CN113037283A - 时间交织逐次逼近型模数转换器及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC的校准方法、一种TISAR ADC。其中,所述TISAR ADC的校准方法包括:对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数;根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。本发明提供TISAR ADC及其校准方法,能够对电容阵列误差和时间误差联合校准,从而提高对TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差的校准精度,进而提高TISAR ADC的精度和性能。
Description
技术领域
本公开涉及信号处理和通信领域,具体地,涉及一种时间交织逐次逼近型模数转换器的校准方法和一种时间交织逐次逼近型模数转换器。
背景技术
在现代通信领域中,射频采样接收机可以对接收信号直接数字化,然后在数字域进行处理,具有成本低、功耗小、性能好的优点。
射频采样接收机主要通过模数转换器(ADC)将接收到的模拟信号转换为数字信号,其中,逐次逼近模数转换器(SAR ADC,Successive Approximation Register ADC)相比流水线型模数转换器(Pipelined ADC)进一步降低了功耗,近来受到广泛关注。
但是SAR ADC由于逐次逼近等原因,速率难以上升。时间交织SAR ADC使用多个SARADC同时工作,并交替输出转换结果,从而在不增加设计难度的情况下成倍提高系统的转换速率,为突破上述SAR ADC速率难以上升的瓶颈提供了有效的解决方法。
不过,时间交织SAR ADC会因为各个SAR ADC的电容误差引起非线性,并因时间误差产生杂散,制约了时间交织SAR ADC的转换精度,无法满足无线通信中高速高精度的要求。
因此如何解决时间交织SAR ADC由于各个SAR ADC不匹配和电容阵列误差产生的杂散和非线性,提高转换的精度成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题的至少一个方面,本公开提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器的校准方法和一种时间交织逐次逼近型模数转换器。
作为本公开的第一个方面,提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC的校准方法,包括:
对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数;
根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;
根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。
可选地,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤包括:
分别计算各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数;
根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数的步骤包括:
根据各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列的权重误差;
根据所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数。
可选地,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤包括:
分别计算每一个所述模数转换子模块在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
对于每一个所述模数转换子模块,根据所述平方和计算对应的所述模数转换子模块的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之前,所述校准方法还包括:
检测所述TISAR ADC的温度;
在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,执行对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤。
可选地,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之后,所述校准方法还包括:
判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值;其中,
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,执行根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤。
可选地,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之后,所述校准方法还包括:
判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值;其中,
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止执行根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤。
可选地,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之前,所述校准方法还包括:
获取根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列的步骤和根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟的步骤的迭代次数;
在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止执行对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤。
