CN113839677B - 一种积分型模数转换器及其模数转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种积分型模数转换器，包括积分器、过零比较器、控制器、程控电压参考源和时间计数器，控制器基于过零比较器输出电平变化生成控制信号控制程控电压参考源、程控多路开关和时间计数器工作；程控电压参考源，基于控制器控制信号输出对应的电压信号；程控多路开关，基于控制器控制信号导通各输入端与输出端之间的内部电路通道；时间计数器，基于控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。本发明的有益效果在于：采用输出电压可编程调节的程控电压参考源代替现有技术中的固定电压源加电阻网络的组合，消除电阻网络对模数转换结果的影响，提高了模数转换器的准确性和稳定性。

Description

一种积分型模数转换器及其模数转换方法

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，尤其涉及一种积分型模数转换器及其模数转换方法。

背景技术

在电子技术领域，多斜积分方法是提高积分型模数转换器转换速率的常见方法。现有技术中，利用电阻网络实现多斜积分方法面临电阻比例漂移影响模数转换精度与稳定性的问题，以及多斜积分斜率数量与斜率进制不可调整的问题。

积分型模数转换器的基本工作原理，是将固定积分时间内被测电压信号的平均值，转换成与之成正比的时间间隔并测量该时间间隔。积分型模数转换器的工作过程可以分为两个积分阶段。如图1所示，在第一积分阶段，开关S₁选通触点P₁，被测电压信号V_i经由电阻R转换成电流信号I₁，对由积分电容C和运算放大器组成的积分器J₁进行充电，充电时间固定为T₁＝N₁×T_cp，其中N₁为定时计数器的计数结果，T_cp为定时计数器的单次定时周期。在此阶段，假设积分器J₁的输出电压V_o由0开始逐步增长，并且一直为正。在第二积分阶段，开关S₁选通触点P₂，与被测电压信号V_i极性相反的参考电压信号-V_ref经由电阻R转换成电流信号I₂对积分器J₁进行反向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由正转零，计时T₂＝N₂×T_cp。至此，一次模数转换过程结束，被测电压信号V_i在时间周期T₁的平均值的量化结果可表示为：

上述积分型模数转换器被称为双斜积分型模数转换器，由式(1)可知，其优势在于，模数转换结果只与参考电压的准确性以及定时计数准确性有关，而对于电阻R、电容C等电路参数不敏感。在双斜积分型模数转换器中，时间T₂主要取决于电流信号I₂的幅值，I₂的幅值越大，则T₂越小，反之，则T₂越大。但是，双斜积分型架构的局限性在于，其转换速率与转换精度指标相互制衡。理论上，双斜积分型架构完成单次满量程模数转换所需的最少时间T_m可表示为：T_m＝2MT_cp，其中，M表示指定分辨率条件下满量程测量对应的计数值。以计数时钟频率为20MHz为例，若要求实现20位测量分辨率，则完成单次满量程测量所需的时间至少为1s，对应测量速率仅有1Hz。因此，为了提高积分型模数转换器的转换速率，现有技术中提出了一种多斜积分方法。

多斜积分方法是一种维持测量分辨率的前提下有效缩短时间T₂，即提高积分型模数转换器转换速率的方法，该方法的核心思想是呈进制地调整第二积分阶段电流信号的幅值。现以斜率数量为4、斜率进制为10进行举例，说明多斜积分方法的工作原理。如图2所示，在第一积分阶段，开关S_a闭合，其余开关均断开，被测电压信号V_i经由电阻R_a转换成电流信号I_a对积分器J₁进行正向充电，充电时间固定为T_a＝N_a×T_cp，假设该过程中积分器J₁的输出电压V_o恒大于0。在第二积分阶段，首先开关S_b闭合，其余开关均断开，参考电压信号-V_ref经由电阻R_b转换成电流信号I_b对积分器J₁进行反向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由正转负，计时T_b＝N_b×T_cp。然后，开关S_c闭合，其余开关均断开，参考电压信号V_ref经由电阻R_c转换成电流信号I_c对积分器J₁进行正向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由负转正，计时T_c＝N_c×T_cp。再然后，开关S_d闭合，其余开关均断开，参考电压信号-V_ref经由电阻R_d转换成电流信号I_d对积分器J₁进行反向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由正转负，计时T_d＝N_d×T_cp。最后，开关S_e闭合，其余开关均断开，参考电压信号V_reF经由电阻R_e转换成电流信号I_e对积分器J₁进行正向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由负转正，计时T_e＝N_e×T_cp。至此，第二积分阶段结束。在上述过程中，有|I_b|＝|10I_c|＝|100I_d|＝|1000I_e|，对应有R_b＝|R_c/10|＝|R_d/100|＝|R_e/1000|。被测电压信号V_i在时间周期T_a的平均值的量化结果可表示为：

