CN113556128A

CN113556128A - 模数转换方法、模数转换控制器及其电路

Info

Publication number: CN113556128A
Application number: CN202110859353.7A
Authority: CN
Inventors: 崔志立; 崔亮
Original assignee: Nanovision Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Nanovision Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2021-10-26

Abstract

本发明公开了一种模数转换方法、模数转换控制器及其电路。该模数转换方法包括以下步骤：输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将方波调制为波峰值为第一电压值、频率为第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和三角波进行比较获得频率为第一频率的周期性矩形脉冲；利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取周期性矩形脉冲的占空比；利用占空比和第一电压值获取第二电压值；第二电压值为待测电压信号经模数转换得到的数值。本发明只利用很少的器件就实现了高位数的ADC采样功能，在满足高量化位数的同时可以实现较高的采样率。

Description

模数转换方法、模数转换控制器及其电路

技术领域

本发明涉及一种模数转换方法，同时涉及一种相应的模数转换控制器，还涉及采用该模数转换控制器的模数转换电路，属于电路技术领域。

背景技术

ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)的作用是将连续的模拟量(如电压、电流等)通过取样转换成离散的数字量，在军工、航空航天、通信、工业和医疗仪器(核磁共振、超声)等诸多领域得到广泛应用。

目前，实现ADC的技术方案主要分为两种：一.采用专门的ADC芯片，例如TIADS1220、CS1237等。这种方案的优点是集成度高，缺点是成本相对较高，设计自由度受到一定限制。尤其在一些对采样率要求不高，但需要高量化位数并且电路成本和电路面积受限的使用需求中，使用ADC芯片所面临的问题会更加突出；二.采用分立元器件搭建专门的ADC电路。这种方案的优点是成本相对上一种方案较低，缺点是所使用的元器件较多，占据电路板面积较大，会降低整个系统的集成度。如何能够既节省成本，又在保证集成度的情况下实现模数转换，仍然是本领域亟待解决的技术课题之一。

在专利号为ZL 201110247087.9的中国发明专利中，公开了一种模数转换电路，包括：电荷存储器、电流源模块、输入电阻、比较器、触发器、计数器、放电模块；待转换模拟电压信号经过输入电阻连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接参考电压；触发器的输入端连接比较器的输出端；触发器的输出端连接计数器的输入端和放电模块；电荷存储器连接于比较器的第一输入端与第一固定电平之间；电流源模块连接比较器的第一输入端；放电模块连接在比较器的第一输入端与第二固定电平之间。该模数转换电路的抗干扰能力强、转换精度可调，并且制造成本低。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种模数转换方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种模数转换控制器。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种采用上述模数转换控制器的模数转换电路。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种模数转换方法，包括以下步骤：

输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将方波调制为波峰值为第一电压值、频率为第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和三角波进行比较获得频率为第一频率的周期性矩形脉冲；

利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取周期性矩形脉冲的占空比；

利用占空比和第一电压值获取第二电压值；第二电压值为待测电压信号经模数转换得到的数值。

其中较优地，利用边沿触发计数器计数得到计数数据；其中，边沿触发计数器响应于周期性矩形脉冲的上升沿开始计数，响应于周期性矩形脉冲的下降沿停止计数，获得计数数据并清零边沿触发计数器。其中较优地，第二频率与第一频率之间的关系是：F2＝2^N×F1；F1为第一频率，F2为第二频率，N为模数转换生成的电压值的位数。

其中较优地，根据公式M＝F/2^N，计算周期性矩形脉冲的占空比；其中，M为占空比，A为计数数据。

其中较优地，若三角波输入到电压比较器的反相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的同相输入端，利用占空比和第一电压值获取第二电压值，包括以下步骤：

根据公式V2＝M×V1计算第二电压的数值；

或者，若三角波输入到电压比较器的同相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的反相输入端，利用占空比和第一电压值获取第二电压值，包括以下步骤：

根据公式V2＝(1-M)×V1计算第二电压的数值；

其中，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种模数转换控制器，包括以下模块：

输出模块，用于输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将方波调制为波峰值为第一电压值、频率为第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和三角波进行比较获得频率为第一频率的周期性矩形脉冲；