作为本公开的第二个方面,提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC,包括:
模数转换模块,包括多个模数转换子模块,多个所述模数转换子模块用于对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行时间交织采样,每个所述模数转换子模块均能够生成输出数字信号;
参考模数转换器模块,用于对所述模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
校准参数计算模块,用于根据所述参考模数转换器模块生成的所述参考数字信号和各个所述模数转换子模块生成的所述输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个模数转换子模块的时延校准参数;
电容阵列误差补偿模块,包括多个误差补偿子模块,所述误差补偿子模块的数量与所述模数转换子模块的数量相同,且所述误差补偿子模块与所述模数转换子模块一一对应,所述电容误差补偿子模块用于根据各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;
时间延迟调整模块,包括多个模拟延时线子模块,所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块的数量相同,且所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块一一对应,所述模拟延时线子模块用于根据各个所述模数转换子模块的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。
可选地,所述校准参数计算模块包括:
减法器,用于分别计算各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
电容阵列校准参数计算模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数;
时延校准参数计算模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,所述电容阵列校准参数计算模块包括:
误差估计模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列的权重误差;
权重计算模块,用于根据所述误差估计模块计算获得的各个所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数。
可选地,所述时延校准参数计算模块包括:
平方求和模块,用于分别计算每一个所述模数转换子模块在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
数字控制码计算模块,对于每一个所述模数转换子模块,所述数字控制码计算模块用于根据所述平方求和模块计算获得的所述平方和计算对应的所述模数转换子模块的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,所述TISAR ADC包括:
温度传感器,用于检测所述TISAR ADC的温度并生成温度信号;
所述参考模数转换器模块用于接收所述温度传感器生成的温度信号,且用于在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号。
可选地,所述校准参数计算模块用于判断所述参考模数转换器模块生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,所述校准参数计算模块用于判断所述参考模数转换器模块生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
可选地,所述TISAR ADC包括:
计数模块,用于获取所述电容阵列误差补偿模块根据各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列和所述时间延迟调整模块根据各个所述模数转换子模块的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟的迭代次数;
所述参考模数转换器模块用于在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样。
在本公开中,通过将所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号进行比较,得到各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,并且利用上述误差,计算生成各个模数转换子模块的电容阵列校准参数,用于对所述TISAR ADC的电容阵列误差进行校准,同时计算生成各个模数转换子模块的时延校准参数,用于对所述TISAR ADC的时间误差进行校准,从而实现对所述TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差进行联合校准,减少了电容阵列误差和时间误差的相互影响。此外,在计算生成各个模数转换子模块的电容阵列校准参数和时延校准参数时,不需要重复计算各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,从而能够减少对计算资源的消耗,降低对所述TISAR ADC硬件电路的设计要求。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本公开提供的校准方法的一种实施方式的流程图;
图2是本公开提供的校准方法的另一种实施方式的流程图;
图3是SAR ADC的结构示意图;
图4是本公开提供的校准方法的又一种实施方式的流程图;
图5是本公开提供的校准方法的再一种实施方式的流程图;
图6是传统TISAR ADC结构示意图;
图7是本公开提供的校准方法的采样示意图;
图8是本公开提供的校准方法的再一种实施方式的流程图;
图9是本公开提供的校准方法的再一种实施方式的流程图;
图10是本公开提供的校准方法的再一种实施方式的流程图;
图11是本公开提供的校准方法的再一种实施方式的流程图;
图12是本公开提供的TISAR ADC结构示意图;
图13是本公开提供的TISAR ADC中校准参数计算模块的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
