大的情况，并且当心电信号幅值变化特别快时也会产生大量的冗余数据。在结合此类信号的特点的基础上，对现有问题提出改进的技术方法，针对变化时快时慢的模拟信号，将LC ADC与SAR ADC相结合，通过共用输入寄存器和DAC模块减小了电路规模，同时通过对信号变化快慢的判定，实现了模数转换模式的自适应切换，在保证模数转换的高分辨率的同时，有效降低了输出数据的冗余。

附图说明

图1为LC ADC电路的信号采样示意图；

图2为SAR ADC电路的信号采样示意图；

图3为本发明一种混合型模数转换电路装置的混合模数转换电路的示意图；

图4为SAR ADC电路的工作模式转为LC ADC电路的工作模式的转换逻辑流程图；

图5为LC ADC电路的工作模式转为SAR ADC电路的工作模式的转换逻辑流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

并且，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅附图1-2，本发明实施例中，由于在工程应用中具有变化时快时慢特性的模拟信号种类繁多，比如心电信号等生物医学信号。

当输入的模拟信号幅值变化不明显的情况下，若使用基于时间均匀采样的SARADC，则会产生大量的数据冗余，而LC ADC是根据信号幅值的变化程度来采样的，通过记录模拟信号地幅值及其持续时间(通过计数器实现)来实现模数转换，从而不会导致出现大量的数据。

而当输入的模拟信号幅值变化特别快时，若在分辨率较高的情况下继续使用LCADC，则会造成采样次数过多，同样也会产生大量的冗余数据，而如果降低分辨率以减少采样次数，则会降低心电信号采集的精度。因此，在信号突变时使用SAR-ADC更具有优势。

如图3所示，基于以上对变化时快时慢的模拟信号的分析，本发明公开的一种混合型模数转换电路装置(假设为n位ADC)，本发明的电路将LC ADC和SAR ADC相结合，所述的LCADC电路由LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块、切换开关S、比较器A、比较器B、计数器T、控制逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成，SAR ADC由比较器C、逐次逼近逻辑、n位可逆计数器R和n位DAC构成，所述n位可逆计数器R和n位DAC为两种ADC共用的模块。在电路工作时首先进入SAR ADC工作模式，之后会根据模拟输入信号变化的快慢在LC ADC和SAR ADC两种工作模式之间进行自适应的切换，两种工作模式之间的切换由LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块控制切换开关S来实现。

实施例1

在工作中，当前电路为SAR ADC工作模式，且判定要转为LC ADC工作模式时，如逻辑流程图4所示，其中的寄存器B为n位寄存器，用于暂存上一次SAR ADC的转换结果；n位可逆计数器R当作n位寄存器来使用；计数器A为1位计数器，主要用于判定是否为第一次进行SAR ADC转换；变量M是预先设定的(可以根据应用需要进行调整)，作为判断信号变化是否平缓的阈值；计数器B用于统计变换平缓的信号的采样次数，若次数大于N(N同样是预先设定的，并且可以根据应用需要进行调整)则判定信号进入平缓变化状态，跳出SAR ADC转换模式，改为采用LC ADC进行模数转换。具体的逻辑判定操作步骤如下：

(1)将计数器A和计数器B清零。

(2)完成一次SAR ADC模数转换，具体操作为首先将计数器R最高位置1，其余位置0，把计数器R中的数据送入n位DAC模块，将数模转换后的模拟量VC送入比较器C，与待转换的输入模拟量VIN进行比较，若VC<VIN，该位被保留，否则被清0。然后，再置计数器R的次高位为1，将计数器R中新的数字量送入n位DAC模块，输出的VC再与VIN比较，若VC<VIN，该位被保留，否则被清0。循环此过程，直到计数器R最低位，得到最终模数转换之后的数字量存储在计数器R中。

(3)判断计数器A中数据是否为0，如果为0则将计数器R中的数据存入寄存器B，计数器A内数据加1，然后重复第(2)步骤，否则转入下一级判断(即计数器R与寄存器B的数据之差的判断)。

(4)若计数器R与寄存器B中数据的差值大于等于M，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，计数器B清零，重复第(2)步骤；若计数器R与寄存器B中数据的差值小于M，则计数器B进行加1操作，并转入下一级判断(即判断计数器B中的数据是否大于N)。

(5)若计数器B中的数据大于N，则判定当前输入模拟信号处于平缓的变化状态，转入LC ADC工作模式；若计数器B中的数据小于等于N，则判定当前输入模拟信号尚未进入平缓的变化状态，将计数器R中的数据存入寄存器B，重复第(2)步骤。

实施例2

在工作中，当前电路为LC ADC工作模式，且判定要转为SAR ADC工作模式时，其逻辑流程图如图5所示，其中变量P是预先设定的(可以根据应用需要进行调整)，作为判断信号变化是否平缓的阈值；计数器B用于统计变化较快的信号的采样次数，若次数大于Q(Q同样是预先设定的，并且可以根据应用需要进行调整)则判定信号进入快速变化状态，则跳出LC ADC转换模式，改为采用SAR ADC进行模数转换。具体的逻辑判定操作步骤如下：