第一获取模块，用于利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取周期性矩形脉冲的占空比；

第二获取模块，用于利用占空比和第一电压值获取第二电压值；第二电压值为待测电压信号经模数转换得到的数值。

其中较优地，第一获取模块，包括以下子模块：

计数子模块，用于利用边沿触发计数器计数得到计数数据；其中，边沿触发计数器响应于周期性矩形脉冲的上升沿开始计数，响应于周期性矩形脉冲的下降沿停止计数，获得计数数据并清零边沿触发计数器；第二频率与第一频率之间的关系是：F2＝2^N×F1；F2为第二频率，F1为第二频率，N为模数转换生成的电压值的位数；

其中较优地，第一获取模块，还包括以下子模块：

第一计算子模块，用于根据公式M＝A/2^N，计算周期性矩形脉冲的占空比；其中，M为占空比，A为计数数据，N为模数转换生成的电压值的位数。

其中较优地，若三角波输入到电压比较器的反相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的同相输入端，则第二获取模块包括以下子模块：

第二计算子模块，用于根据公式V2＝M×V1计算第二电压的数值；

若三角波输入到电压比较器的同相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的反相输入端，则第二获取模块包括以下子模块：

第三计算子模块，用于根据公式V2＝(1-M)×V1计算第二电压的数值；

其中，M为占空比，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种模数转换电路，包括上述任意一种模数转换控制器，三角波调制电路和电压比较器；其中，所述电压比较器连接在所述三角波调制电路和所述模数转换控制器之间，所述模数转换控制器向所述三角波调制电路输出方波。

本发明采用创新的技术思路，只利用很少的器件就实现了高位数的ADC采样功能，在满足高量化位数的同时可以实现不低于10Khz的较高采样率。在FPGA或DSP应用电路中配合使用时，能够替代KHz级采样率、高位数的ADC芯片使用。本发明可以使用成本较低的FPGA/DSP完成方波波形发生器、边沿触发计数器等多个功能，因而相较现有技术中基于分立器件实现的模数转换电路的结构更简单，相较集成化高的ADC芯片的成本更低。

附图说明

图1为本发明实施例公开的模数转换方法的流程图；

图2为矩形脉冲占空比、三角波的波峰值与待测电压的电压值之间的关系示意图；

图3为本发明实施例公开的模数转换控制器的示意图；

图4(a)为本发明实施例公开的一种模数转换电路的示意图；

图4(b)为本发明实施例公开的另一种模数转换电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

图1为本发明实施例公开的一种模数转换方法的流程图。该模数转换方法包括以下步骤：

步骤S1，输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将方波调制为波峰值为第一电压值、频率为第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和三角波进行比较获得频率为第一频率的周期性矩形脉冲；

步骤S2，利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取周期性矩形脉冲的占空比；

步骤S3，利用占空比和第一电压值获取第二电压值；第二电压值为待测电压信号经模数转换得到的数值。

在本发明中，周期性矩形脉冲的占空比与待测电压信号之间为预定的正向比例关系，即占空比越高，待测电压信号也越高。这是本发明提供的模数转换方法的工作原理所在。在上述工作原理的基础上，步骤S2：利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取周期性矩形脉冲的占空比，包括以下子步骤：

步骤S21，利用边沿触发计数器计数得到计数数据；其中，边沿触发计数器响应于周期性矩形脉冲的上升沿开始计数，响应于周期性矩形脉冲的下降沿停止计数，获得计数数据并清零边沿触发计数器；第二频率与第一频率之间的关系是：F2＝2^N×F1；F2为第二频率，F1为第二频率，N为模数转换生成的电压值的位数；

步骤S22，根据公式M＝A/2^N，计算周期性矩形脉冲的占空比；其中，M为占空比，A为计数数据，N为模数转换生成的电压值的位数。

具体地说，F2＝2^N×F1，相当于边沿触发计数器采样时，将矩形脉冲的一个周期等分成2^N份采样，等分的份数越多，采样到占空比越精确。

在实际应用中，A为矩形脉冲的一个周期计数得到的计数数值，每次计数停止都会将计数数值存储起来，并且清零计数器，下个周期重新从零开始计数。

在本发明的一个实施例中，该边沿触发计数器具有计数时钟，定义为Fcnt，计数时钟频率(即第二频率)由需要量化的模数转换位数N决定，即Fcnt＝(2^N)*Fclk。例如：若实现12位ADC，则计数时钟频率为2^12*Fclk(Fclk为方波频率，即第一频率)，若Fclk＝10KHz，则Fcnt＝2^12*10K＝40.96MHz；若实现13位ADC，则Fcnt＝2^13*10K＝81.92MHz；若将Fcnt设为100MHz，则ADC的最大量化值为10000，相当于13+位ADC。