经本公开的发明人研究发现,现有技术中,为了提高时间交织SAR ADC的精度和性能,采取的方案分为消除时间交织SAR ADC电容阵列误差的方法和消除时间交织SAR ADC采样时间误差的方法。上述方法将时间交织误差和电容阵列误差分开进行校准,而且存在收敛速度慢、模拟设计要求较高、影响ADC的动态范围等缺陷。但实际上,时间误差的校准往往会影响电容阵列误差的校准,而电容阵列误差的存在也会造成时间误差校准的性能下降,且两种误差都会跟随工艺、电压、温度(PVT,Process、Voltage、Temperature)变动。因此,单独消除时间交织误差或电容阵列误差,并不能有效提高时间交织SAR ADC的精度和性能。
有鉴于此,作为本公开的第一个方面,提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC的校准方法,如图1所示,所述校准方法包括:
在步骤S130中,对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
在步骤S140中,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数;
在步骤S150中根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;
在步骤S160中,根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。
需要说明的是,本发明对于步骤S150和步骤S160的先后顺序不做特殊限定。例如,步骤S150可以在S160之前进行,步骤S150也可以在S160之后进行,步骤S150和S160还可以同时进行。
在本公开中,输入至所述TISAR ADC的模拟信号可以是已知的特定参考信号,并将理论上SAR ADC的理想转换结果作为参考数字信号,从而实现对所述TISAR ADC的前台校准。输入至所述TISAR ADC的模拟信号还可以是TISAR ADC工作时,输入至所述TISAR ADC的输入信号。此时,将对所述输入信号进行采样量化生成的数字信号作为所述参考数字信号,从而在不干扰TISAR ADC正常工作的情况下,实现对所述TISAR ADC的后台校准。
在本公开中,通过在步骤S140中将所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号进行比较,得到各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,并且利用上述误差,计算生成各个模数转换子模块的电容阵列校准参数,用于在步骤S150中对所述TISAR ADC的电容阵列误差进行校准,同时计算生成各个模数转换子模块的时延校准参数,用于在步骤S160中对所述TISAR ADC的时间误差进行校准,从而实现对所述TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差进行联合校准,减少了电容阵列误差和时间误差的相互影响。此外,在计算生成各个模数转换子模块的电容阵列校准参数和时延校准参数时,不需要重复计算各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,从而能够减少对计算资源的消耗,降低对所述TISAR ADC硬件电路的设计要求。
本公开提供的TISAR ADC的校准方法,利用高精度的参考数字信号对TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差进行联合校准,能够减少电容阵列误差和时间误差的相互影响,从而提高对TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差的校准精度,进而提高TISAR ADC的精度和性能。将所述参考数字信号和得到的各个模数转换子模块的输出数字信号的误差同时用于校准TISAR ADC的电容阵列误差和时间误差,能够减少对计算资源的消耗。此外,本公开提供校准方法不仅能够对TISAR ADC进行前台校准,还能够进行后台校准,因此能够根据PVT变化,在不影响所述TISAR ADC工作的情况下进行实时校准,提高TISAR ADC精度和性能的稳定性。
下面参照图7,对本公开所提供的校准方法中所涉及到的一些概念进行解释。在图7中所示的实施方式中,TISAR ADC包括两个模数转换子模块和一个参考模数转换器,其中输入到TISAR ADC中的模拟信号Sin为正弦信号,ADC1 clock为其中一个模数转换子模块(为了便于描述,将其称之为第一模数转换子模块)对Sin进行采样的时钟信号,T1为ADC1 clock的周期;ADC2 clock为另一个模数转换子模块(为了便于描述,将其称之为第二模数转换子模块)对Sin进行采样的时钟信号,T2为ADC2 clock的周期;ADCref clock为参考模数转换器对Sin进行采样的时钟信号,T3为ADCrefclock的周期。在TISAR ADC中,第一模数转换子模块与第二模数转换子模块为相同的SAR ADC,因此第一模数转换子模块与第二模数转换子模块的采样频率相同,即T1=T2。
在图7所示的实施方式中,各个模数转换子模块和参考模数转换器在各自时钟信号的上升沿对模拟信号Sin进行采样。例如,在t1时刻,第一模数转换子模块在时钟信号ADC1clock的上升沿对对Sin的P1点的电平进行采样,生成的输出数字信号也就是TISAR ADC在t1时刻的输出数字信号;在t2时刻,第二模数转换子模块在时钟信号ADC2 clock的上升沿对对Sin的P2点的电平进行采样,生成的输出数字信号也就是TISAR ADC在t2时刻的输出数字信号。可见,第一模数转换子模块和第二模数转换子模块不是同时对Sin进行采样从而生成输出数字信号,而是对Sin进行时间交织采样生成了TISAR ADC的数字输出信号,其中,每个模数转换子模块以各自时钟信号的周期为采样周期,分别对模拟信号Sin进行周期性采样。此外,参考模数转换器也以ADCref clock的周期为采样周期对Sin进行周期性采样,生成参考数字信号。
在本公开中,采样时刻是指模数转换子模块对输入的模拟信号进行采样以生成输出数字信号的时刻。例如,t1为第一模数转换子模块在t1时刻的输出数字信号的采样时刻,t2为第二模数转换子模块在t2时刻的输出数字信号的采样时刻。每一个模数转换子模块对应多个采样时刻。
