CN112737588A - 一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，包括：1、寻找线性区间和非线性区间；2、判断是否为线性区间；3A、对线性区间进行处理直接输出矫正；3B、对非线性区间进行步进并带入公式计算后输出矫正。本发明可以显著改善采用多段斜率的单斜式模数转换电路的线性度，增强了该结构的可靠性。

Description

一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法

技术领域

本发明属于模数转换电路技术领域，涉及一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法。

背景技术

单斜式模数转换电路由于其结构简单，面积小等特点，被广泛应用于CMOS图像传感器中。为了能更好的兼容模数转换电路的转换精度与幅度，目前主要使用的方法是将单斜式模数转换电路的斜坡信号设置为折现形式，利用斜坡信号缓慢上升可以提高比较精度以及斜坡信号快速上升能增大所处理信号幅度范围的特点，实现二者的兼容。

理想的折现形式的单斜式模数转换电路中，对于幅度线性增加的输入信号，与多段斜率的斜坡信号进行比较，可以得到折现形式的输出。将比较器翻转时计数器所存储的数值进行简单处理，再分段乘以相应区间的斜坡信号斜率，还原出输入信号的信号幅度，但是由于比较器电路存在延迟，且该延迟与斜坡信号斜率显著相关，导致斜坡信号折点附近对应的输入信号转换后的数值并不分段线性，这会显著影响该结构的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，通过在非线性区间内实施步进式矫正实现量化的线性化，改善了该转换电路的线性度，增强了结构的可靠性。

本发明所采用的技术方案是，一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，包括以下步骤：

步骤1、寻找线性区间和非线性区间；

步骤2、判断是否为线性区间；

对线性区间：

步骤3A、对线性区间中比较器翻转时储存的数值D进行处理，再分段乘以相应区间的斜坡信号斜率；

步骤4A：输出矫正结果。

对非线性区间：

步骤3B、对非线性区间进行步进；

步骤4B、判断信号是否在步长区间内；

步骤5B、对信号不在步长区间内的步长区间继续步进；

步骤6B、对信号在步长区间内的区间，按照步长的区间标号套用公式：

区间标号

其中x为第x次步进，y为总步进次数。

V_out为实际输出值，k为当前斜率值，V_O为矫正值，t_k1和t_k2分别表示比较器在固定斜率k1和k2下的延时。

步骤7B、输出矫正结果V₀。

本发明的特点还在于，

步骤3B中，步进步长为n，该步长n为自定义值。

本发明提出的用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，针对采用多段斜率斜坡信号的单斜式模数转换电路在斜坡信号斜率折点附近转换的非线性问题，利用线性过程叠加公式

实现非线性区间的矫正，显著改善采用多段斜率的单斜式模数转换电路的线性度，增强了结构的可靠性。

附图说明

图1为多斜率转换后输入信号对应计数器数值的转换示意图。

图2为非线性区间与两段斜率线性延迟的叠加示意图。

图3为本发明的矫正方法的流程图。

图4为本发明的实施例步进情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

现有技术中，图1虚线给出了一种使用多斜率的理想转换结果。对于幅度线性增加的输入信号Vsig，与多段斜率的斜坡信号Vramp进行比较，可以得到折现形式的输出D。将比较器翻转时计数器所存储的数值D简单处理，再分段乘以相应区间的斜坡信号斜率，还原出输入信号Vsig的信号幅度。但是由于比较器电路存在延迟，且该延迟与斜坡信号斜率显著相关。导致斜坡信号折点附近对应的输入信号Vsig转换后的数值D并不分段线性，如图1实线所示，这会显著影响该结构的可靠性。