在保证同等模数转换分辨率条件下，应用多斜积分方法前、后存在如下对应关系：R＝R_a＝R_e，对应有：N₂＝1000N_b+100N_c+10N_d+N_e。显然，应用多斜积分方法能够明显缩短第二积分阶段所消耗的时间。

现有技术中基于电阻网络的多斜积分实现方法，虽然能提高模数转换效率，但是存在如下两方面问题：

如式(2)所示，电阻比值R_a/R_b、R_a/R_c、R_a/R_d和R_a/R_e显含在模数转换的量化结果中，因此电阻元件负载系数、温度系数等因素所导致的电阻阻值变化，将会直接影响模数转换准确性与稳定性；电阻网络中的电阻元件数量和比值，决定了多斜斜率数量与斜率进制，无法根据需要进行动态调整。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种转换精度和准确性高且采样速率高的积分型模数转换器及其转换方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种积分型模数转换器，包括积分器和过零比较器，所述积分器输出端连接所述过零比较器输入端，所述积分器包括限流电阻、运算放大器和积分电容，所述限流电阻电连接所述运算放大器输入端，所述积分电容并联于所述运算放大器，还包括：

控制器，所述控制器电连接有程控电压参考源、程控多路开关、时间计数器和所述过零比较器，所述控制器被配置为基于所述过零比较器输出电平变化生成控制信号以控制所述程控电压参考源、程控多路开关和时间计数器工作；

程控电压参考源，被配置为基于所述控制器控制信号输出对应的电压信号；

程控多路开关，被配置为基于所述控制器控制信号导通各输入端与输出端之间的内部电路通道，包括至少两个输入端和一输出端，所述输出端电连接所述限流电阻，所述输入端分别电连接程控电压参考源和被测电压信号；

时间计数器，被配置为基于所述控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。

进一步的，所述程控电压参考源设为可编程约瑟夫森量子电压基准装置。

进一步的，所述积分电容并联有电荷释放电路，所述电荷释放电路包括相互串联的功率电阻和程控单路开关，所述程控单路开关电控制端连接所述控制器。

进一步的，所述多路程控开关和所述限流电阻之间还串联有电压缓冲器。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种模数转换方法，采用如上所述的积分型模数转换器，包括：

Q1：将被测电压信号输入积分器进行定时积分并记录积分时间；

Q2：设置程控电压参考源初始输出电压并使其极性与被测电压信号相反；

Q3：将程控电压参考源输出电压信号输入积分器进行一次定值积分直到过零比较器输出电平发生变化后断开，记录积分时间；

Q4：调节程控电压参考源的输出电压幅值并改变极性；

Q5：重复执行步骤Q3和Q4若干次；

Q6：根据定时积分阶段输入电荷与定值积分阶段输入电荷总量相等计算并输出所述被测电压信号量化结果。

进一步的，步骤Q2中程控电压参考源初始输出电压幅值设置为x^y×|V_ref|，其中|V_ref|表征为最小充电电流对应的参考电压，x、y为通过控制器设置的大于1的正整数。