作为本公开的一种具体的实施方式,通过将各个模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与参考数字信号在相应时刻的数值作差来获取各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,并根据该差值获得步骤S140中所述的各个模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个模数转换子模块的时延校准参数。相应地,如图2所示,步骤S140具体包括以下步骤:
在步骤S141中,分别计算各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
在步骤S142中,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数;
在步骤S143中,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
以图7为例,各个所述模数转换子模块分别为上文中所述的第一模数转换子模块和第二模数转换子模块。
如图7所示,在t1时刻,第一模数转换子模块在时钟信号ADC1 clock的上升沿对对Sin的P1点的电平进行采样,生成的输出数字信号,参考模数转换器在时钟信号ADCref clock的上升沿对对Sin的P1点的电平进行采样,生成的参考数字信号;在t4时刻,第二模数转换子模块在时钟信号ADC2 clock的上升沿对对Sin的P4点的电平进行采样,生成的输出数字信号,参考模数转换器在时钟信号ADCref clock的上升沿对对Sin的P4点的电平进行采样,生成的参考数字信号;在t5时刻,第一模数转换子模块在时钟信号ADC1 clock的上升沿对对Sin的P5点的电平进行采样,生成的输出数字信号,参考模数转换器在时钟信号ADCref clock的上升沿对对Sin的P5点的电平进行采样,生成的参考数字信号;在t6时刻,第二模数转换子模块在时钟信号ADC2 clock的上升沿对对Sin的P6点的电平进行采样,生成的输出数字信号,参考模数转换器在时钟信号ADCref clock的上升沿对Sin的P6点的电平进行采样,生成的参考数字信号。可见,在不同时刻,当参考模数转换器对Sin进行采样生成参考数字信号时,对Sin进行采样生成输出数字信号的模数转换子模块可能是不同的。
需要说明的是,在某些时刻,模数转换子模块对输入信号进行采样,但参考模数转换器不对输入信号进行采样。例如,在图7中,在t2时刻,第二模数转换子模块在时钟信号ADC2 clock的上升沿对对Sin的P2点的电平进行采样生成的输出数字信号,在t3时刻,第一模数转换子模块在时钟信号ADC2 clock的上升沿对对Sin的P3点的电平进行采样,生成的输出数字信号,但因为ADCref clock在t2和t3时刻没有上升沿,故参考模数转换器并未对Sin进行采样。
在本公开中,通过将TISAR ADC中的各个模数转换子模块的输出数字信号与参考数字信号进行比较得出各个模数转换子模块的输出数字信号的误差,进而对各个模数转换子模块分别进行校准。而在TISAR ADC中,各个模数转换子模块对Sin进行时间交织采样,即不是同时对Sin进行采样从而生成输出数字信号,因此,在步骤S141中,以第一模数转换子模块为例,要得到第一模数转换子模块的输出数字信号相对于参考数字信号的误差,就需要计算当第一模数转换子模块与参考模数转换器同时对Sin进行采样的时刻,第一模数转换子模块生成的数字输出信号的数值与参考模数转换器生成的参考数字信号的数值之间的差值。更具体地,如图7所示,在采样时刻t1,第一模数转换子模块与参考模数转换器同时对Sin进行采样,在步骤S141中,计算得到在采样时刻t1第一模数转换子模块生成的数字输出信号的数值与参考模数转换器生成的参考数字信号的数值之间的差值一;在步骤S142中,根据该差值一计算第一模数转换子模块的电容阵列校准参数;在步骤S143中,根据该差值一计算第一模数转换子模块的时延校准参数。在采样时刻t4,第二模数转换子模块与参考模数转换器同时对Sin进行采样,在步骤S141中,计算得到在采样时刻t4第二模数转换子模块生成的数字输出信号的数值与参考模数转换器生成的参考数字信号的数值之间的差值二;在步骤S142中,根据该差值二计算第二模数转换子模块的电容阵列校准参数;在步骤S143中,根据该差值二计算第二模数转换子模块的时延校准参数。
在本公开中,所述模数转换子模块由SAR ADC构成,对所述TISAR ADC的电容阵列误差的校准主要在数字域进行。图3为SAR ADC的结构图,输入信号经过采保电路210后输入比较器220,与电容阵列225的电压值进行比较并输出数字码元,输出的数字码元通过逻辑模块235控制电容开关230,从而改变电容阵列225电压值,电容阵列225中的各个子电容Ci逐次与输入信号比较,得到数字码元输出di,在SAR ADC的电容阵列中,子电容Ci所占的权重为则SAR ADC经过权重转换得到的数字输出如公式(1)所示:
由于电容在实际中不可能没有偏差,且电容还会因为温度等的变化而变化,故而会造成SAR ADC的电容阵列225中各子电容Ci所占的权重存在偏差,进而导致所述TISARADC产生电容阵列误差。因此,在本公开中,根据各个差值分别计算各个模数转换子模块的电容阵列的权重误差,并根据所述权重误差计算对应模数转换子模块的电容阵列的校准权重,作为所述电容阵列校准参数,从而可以对各个模数转换子模块的电容阵列225中各子电容Ci所占的权重进行校准,使其尽可能的接近理论值,就可以对各个模数转换子模块的电容阵列误差进行校准,进而实现对所述TISAR ADC的电容阵列误差进行校准。相应地,如图4所示,步骤S142具体包括:
在步骤S142a中,根据各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列的权重误差。
在步骤S142b中,根据所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数。
在本公开中,对所述TISAR ADC中的时间误差的校准主要在模拟域进行。具体地,通过调节所述TISAR ADC的各个模数转换子模块的模拟延时线,对各个模数转换子模块的时间误差进行补偿,进而校准TISAR ADC的时间误差。此外,经本公开的发明人研究发现,TISAR ADC的输出数字信号的数值与参考数字信号的数值的差值的平方,与TISAR ADC的时间误差的大小正相关。因此,在本公开中,如图5所示,步骤S143还包括:
在步骤S143a中,分别计算每一个所述模数转换子模块在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
在步骤S143b中,对于每一个所述模数转换子模块,根据所述平方和计算对应的所述模数转换子模块的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
需要说明的是,在不同时刻,当参考模数转换器对Sin进行采样生成参考数字信号时,对Sin进行采样生成输出数字信号的模数转换子模块可能是不同的,而当对参考数字信号大量采样并通过步骤S141计算所述差值时,可能有多个所述差值,分别对应于同一模数转换子模块的不同采样时刻,在步骤S143a中,对上述多个所述差值进行平方求和得到所述平方和。例如,如图7所示,在t1和t5时刻,通过步骤S141计算得到的差值都对应于第一模数转换子模块,在t4和t6时刻,通过步骤S141计算得到的差值都对应于第二模数转换子模块。
本公开提供一种根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个模数转换子模块的时延校准参数的具体实施例。
如图6所示,在传统TISAR ADC中,通过多路SAR ADC对输入的模拟信号Sin进行时间交织采样,通过多路选择器MUX得到采样频率为fs的高速ADC的采样输出Sout。当TISAR ADC中包含M路SAR ADC时,每一路SAR ADC的采样频率为fs/M。
在本公开中,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样以生成参考数字信号时,采样频率可以为fs/N。其中,N和M为互质关系。需要说明的是,如图7所示,将N和M设置为互质的自然数,使得TISAR ADC中的各个子SAR ADC每隔一定时间都有与其输出信号匹配对应的参考数字信号,例如,在t1和t5时刻,参考数字信号对应于第一模数转换子模块,在t4和t6时刻,参考数字信号对应于第二模数转换子模块,从而实现了采用一个参考ADC对TISAR ADC中的多个子SAR ADC进行校准。
在本公开中,基于统计学原理,对各路SAR ADC的输出数字信号和参考数字信号进行采样,得到多个样本。由于在TISAR ADC中,各个模数转换子模块对输入信号通过时间交织采样,从而生成TISAR ADC的输出数字信号,因此,为了计算各路SAR ADC生成的输出数字信号的数值与参考数字信号在相应时刻的数值之间的差值,需要将每一路SAR ADC在各个时刻的输出数字信号的数值与相应时刻的参考数字信号的数值进行关联。
具体地,可通过以下方式对所述参考数字信号和各个模数转换子模块生成的输出数字信号进行关联:
假设ADC1[k]、ADC2[k]分别为TISAR ADC中的第一路SAR ADC和第二路SAR ADC在第k个时刻的输出,ADCref[k]为参考通道ADC在第k个时刻的输出,则ADC1[k]、ADC2[k]与ADCref[k]的对应关系如公式(2)和公式(3)所示:
ADCref[2k]→ADC1[3k]k=0,1,2,... (2)
ADCref[2k+1]→ADC2[3k+1]k=0,1,2,... (3)
一般的,第m路SAR ADC在第k个时刻的输出与参考数字信号的对应关系可表示为公式(4):
ADCref[2k]→ADCm[3k+m-1]k=0,1,2,... (4)
由公式(1)可得,第m路SAR ADC经过权重转换得到的数字输出可表示为公式(6):
第m路SAR ADC的输出数字信号与参考数字信号的差值为公式(7):
em=ADCm-ADCref (7)
由公式(6)可以进一步转化为公式(8):
假设对第m路SAR ADC在各个时刻的输出数字信号的数值与相应时刻的参考数字信号的数值进行关联后的样本数为K,则第m路SAR ADC的电容阵列权重误差的最优估计值可以利用公式(9)中的代价函数进行计算:
根据最小二乘准则,可以得到第m路SAR ADC电容阵列权重误差估计值为公式(10)所示:
εm=pinv(Dm)*em (10)
其中εm=[ε1m,ε2m,ε3m,...,εDm]T,其中Dm为SAR ADC输出K个样本的码元形成的矩阵。可以表示为公式(11):
em=[e1,e2,...,eK]T为第m路SAR ADC的输出数字信号与参考数字信号在同一时刻的数值之间的差。
在本公开中,通过迭代方式对电容阵列的误差进行校准,对模数转换子模块的电容阵列的校准权重可以表示为公式(12):
在本公开中,通过迭代方式对时间误差进行校准。
第m路SAR ADC在不同时刻的输出数字信号的数值与参考数字信号在相应时刻的数值之间的差值的平方和可以表示为公式(13):
其中K为一次迭代所需要积累的样本数目。
通过当前迭代和上一次迭代的Jm,得到J'm,从而可以确定数字码元迭代的方向和步长,如公式(14)所示:
进一步可以得出公式(15):
Dm,n=Dm,n-1+u2J'm (15)
其中Dm,n和Dm,n-1分别表示第m路SAR ADC在当前时刻和前一时刻的模拟延时线的数字控制码,u2为步进因子,用于控制算法的收敛速度,可根据实际需要进行设定。
因为温度是影响集成电路延时的重要因素,在本公开中,可以将温度变化作为发起本公开提供TISAR ADC的校准方法的条件。相应地,本公开提供的校准方法除了包括上述步骤S130至步骤S160以外,如图8所示,在步骤S130之前,还包括:
在步骤S120中,检测所述TISAR ADC的温度;
在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,执行步骤S130及其后续步骤。
作为本公开的另一种具体实施方式,还可以将所述TISAR ADC的输出数字信号的误差大小作为发起本公开提供的校准方法的条件,从而在输出数字信号的误差大于第一门限值时及时发起校准。相应地,本公开提供的校准方法除了包括上述步骤S130至步骤S160以外,如图9所示,在步骤S130之前,还包括:
在步骤S110中,判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值;
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,执行步骤S130及其后续步骤。