实际模数转换时，可能会出现待测电压过大导致超量程的情况。若A＝2^N，占空比M为1时,相当于第二电压在所有时刻都大于或等于第一电压，说明模数转换超过量程，可以增大三角波的波峰值或者按照比例缩小第一电压(例如使用按比例缩小第一电压的探头)。若A<2^N,占空比M<1，第二电压小于第一电压，未超过量程，无需调整。

图2为矩形脉冲占空比、三角波的波峰值与待测电压的电压值之间的关系示意图。如图2所示，上述优选实施例中的三角波的波峰值与第二电压之间成比例，比值即为占空比。因而占空比越精确，对占空比的采样越精确，计算出的第二电压的精度越高。将矩形脉冲的一个周期分成2^N份，用分成2^N份采样的矩形脉冲的占空比去测算矩形脉冲的占空比，相当于用将矩形脉冲的波峰值分成2^N份的精度去逼近待测电压的电压值(即第一电压值)。计算得到N位精度的第一电压值，即构成N位的模数转换器。

在上述优选实施例中，通过精准的采样比较操作，所获得的占空比精度越高，获取的待测电压信号的电压值(即模数转换结果)也越准确。

进一步地，在步骤S3中，若三角波输入到电压比较器的反相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的同相输入端(参见图4(a))，利用占空比和第一电压值获取第二电压值，包括以下子步骤：

步骤S31，根据公式V2＝M×V1计算第二电压的数值；其中，M为占空比，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

或者，若三角波输入到电压比较器的同相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的反相输入端(参见图4(b))，利用占空比和第一电压值获取第二电压值，包括以下步骤：

步骤S32，根据公式V2＝(1-M)×V1计算第二电压的数值；其中，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

上述实施例提供了两种准确计算第二电压的数值的公式，因而能够准确地获取第二电压的数值(即模数转换结果)。

在上述模数转换方法的基础上，本发明进一步提供一种相应的模数转换控制器。参见图3所示的模数转换控制器的示意图，该模数转换控制器至少包括以下模块：

在上述模数转换控制器的优选实施例中，该第一获取模块包括以下子模块：

在上述模数转换控制器的优选实施例中，若三角波输入到电压比较器的反相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的同相输入端，该第二获取模块进一步包括以下子模块：

第二计算子模块，用于根据公式V2＝M×V1计算第二电压的数值；其中，M为占空比，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

或者，若三角波输入到电压比较器的同相输入端，待测电压信号输入到电压比较器的反相输入端，该第二获取模块进一步包括以下子模块：

第三计算子模块，用于根据公式V2＝(1-M)×V1计算第二电压的数值；其中，M为占空比，V1为第一电压值，V2为第二电压值。

在上述模数转换控制器的基础上，本发明进一步提供一种模数转换电路。该模数转换电路主要由三部分组成，分别是三角波调制电路、电压比较器和图3所示的模数转换控制器。其中，三角波调制电路与电压比较器之间可以有两种不同的接法，分别如图4(a)和图4(b)所示。

图4(a)为本发明公开的模数转换电路的一个实施例示意图。其中，待测电压信号输入电压比较器的同相输入端，三角波调制电路产生的第一幅度的三角波输入电压比较器的反相输入端，电压比较器的输出端向模数转换控制器中的边沿触发计数器输出周期性的矩形脉冲，模数转换控制器中的方波波形发生器向三角波调制电路输出第一频率的方波信号。

在图4(b)所公开的模数转换电路的另一实施例中，待测电压信号输入电压比较器的反相输入端，三角波调制电路产生的第一幅度的三角波输入电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端向模数转换控制器中的边沿触发计数器输出周期性的矩形脉冲，模数转换控制器中的方波波形发生器向三角波调制电路输出第一频率的方波信号。

