CN111900987A - 一种可编程自校准单积分型模数转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可编程自校准单积分型模数转换电路，包括锯齿波发生电路、计数器和三个第三比较器，所述锯齿波发生电路包括积分器、上升沿锁定电路和解锁电路；所述积分器包括串联的可控恒流源和电容；所述可控恒流源与编程端相连；所述电容两端并联有放电开关；所述上升沿锁定电路用于实现所述实现积分器的可靠放电；所述解锁电路用于在时钟信号上升沿到来时解锁所述积分器触发积分动作；所述所述积分器的输出端和三个第三比较器的一个输入端相连，三个第三比较器的输出端分别与三个寄存器连接。本发明能够降低电路复杂度的同时提升测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种积分型模数转换电路，特别是涉及一种可编程自校准单积分型模数转换电路。
背景技术
积分型ADC(模数转换)是一种将电信号转换为时间再进行测量的间接测量方法，有着电路简单、测量精度高等优点，缺点是测量速度不高一般应用于万用表等设备。
单积分型ADC其性能与积分电阻、电容的精度及基准电压有关，受工艺水平所限元件参数精度尤其是电容精度难以达到要求还有参数漂移等问题导致单积分ADC达不到实用价值。
双积分ADC在两次积分过程中所使用的积分元件(如积分电阻、积分电容)可以互相抵消从而消除参数精度和漂移的问题。但双积分电路在两次积分转换过程中存在开关延迟，电路中使用的比较器非理想有失调电压问题，计数时钟的起始时刻是随机的，不同的被测电压(Vin)所需测量时间不同，改进型的多积分ADC电路在速度上略有提升，但增加了电路的复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可编程自校准单积分型模数转换电路，能够降低电路复杂度的同时提升测量精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可编程自校准单积分型模数转换电路，包括锯齿波发生电路、计数器和三个第三比较器，所述计数器的输出端分别与三个寄存器连接，所述锯齿波发生电路包括积分器、上升沿锁定电路和解锁电路；所述积分器包括串联的可控恒流源和电容；所述可控恒流源与编程端相连；所述电容两端并联有放电开关；所述上升沿锁定电路用于实现所述实现积分器的可靠放电；所述解锁电路用于在时钟信号上升沿到来时解锁所述积分器触发积分动作；所述积分器的输出端和三个第三比较器的一个输入端相连，所述三个第三比较器中的一个第三比较器的另一个输入端与VIN输入端相连，另外两个第三比较器的另一个输入端分别连接正参考电压端和负参考电压端；三个第三比较器的输出端分别与三个寄存器连接。
所述上升沿锁定电路包括第一比较器，所述第一比较器的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第一参考电压，输出端与或门的一个输入端相连；所述或门的输出端分别与所述放电开关和计数器相连。
所述解锁电路包括第二比较器和D触发器，所述第二比较器的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第二参考电压，输出端通过所述D触发器与与门的一个输入端相连；所述与门的另一个输入端与所述或门的输出端相连，所述与门的输出端与所述或门的另一个输入端相连。
所述D触发器为上升沿触发器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的积分器由可控恒流源加电容构成，再通过一个放电开关实现锯齿波功能，通过改变可控恒流源的控制信号来改变锯齿波的周期，在计数时钟频率一定的条件下实现不同精度(位数)测量既实现可编程功能；通过第一比较器和与门及或门构成上升沿锁定电路用来实现积分器的可靠放电；通过第二比较器和D触发器构成解锁电路并且当且仅当时钟信号上升沿到来时才解锁触发积分动作，用来解决计数时钟的相位随机问题。另外利用三个特性一致的比较器，在自校准计数过程中通过减法运算将失调电压消隐掉，从而提升了测量精度。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的原理图；
图3是本发明实施方式中时钟初始相位随机问题验证示意图；
图4是注入扰动后直接转换与自校准后结果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种可编程自校准单积分型模数转换电路，如图1所示，包括锯齿波发生电路、计数器和三个第三比较器C，所述计数器的输出端分别与三个寄存器连接。本实施方式中的计数器和寄存器可由单片机或FPGA等替代。所述锯齿波发生电路包括积分器、上升沿锁定电路和解锁电路。
本实施方式中，积分器包括串联的可控恒流源1和电容2；所述可控恒流源1与编程端相连；所述电容2两端并联有放电开关3。所述积分器的输出端和三个第三比较器C的一个输入端相连，所述三个第三比较器C中的一个第三比较器C的另一个输入端与VIN输入端相连，另外两个第三比较器C的另一个输入端分别连接正参考电压端和负参考电压端；三个第三比较器C的输出端分别与三个寄存器连接。