(1)将计数器B和计数器T清零。

(2)将计数器R的数据输入n位DAC模块，得到VH和VL。

(3)通过比较器A和比较器B将待转换的输入模拟量VIN与VH和VL进行比较，若VL≤VIN≤VH，则计数器T进行计数加1操作，重复第(2)步骤；若VL大于VIN，则计数器R进行减1操作，若VIN大于VH，则计数器R进行加1操作，然后转入下一级判断(即计数器T中数据是否小于P)。

(4)若计数器T中数据大于等于P，则计数器B清零，重复第(2)步骤；若计数器T中数据小于P，则计数器B进行加1操作，然后转入下一级判断(即计数器B中数据是否大于Q)。

(5)若计数器B中数据大于Q，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，转入SAR ADC工作模式；若计数器B中数据小于等于Q，则判定当前输入模拟信号尚未进入较快的变化状态，重复第(2)步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1.一种混合型模数转换电路装置，包括了LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块、切换开关S、LC ADC电路、SAR ADC电路、n位可逆计数器R和n位DAC，其特征在于：需要进行模数转换的输入电压V_IN连接至切换开关S的输入，SAR ADC的转换逻辑模块输出的控制信号连接至切换开关S的控制端，从而控制切换开关S的切换；n位可逆计数器R和n位DAC构成为LC ADC和SARADC的共用模块；

所述的LC ADC电路由比较器A、比较器B、计数器T和控制逻辑构成，切换开关S的一路输出连接至比较器A的同相输入端和比较器B的反相输入端；n位DAC的输出连接至比较器A的反相输入端和比较器B的同相输入端；比较器A和比较器B的输出端连接至控制逻辑，作为控制逻辑的输入，控制逻辑的两路输出分别连接至计数器T和n位可逆计数器R；n位可逆计数器R的输出连接至n位DAC作为n位DAC的输入信号；

所述SAR ADC电路由比较器C和逐次逼近逻辑构成，切换开关S的一路输出连接至比较器C的同相输入端；n位DAC的输出连接至比较器C的反相输入端；比较器C的输出连接至逐次逼近逻辑的输入；逐次逼近逻辑的输出连接至n位可逆计数器R作为n位可逆计数器R的输入；n位可逆计数器R的输出连接至n位DAC作为n位DAC的输入信号；

利用所述混合型模数转换电路装置进行转换的方法，包括以下步骤：

S1、电路工作时，模拟信号输入；

S2、LC ADC和SAR ADC的转换逻辑模块判定模拟输入信号变化的快慢，根据判定的结果在LC ADC和SAR ADC两种工作模式之间进行自适应的切换；

S3、根据S2中判定的结果，若电路当前为SAR ADC工作模式，则判定何时转为LC ADC工作模式；

S3具体包括以下步骤：

S3-1、将计数器A和计数器B清零；

S3-2、完成一次SAR ADC模数转换，具体操作为首先将计数器R最高位置1，其余位置0，把计数器R中的数据送入n位DAC模块，将数模转换后的模拟量VC送入比较器C，与待转换的输入模拟量VIN进行比较，若VC<VIN，该位被保留，否则被清0；然后，再置计数器R的次高位为1，将计数器R中新的数字量送入n位DAC模块，输出的 VC再与VIN比较，若VC< VIN，该位被保留，否则被清0；循环此过程，直到计数器R最低位，得到最终模数转换之后的数字量存储在计数器R中；

S3-3、判断计数器A中数据是否为0，如果为0则将计数器R中的数据存入寄存器B，计数器A内数据加1，然后重复S3-2步骤，否则转入下一级判断，即计数器R与寄存器B的数据之差的判断；

S3-4、若计数器R与寄存器B中数据的差值大于等于M，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，计数器B清零，重复S3-2步骤；若计数器R与寄存器B中数据的差值小于M，则计数器B进行加1操作，并转入下一级判断，即判断计数器B中的数据是否大于N；

S3-5、若计数器B中的数据大于N，则判定当前输入模拟信号处于平缓的变化状态，转入LC ADC工作模式；若计数器B中的数据小于等于N，则判定当前输入模拟信号尚未进入平缓的变化状态，将计数器R中的数据存入寄存器B，重复S3-2步骤；

S4、根据S2中判定的结果，若电路当前为LC ADC工作模式，则判定何时转为SAR ADC工作模式；

S4具体包括以下步骤：

S4-1、将计数器B和计数器T清零；

S4-2、将计数器R的数据输入n位DAC模块，得到VH和VL；

S4-3、通过比较器A和比较器B将待转换的输入模拟量VIN与VH和VL进行比较，若VL≤VIN≤VH，则计数器T进行计数加1操作，重复S4-2步骤；若VL大于VIN，则计数器R进行减1操作，若VIN大于VH，则计数器R进行加1操作，然后转入下一级判断，即计数器T中数据是否小于P；

S4-4、若计数器T中数据大于等于P，则计数器B清零，重复S4-2步骤；若计数器T中数据小于P，则计数器B进行加1操作，然后转入下一级判断，即计数器B中数据是否大于Q；

S4-5、若计数器B中数据大于Q，则判定当前输入模拟信号处于较快的变化状态，转入SAR ADC工作模式；若计数器B中数据小于等于Q，则判定当前输入模拟信号尚未进入较快的变化状态，重复S4-2步骤；

S5、切换为合适的转换模式后，将S1中输入的模拟信号进行模数转换后输出。

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