在图4(a)或图4(b)所示的实施例中，采用RC调制电路实现该三角波调制电路。具体地说，模数转换控制器输出的方波经过由电阻R和电容C构成的RC调制电路，分别调整电阻R和电容C的值，使得频率为第一频率的方波能够在一个周期内完成对电容C的充电和放电。这样，方波经过三角波调制电路调制后输出的三角波与方波的频率是相同的，都为第一频率。方波经图4(a)或图4(b)中的三角波调制电路的调制，输出的三角波的波峰值与方波的波峰值相同，也可以在三角波调制电路中加入运算放大器，或者分压电阻，使得三角波的波峰值与方波的波峰值呈一定的比例关系(放大或者缩小)。上述设计的目的是为了使得待测电压信号小于三角波的波峰值，这样位于三角波调制电路后面的电压比较器才能发挥作用。需要说明的是，本发明中的三角波调制电路并不限于由上述的RC调制电路实现，其它可以将方波调制成三角波的电路均可以适用于本发明。

上述模数转换电路的采样速度可以与模数转换控制器输出的方波的频率(即第一频率)相同。第二频率为边沿触发计数器对电压比较器输出的矩形脉冲的电压值进行采样的频率。为了准确确定矩形脉冲发生变化的时间点，第二频率通常为矩形脉冲的第一频率的整数倍。相当于将第一频率的矩形脉冲发生变化的周期分成整数份，第二频率越高，检测到矩形脉冲发生变化的时间点越精确，测得矩形脉冲的占空比越精确，通过占空比获得的待测电压的经模数转换后的电压值越精确。边沿触发计数器在矩形脉冲信号的上升沿触发计数，直到检测到矩形脉冲信号的下降沿，再停止计数，或者反之。计数可以得到一个周期的矩形脉冲中有效信号的时间长度。

在图4(a)所示的模数转换电路中，矩形脉冲占空比、三角波的波峰值与待测电压的电压值之间存在图2所示的对应关系。在图2中，包括上、中、下三个部分。在中间部分中，电压比较器中的三角波的电压值与待测电压的电压值(即第二电压值)相比较，若第二电压值>三角波的电压值，则电压比较器输出高电平，反之输出低电平，从而形成矩形脉冲。该矩形脉冲的占空比近似等于第二电压与三角波的波峰值之间的比值，因而可以通过周期性矩形脉冲的占空比、三角波的波峰值获取待测电压的电压值。具体地说，采用公式V2＝M×V1计算第二电压。

在图4(b)所示的模数转换电路中，电压比较器输出的信号波形与图4(a)中电压比较器输出的信号波形是上下颠倒的，即图4(a)中电压比较器输出波形的“占”对应图4(b)中电压比较器输出波形的“空”。相应的图4(b)中，周期性矩形脉冲的空占比近似等于第二电压与三角波的波峰值之间的比值。因此，在图4(b)所示的实施例中，采用公式V2＝(1-M)×V1计算第二电压。其中，(1－M)表示空占比。

图4(a)和图4(b)中的Vref为模数转换控制器中的方波波形发生器的峰值电压。Vref可能等于第一电压值的波峰值，也可能与第一电压值的波峰值存在比例关系。

在图4(a)或图4(b)所示的实施例中，模数转换控制器可以采用FPGA(FieldProgrammable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)或DSP(Digital Signal Process，数字信号处理器)实现。这两种芯片的特点是处理数据的速度较快(时钟通常为几十兆赫兹)，特别适合在模数转换过程中处理频率较高的电压信号。需要说明的是，本发明实施例对所使用的DSP和FPGA的参数要求较低，只要使用低端型号的芯片即可，价格一般在20～30元左右，用于构成三角波调制电路的器件和电压比较器的价格跟DSP和FPGA的价格相比，几乎可以忽略不计。但是，采用上述模数转换方法的模数转换电路，可以用于处理几十kHz的电压信号。通常，一个13位能处理同样频率电压信号的ADC芯片的价格是80元左右。因此，本发明相对于使用集成度高的ADC芯片，成本明显降低。

与现有技术相比较，本发明可以使用成本较低的FPGA/DSP完成方波波形发生器、边沿触发计数器等多个功能，因而相较现有技术中基于分立器件实现的模数转换电路的结构更简单，相较集成化高的ADC芯片的成本更低。另一方面，本发明只利用很少的器件就实现了高位数的ADC采样功能，在满足高量化位数的同时可以实现不低于10Khz的较高采样率。在FPGA或DSP应用电路中配合使用时，能够替代KHz级采样率、高位数的ADC芯片使用。