本发明的一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，包括以下步骤：

步骤1、寻找线性区间和非线性区间；

步骤2、判断是否为线性区间；

对线性区间：

步骤3A、对线性区间中比较器翻转时储存的数值D进行处理，再分段乘以相应区间的斜坡信号斜率；

步骤4A：输出矫正结果。

对非线性区间：

步骤3B、对非线性区间进行步进，步进步长为n，该步长n为自定义值；

步骤4B、判断信号是否在步长区间内；

步骤5B、对信号不在步长区间内的步长区间返回步骤3B；

步骤6B、对信号在步长区间内的区间，按照步长的区间标号套用公式：

区间标号

其中x为第x次步进，y为总步进次数。

V_out为实际输出值，k为当前斜率值，V_O为矫正值，t_k1和t_k2分别表示比较器在固定斜率k1和k2下的延时。

步骤7B、输出矫正结果V₀。

对于公式

其中，一个折点两端的斜坡信号斜率分别为k1和k2.拐点前一段时间前的延迟只与斜率k1相关，这部分延迟是固定的，设为tk1。拐点之后的一段时间后延迟只与斜率k2相关，这部分延迟也是固定的，设为tk2。将拐点前的一段时间至拐点后的一段时间的这个区间设为Tc，它的开始时刻为t1，结束时刻为t2。

在Tc区间内，k1和k2同时参与影响了系统的延迟，t1时刻只有k1影响延迟，t2时刻只有t2影响延迟。一个函数T_p：

和

分别衡量k1和k2对系统影响的比例，

当系统处于t1时刻前时

系统处于t2时刻后时，

系统的总延迟T_p是线性的由tk1过度至tk2，如图2所示。

因为

所以线性过渡过程的斜率为：

因此区间Tc内的任意时刻的延迟t_p为：

其中，T为任意时刻的时间；t1等于折点时刻t_G减去比较器系统在k1下的延迟tk1,t2等于折点时刻t_G加上比较器系统在k2下的延迟tk2。

因此，比较器结构延迟t_p的函数：

进入折点处区间后，比较器的延迟会受到拐点左右两段斜率的共同影响，从而呈现非线性。

而单斜率下由于比较器存在固定延迟t_p，这部分的矫正为：

V_O＝V_out-kt_p

V_out为实际输出值，k为当前斜率值，V_O为矫正值。

拐点处的非线性可以等效为两个线性过程的叠加，具体体现在总的延迟等于k1阶段的延迟和k2阶段延迟的总和，如图2所示，t1之前的延迟只与k1相关，t2之后的延迟只与k2相关。则可以认为t1至t2区间内任意点的矫正值可以描述为：

对于一个连续系统，a和b难以给定值。因此使用步进的方式来实现该功能。该步进步数为选定值。

本发明所提出的非线性矫正方法的具体步骤为：判断信号区间是否为非线性区间，并对该区间内的数值做步进式的非线性矫正，该流程如图3所示。

如图4所示，以八步步进为例给出一矫正示例：假设信号V_x1经转换后处于非线性区间。则从非线性区间的起点做八次步进向终点过渡。

设V_x1处于第六个区间内。

步进至第一个区间，判断信号未在该区间内；步进至第二个区间，判断信号未在该区间内；直至步进至信号所处的区间，即所设第六区间内，判断信号处于该区间内，利用步骤6B中的公式对该信号进行矫正：

经过如上的矫正后，输出的矫正信号显著改善采用多段斜率的单斜式模数转换电路的线性度，增强了结构的可靠性。

Claims (2)

1.一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、寻找线性区间和非线性区间；

步骤2、判断是否为线性区间；

对线性区间：

步骤3A、对线性区间中比较器翻转时储存的数值D进行处理，再分段乘以相应区间的斜坡信号斜率；

步骤4A：输出矫正结果；

对非线性区间：

步骤3B、对非线性区间进行步进；

步骤4B、判断信号是否在步长区间内；

步骤5B、对信号不在步长区间内的步长区间返回步骤3B；

步骤6B、对信号在步长区间内的区间，按照步长的区间标号套用公式：

其中，区间标号

其中x为第x次步进，y为总步进次数，V_out为实际输出值，k为当前斜率值，V_O为矫正值，t_k1和t_k2分别表示比较器在固定斜率k1和k2下的延时；

步骤7B、输出矫正结果V₀。

2.根据权利要求1所述的一种用于多斜率时间积分型模数转换电路的线性矫正方法，其特征在于，所述的步骤3B中，步进步长为n，该步长n为自定义值。

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