进一步的，步骤Q4中程控电压参考源的输出电压幅值调节方式为以固定倍率x缩小当前程控电压参考源输出电压幅值。

进一步的，步骤Q5中所述重复执行步骤Q3和Q4的次数为y-1次。

进一步的，所述步骤Q1的定时积分方法是将被测电压信号输入积分器进行积分时时间计数器开始计数，时间计数器计满至预设值后断开被测电压信号。

进一步的，在执行步骤Q1之前还包括：通过控制器控制程控单路开关闭合，将所述积分电容中的残余电荷通过功率电阻快速释放至清零，然后断开所述程控单路开关。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用输出电压可编程调节的程控电压参考源代替现有技术中的固定电压源加电阻网络的组合，消除电阻网络对模数转换结果的影响，提高了模数转换器的准确性和稳定性；同时，程控电压参考源的输出电压调节范围大，调节过程简单方便，只需要设定各输出电压之间的倍率关系和输出电压调节次数即可达到调节多斜斜率数量和斜率进制的效果，因此本发明的模数转换器在具有高准确性和稳定性的同时还具有极好的适应性。

附图说明

图1是现有技术中双斜积分型模数转换器的工作原理图。

图2是现有技术中多斜积分型模数转换器的工作原理图。

图3是本发明实施例的模数转换器电路原理框图。

图4是本发明实施例的模数转换方法流程图。

图5是本发明实施例的积分器输出电压波形图。

其中，附图标记为：1、程控电压参考源；2、控制器；3、时间计数器；4、功率电阻；5、程控单路开关；6、积分电容；7、过零比较器；8、运算放大器；9、限流电阻；10、电压缓冲器；11、程控多路开关；12、被测电压信号输入端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明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，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合附图描述本发明的实施例。

如图3所示，一种模数转换器，包括积分器和过零比较器7，所述积分器包括限流电阻9、运算放大器8和积分电容6，所述运算放大器8输出端电连接所述过零比较器7输入端，所述限流电阻9一端连接所述运算放大器8输入端，所述积分电容6并联于所述运算放大器8。所述模数转换器还包括控制器2、程控电压参考源1、程控多路开关11和时间计数器3，所述控制器2输入端电连接所述过零比较器7输出端，并基于所述过零比较器7输出电平变化生成控制信号以控制程控电压参考源1、程控多路开关11和时间计数器3工作。

程控多路开关11，包括两个输入端和一个输出端，输入端A电连接被测电压信号输入端12，输入端B电连接程控电压参考源1的输出端，输出端电连接串联一电压缓冲器10后与限流电阻9串联，控制器2可控制程控多路开关11输入端A或输入端B中的一端与输出端之间导通。时间计数器3被配置为基于所述控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。

积分电容6的两端还并联有电荷释放电路，所述电荷释放电路包括相互串联的功率电阻4和程控单路开关5，程控单路开关5包括一控制端，其控制端与控制器2电连接。电荷释放电路作用是在电路开始工作前将积分电容6中的残余电荷通过功率电阻4快速释放清零，避免积分电容6中的残余电荷影响模数转换结果的准确性。

程控电压参考源1包括一控制端和一电压输出端，控制端电连接控制器2的输出端，电压输出端电连接程控多路开关11的其中一个输入端，程控电压参考源1的输出电压由控制器2控制调节。具体调节方式是：通过在控制器中设置参数x，y，使程控电压参考源1的输出电压幅值满足x^y×|V_ref|的关系，其中，x表示输出电压变化的倍率，对应于现有多斜积分方法中的多斜斜率进制，y表示输出电压的变化次数，对应于多斜积分方法中的多斜斜率数量，x、y设为大于1的正整数，|V_ref|表征为最小充电电流对应的参考电压。

程控电压参考源1可选用的方案包括但不限于：数模转换器(DAC)、可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)或脉冲驱动型约瑟夫森量子电压基准装置(ACJVS)，本实施例采用可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)作为程控电压参考源1，因为可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)输出电压的可调范围宽(目前最大能力：±10V)，且具有10^-9量级的准确性与稳定性。可编程约瑟夫森结阵(又称PJVS芯片)由多个约瑟夫森子结阵串联组成，其中不同约瑟夫森子结阵所包含的约瑟夫森结数量按照一定的原则排列，如二进制、三进制等。调整PJVS芯片输出量子电压的基本原理，是通过改变不同子结阵中流过的直流驱动电流的方向与幅值，使得不同的子结阵工作在不同的夏皮罗台阶上，此时，不同子结阵两端的量子电压有正有负、有大有小，所有子结阵两端的量子电压总和，即为整个PJVS芯片输出的量子电压。