上面对本发明所提供的模数转换方法、模数转换控制器及其电路进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种模数转换方法，其特征在于包括以下步骤：

输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将所述方波调制为波峰值为第一电压值、频率为所述第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和所述三角波进行比较，获得频率为所述第一频率的周期性矩形脉冲；

利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取所述周期性矩形脉冲的占空比；

利用所述占空比和所述第一电压值获取第二电压值；所述第二电压值为所述待测电压信号经模数转换得到的数值。

2.如权利要求1所述的模数转换方法，其特征在于：

利用所述边沿触发计数器计数得到计数数据；其中，所述边沿触发计数器响应于所述周期性矩形脉冲的上升沿开始计数，响应于所述周期性矩形脉冲的下降沿停止计数，获得所述计数数据并清零所述边沿触发计数器。

3.如权利要求2所述的模数转换方法，其特征在于：

所述第二频率与所述第一频率之间的关系是：F2＝2^N×F1；F1为所述第一频率，F2为所述第二频率，N为模数转换生成的电压值的位数。

4.如权利要求3所述的模数转换方法，其特征在于：

根据公式M＝A/2^N，计算所述周期性矩形脉冲的占空比；其中，M为占空比，A为计数数据。

5.如权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于：

若所述三角波输入到所述电压比较器的反相输入端，所述待测电压信号输入到所述电压比较器的同相输入端，则利用所述占空比和所述第一电压值获取第二电压值，包括以下步骤：

根据公式V2＝M×V1计算所述第二电压的数值；

若所述三角波输入到所述电压比较器的同相输入端，所述待测电压信号输入到所述电压比较器的反相输入端，则利用所述占空比和所述第一电压值获取第二电压值，包括以下步骤：

根据公式V2＝(1-M)×V1计算所述第二电压的数值；

其中，V1为所述第一电压值，V2为所述第二电压值。

6.一种模数转换控制器，其特征在于包括以下模块：

输出模块，用于输出频率为第一频率的方波；利用三角波调制电路将所述方波调制为波峰值为第一电压值、频率为所述第一频率的三角波，以使电压比较器对待测电压信号和所述三角波进行比较获得频率为所述第一频率的周期性矩形脉冲；

第一获取模块，用于利用时钟频率为第二频率的边沿触发计数器获取所述周期性矩形脉冲的占空比；

第二获取模块，用于利用所述占空比和所述第一电压值获取第二电压值；所述第二电压值为所述待测电压信号经模数转换得到的数值。

7.如权利要求6所述的模数转换控制器，其特征在于所述第一获取模块，包括以下子模块：

计数子模块，用于利用所述边沿触发计数器计数得到计数数据；其中，所述边沿触发计数器响应于所述周期性矩形脉冲的上升沿开始计数，响应于所述周期性矩形脉冲的下降沿停止计数，获得所述计数数据并清零所述边沿触发计数器；所述第二频率与所述第一频率之间的关系是：F2＝2^N×F1；F1为所述第一频率，F2为所述第二频率，N为模数转换生成的电压值的位数。

8.如权利要求7所述的模数转换控制器，其特征在于所述第一获取模块，还包括以下子模块：

第一计算子模块，用于根据公式M＝A/2^N，计算所述周期性矩形脉冲的占空比；其中，M为占空比，A为计数数据，N为模数转换生成的电压值的位数。

9.如权利要求8所述的模数转换控制器，其特征在于：

若所述三角波输入到所述电压比较器的反相输入端，所述待测电压信号输入到所述电压比较器的同相输入端，所述第二获取模块包括以下子模块：

第二计算子模块，用于根据公式V2＝M×V1计算所述第二电压的数值；

若所述三角波输入到所述电压比较器的同相输入端，所述待测电压信号输入到所述电压比较器的反相输入端，所述第二获取模块包括以下子模块：

第三计算子模块，用于根据公式V2＝(1-M)×V1计算所述第二电压的数值；

其中，V1为所述第一电压值，V2为所述第二电压值。

10.一种模数转换电路，其特征在于包括三角波调制电路、电压比较器和权利要求6～9中任意一项所述的模数转换控制器；其中，所述电压比较器连接在所述三角波调制电路和所述模数转换控制器之间，所述模数转换控制器向所述三角波调制电路输出方波。