在本公开中,当经过校准后的所述TISAR ADC的输出数字信号相对于参考数字信号的误差小于第二门限值时,判定完成对所述TISAR ADC的校准,进而终止所述校准方法。相应地,本公开提供的校准方法除了包括上述步骤S130至步骤S160以外,如图10所示,在步骤S130之后,还包括:
在步骤S170中,判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值;
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止执行步骤S140及其后续步骤。
本公开提供的校准方法是通过迭代的方式进行的,因此还可以在迭代次数达到预定阈值时,判定完成对所述TISAR ADC的校准,进而终止所述校准方法,从而节约计算资源。相应地,本公开提供的校准方法除了包括上述步骤S130至步骤S160以外,如图11所示,在步骤S130之前,还包括:
在步骤S180中,获取步骤S150和步骤S160的迭代次数;
在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止执行步骤S130及其后续步骤。
需要说明的是,在实际应用中,可以对本公开实施例中提供的校准方法中的不同步骤进行组合,以得到新的技术方案,该新的技术方案也应属于本公开的保护范围。
下面提供本公开提供的校准方法的具体实施例。
以两通道TISAR ADC为例,两通道TISAR ADC的速率为2Gsps,子ADC采用SAR架构,速率为1Gsps,一个数字码元相应的模拟延时线步进长度为75fs,参考通道的速率为666.67MHz。
输入389MHz单音信号。开启双通道时间交织SAR ADC对模拟信号进行采样,对两通道SAR ADC和参考通道ADC采样数据进行关联,并分别求得差值emk,k=1,2,...,200。当关联的数据量达到200时。对εm进行计算,设置SAR ADC步进参数u1=0.5,迭代得到新的电容阵列误差校准参数,并更新SAR ADC电容权重,完成数字校准更新。
根据求得的差值emk,k=1,2,...,200,对差值进行平方求和,并求得J'm[n],设置步进参数u2=1000,对前一时刻的数字码元Dm,n-1进行迭代,可以得到当前时刻的数字码元Dm,n,并利用该数字码元对模拟延时线进行调节。
作为本公开的第二个方面,提供一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC,如图12所示,包括:
模数转换模块300,包括多个模数转换子模块310,多个所述模数转换子模块310用于对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行时间交织采样,每个所述模数转换子模块310均能够生成输出数字信号;
参考模数转换器模块100,用于对所述模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
校准参数计算模块400,用于根据所述参考模数转换器模块100生成的所述参考数字信号和各个所述模数转换子模块310生成的所述输出数字信号获得各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块310的时延校准参数;
电容阵列误差补偿模块500,包括多个误差补偿子模块510,所述误差补偿子模块510的数量与所述模数转换子模块310的数量相同,且所述误差补偿子模块510与所述模数转换子模块310一一对应,所述电容误差补偿子模块510用于根据各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块310的电容阵列;
时间延迟调整模块600,所述时间延迟调整模块600包括多个模拟延时线子模块,所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块310的数量相同,且所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块310一一对应,所述模拟延时线子模块用于根据各个所述模数转换子模块310的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块310的时间延迟。
需要说明的是,在本公开中,所示电容阵列误差补偿模块500具体为CDAC,即电容型数模转换结构。
本发明提供的时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC,通过设置了参考模数转换器模块100,将参考模数转换器模块100生成的参考数字信号和TISAR ADC的各个模数转换子模块310生成的输出数字信号进行比较,得到各个模数转换子模块310的输出数字信号的误差,校准参数计算模块400利用该误差计算生成各个模数转换子模块310的电容阵列校准参数,电容阵列误差补偿模块500用该电容阵列校准参数对各个模数转换子模块310的电容阵列误差进行校准;校准参数计算模块400同时计算生成各个模数转换子模块310的时延校准参数,时间延迟调整模块600用该时延校准参数对各个模数转换子模块310的时间误差进行校准,从而实现对所述TISAR ADC中的电容阵列误差和时间误差进行联合校准,减少了电容阵列误差和时间误差的相互影响。此外,校准参数计算模块400在计算生成各个模数转换子模块310的电容阵列校准参数和时延校准参数时,仅需对各个模数转换子模块310的输出数字信号的误差做一次计算,从而能够减少对计算资源的消耗,还简化了TISAR ADC硬件电路。
可选地,如图13所示,所述校准参数计算模块400包括:
减法器420,用于用于分别计算各个所述模数转换子模块310生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
电容阵列校准参数计算模块430,用于根据所述减法器420计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数;
时延校准参数计算模块440,用于根据所述减法器420计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块310的时延校准参数。
可选地,如图13所示,所述电容阵列校准参数计算模块430包括:
误差估计模块431,用于根据所述减法器420计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块310的电容阵列的权重误差;
权重计算模块432,用于根据所述误差估计模块431计算获得的各个所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块310的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数。
可选地,如图13所示,所述时延校准参数计算模块440包括:
平方求和模块441,用于分别计算每一个所述模数转换子模块310在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
数字控制码计算模块442,对于每一个所述模数转换子模块310,所述数字控制码计算模块442用于根据所述平方求和模块计算获得的所述平方和计算对应的所述模数转换子模块310的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块310的时延校准参数。
可选地,所述TISAR ADC包括:
温度传感器,用于检测所述TISAR ADC的温度并生成温度信号;
所述参考模数转换器模块100用于接收所述温度传感器生成的温度信号,且用于在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号。
可选地,所述校准参数计算模块400用于判断所述参考模数转换器模块100生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块310生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块310的时延校准参数。
可选地,所述校准参数计算模块400用于判断所述参考模数转换器模块生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块310生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块310的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块310的时延校准参数。
可选地,所述TISAR ADC包括:
计数模块,用于获取所述电容阵列误差补偿模块根据各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列和所述时间延迟调整模块根据各个所述模数转换子模块的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟的迭代次数;
所述参考模数转换器模块100用于在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC的校准方法,包括:
对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数;
根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;
根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。
2.根据权利要求1所述的校准方法,其中,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤包括:
分别计算各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数;
根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
3.根据权利要求2所述的校准方法,其中,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数的步骤包括:
根据各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列的权重误差;
根据所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数。
4.根据权利要求2所述的校准方法,其中,根据计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤包括:
分别计算每一个所述模数转换子模块在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
对于每一个所述模数转换子模块,根据所述平方和计算对应的所述模数转换子模块的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的校准方法,其中,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之前,所述校准方法还包括:
检测所述TISAR ADC的温度;
在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,执行对输入至所述TISARADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的校准方法,其中,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之后,所述校准方法还包括:
判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值;
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,执行根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的校准方法,其中,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之后,所述校准方法还包括:
判断所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值;