由此可见，积分器由可控恒流源加电容构成再加一个放电开关实现锯齿波功能，通过改变可控恒流源的控制信号来改变锯齿波的周期，在计数时钟频率一定的条件下实现不同精度(位数)测量既实现可编程功能。通过三个特性一致的第三比较器，在自校准计数过程中通过减法运算可将失调电压消隐掉。
所述上升沿锁定电路用于实现所述实现积分器的可靠放电。所述上升沿锁定电路包括第一比较器A，所述第一比较器A的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第一参考电压4，输出端与或门5的一个输入端相连；所述或门5的输出端分别与所述放电开关3和计数器相连。
所述解锁电路用于在时钟信号上升沿到来时解锁所述积分器触发积分动作。所述解锁电路包括第二比较器B和D触发器6，所述第二比较器B的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第二参考电压，输出端通过所述D触发器6与与门7的一个输入端相连；所述与门7的另一个输入端与所述或门5的输出端相连，所述与门7的输出端与所述或门5的另一个输入端相连。第二比较器B和D触发器6构成解锁电路并且在当且仅当时钟信号上升沿到来时才解锁触发积分动作，用来解决计数时钟的相位随机问题。
本实施方式的可编程自校准单积分型模数转换电路的原理说明如图2所示。其中，积分曲线的斜率由受控恒流源决定，通过改变电压来改变积分周期从而得到不同的采样精度和速度(速度越快采样精度越低)。图中画圈处，由于D触发器的特性只在时钟CKL的上升沿处触发积分器，保证了测量过程中时钟相位的一致性。图中的阴影区为有效测量区域，此区域避开积分器的开始及结束阶段从而避开了开关延迟等误差。在有效测量区域内符合三角形比例关系利用此关系借助基准电压Vref来实现参数自校准功能，消除电阻、电容等器件的精度与参数偏远的问题。测量时间T0、T1、T2是由三个第三比较器触发获得，当三个第三比较器的失调电压一致时通过图中自校准公式可以将消除失调电压带消除掉。
下面通过仿真验证来进一步进行说明。图3是时钟初始相位随机问题验证。图3的上半部分未加D触发器，下半部分是加入D触发器后的情况，将二者进行对比，其中时间T2用数字q2_0～q2_7表示(仿真以八位为例)时间T1用数字q1_0～q1_7表示，对比图中画圈处未加D触发器在最低位有随机波动，而加入D触发器后无随机波动问题。
通过增加DAC电路来验证自校准ADC的特性。在编程端(Cycle)增加一扰动信号(效果等同于参数漂移)，分别获得时间T0、T1、T2(对应q0、q1、q2端)的数字信号，后级接入DAC电路(AD558t)，分别对比直接DAC转换结果与采用自校准运算后的结果对比，见图4。
对比上图Vin为输入的标准正弦波信号，n_1639为直接DAC转换结果，Vout为采用自校准算法的结果，从仿真结果看采用自校准算法后基本可以无视积分参数的扰动，可以达到双积分ADC相同的效果。
不难发现，本发明的可编程自校准ADC在电路上极其简单，在设计上也尽可能的避开所有影响测量精度的因素，在理论上消除了测量误差，又因为具备测量精度可编程功能所以可以实现一种低成本、高精度、多应用领域的ADC解决方案。
Claims (4)
1.一种可编程自校准单积分型模数转换电路，包括锯齿波发生电路、计数器和三个第三比较器，所述计数器的输出端分别与三个寄存器连接，其特征在于，所述锯齿波发生电路包括积分器、上升沿锁定电路和解锁电路；所述积分器包括串联的可控恒流源和电容；所述可控恒流源与编程端相连；所述电容两端并联有放电开关；所述上升沿锁定电路用于实现所述实现积分器的可靠放电；所述解锁电路用于在时钟信号上升沿到来时解锁所述积分器触发积分动作；所述所述积分器的输出端和三个第三比较器的一个输入端相连，所述三个第三比较器中的一个第三比较器的另一个输入端与VIN输入端相连，另外两个第三比较器的另一个输入端分别连接正参考电压端和负参考电压端；三个第三比较器的输出端分别与三个寄存器连接。
2.根据权利要求1所述的可编程自校准单积分型模数转换电路，其特征在于，所述上升沿锁定电路包括第一比较器，所述第一比较器的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第一参考电压，输出端与或门的一个输入端相连；所述或门的输出端分别与所述放电开关和计数器相连。
3.根据权利要求2所述的可编程自校准单积分型模数转换电路，其特征在于，所述解锁电路包括第二比较器和D触发器，所述第二比较器的一个输入端与所述积分器的输出端相连，另一个输入端接第二参考电压，输出端通过所述D触发器与与门的一个输入端相连；所述与门的另一个输入端与所述或门的输出端相连，所述与门的输出端与所述或门的另一个输入端相连。
4.根据权利要求3所述的可编程自校准单积分型模数转换电路，其特征在于，所述D触发器为上升沿触发器。
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