在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止执行根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数的步骤。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的校准方法,其中,在对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤之前,所述校准方法还包括:
获取根据各个所述电容阵列校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列的步骤和根据各个所述时延校准参数分别调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟的步骤的迭代次数;
在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止执行对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号的步骤。
9.一种时间交织逐次逼近型模数转换器TISAR ADC,包括:
模数转换模块,包括多个模数转换子模块,多个所述模数转换子模块用于对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行时间交织采样,每个所述模数转换子模块均能够生成输出数字信号;
参考模数转换器模块,用于对所述模拟信号进行采样,以生成参考数字信号;
校准参数计算模块,用于根据所述参考模数转换器模块生成的所述参考数字信号和各个所述模数转换子模块生成的所述输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数;
电容阵列误差补偿模块,包括多个误差补偿子模块,所述误差补偿子模块的数量与所述模数转换子模块的数量相同,且所述误差补偿子模块与所述模数转换子模块一一对应,所述电容误差补偿子模块用于根据各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列;
时间延迟调整模块,包括多个模拟延时线子模块,所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块的数量相同,且所述模拟延时线子模块与所述模数转换子模块一一对应,所述模拟延时线子模块用于根据各个所述模数转换子模块的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟。
10.根据权利要求9所述的TISAR ADC,其中,所述校准参数计算模块包括:
减法器,用于分别计算各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号的数值与在对应的采样时刻所述参考数字信号的数值之间的差值;
电容阵列校准参数计算模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数;
时延校准参数计算模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
11.根据权利要求10所述的TISAR ADC,其中,所述电容阵列校准参数计算模块包括:
误差估计模块,用于根据所述减法器计算获得的各个所述差值分别计算各个所述模数转换子模块的电容阵列的权重误差;
权重计算模块,用于根据所述误差估计模块计算获得的各个所述权重误差计算对应的所述模数转换子模块的电容阵列的校准权重,将各个所述校准权重作为各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数。
12.根据权利要求10所述的TISAR ADC,其中,所述时延校准参数计算模块包括:
平方求和模块,用于分别计算每一个所述模数转换子模块在不同的采样时刻对应的所述差值的平方和;
数字控制码计算模块,对于每一个所述模数转换子模块,所述数字控制码计算模块用于根据所述平方求和模块计算获得的所述平方和计算对应的所述模数转换子模块的模拟延时线数字控制码,将各个所述模拟延时线数字控制码作为各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的TISAR ADC,其中,所述TISAR ADC包括:
温度传感器,用于检测所述TISAR ADC的温度并生成温度信号;
所述参考模数转换器模块用于接收所述温度传感器生成的温度信号,且用于在预定时间内采集到的所述温度超出预定范围的情况下,对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样,以生成参考数字信号。
14.根据权利要求9至12中任意一项所述的TISAR ADC,其中,
所述校准参数计算模块用于判断所述参考模数转换器模块生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否大于第一门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值大于所述第一门限值的情况下,根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
15.根据权利要求9至12中任意一项所述的TISAR ADC,其中,
所述校准参数计算模块用于判断所述参考模数转换器模块生成的参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值是否小于第二门限值,且用于在所述参考数字信号和所述TISAR ADC的输出数字信号的差值小于所述第二门限值的情况下,停止根据所述参考数字信号和所述TISAR ADC的各个所述模数转换子模块生成的输出数字信号获得各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数和各个所述模数转换子模块的时延校准参数。
16.根据权利要求9至12中任意一项所述的TISAR ADC,其中,所述TISAR ADC包括:
计数模块,用于获取所述电容阵列误差补偿模块根据各个所述模数转换子模块的电容阵列校准参数调整对应的所述模数转换子模块的电容阵列和所述时间延迟调整模块根据各个所述模数转换子模块的时延校准参数调整对应的所述模数转换子模块的时间延迟的迭代次数;
所述参考模数转换器模块用于在所述迭代次数超过预定阈值的情况下,停止对输入至所述TISAR ADC的模拟信号进行采样。
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