PJVS系统在本发明中的应用过程为：PJVS系统在接收控制器2发送的目标电压参数后，将自动解算与该目标电压相匹配的子结阵驱动电流并通过其内部的驱动器进行输出，PJVS芯片在接收驱动电流信号之后，即刻产生量子电压。

如图4所示，一种模数转换方法，具体步骤包括：

(1)通过控制器设置初始参数x＝B，变量y＝N，程控多路开关11断开，程控单路开关5闭合；程控单路开关5闭合后，积分电容6和功率电阻4以及程控单路开关组成回路，积分电容6中的残余电荷通过功率电阻4快速释放。初始参数B表征为多斜积分方法中的斜率进制，即为程控电压参考源输出电压的变化倍率，初始参数N表征为多斜积分方法中的斜率数量，即为程控电压参考源输出电压的变化次数。

(2)控制器2控制程控多路开关11的通道A导通，同时控制时间计数器3开始计时，被测电压信号经由电压缓冲器10缓冲后，通过限流电阻9转换成充电电流输入至由运算放大器8和积分电容6组成的积分器中，直到时间计数器3计满至预设值T₁后断开程控多路开关11，并将时间计数器3清零，即完成定时积分阶段。

(3)令变量y＝y-1，检测过零比较器7的输出电平状态，若为高电平时控制程控电压参考源输出反向电压，否则，输出正向电压；输出电压幅值为x^y×|V_ref|。

(4)控制器2控制程控多路开关11的通道B导通，同时控制时间计数器3开始计时，程控电压参考源的输出电压信号经由电压缓冲器10缓冲后，通过限流电阻9转换成充电电流至由运算放大器8和积分电容6组成的积分器中。

(5)检测过零比较器7的输出电平变化，当过零比较器7的输出电平由正转负或由负转正时，控制器2控制程控多路开关11断开，时间计数器3停止计时并记录当前计时t_y。

(6)检测变量y是否为零，若否，则执行步骤(3)，若是，则输出模数转换结果并结束，其中数模转换结果的计算方法为：

如图5所示，为方便说明本发明的方案，本实施例将以初始参数B＝10，N＝4对模数转换方法的定值积分阶段进行进一步说明，第一次执行步骤(3)时，执行指令y＝y-1后变量y等于3，若假设被测电压为正电压，则程控电压参考源1的输出电压为-1000|V_ref|，时间计数器3的计时值记为t₃，即以-1000|V_ref|的电压值输入积分器t₃时间长度，输入电荷量为-1000|V_ref|·t₃/R(限流电阻9的电阻值设为R)；第二次执行步骤(3)时，执行指令y＝y-1后变量y等于2，程控电压参考源1的输出电压幅值为100|V_ref|，在上一次执行完步骤(5)后过零比较器7的输出电平发生转变(由正转负)，因此，程控电压参考源1输出电压为100|V_ref|，时间计数器3的计时值计为t₂，即以100|V_ref|的电压值输入积分器t₂时间长度，输入电荷量为100|V_ref|·t₂/R；第三次执行步骤(3)时，执行指令y＝y-1后变量y等于1，程控电压参考源1的输出电压幅值为10|V_ref|，电压极性再次改变，程控电压参考源1的输出电压为-10|V_ref|，时间计数器3的计时值计为t₁，即以-10|V_ref|的电压值输入积分器t₁时间长度，输入电荷量为-10|V_ref|·t₁/R；第四次执行步骤(3)时，执行指令y＝y-1后变量y等于0，程控电压参考源1的输出电压值为|V_ref|，时间计数器3的计时值计为t₀，即以|V_ref|的电压值输入积分器t₀时间长度，输入电荷量为|V_ref|·t₀/R；当变量y等于0时，程序循环结束，定值积分阶段完成。根据定时积分阶段和定值积分阶段输入积分器的电荷总量相等，且电路中的限流电阻9的电阻值R不变，因此，可以得到模数转换结果的计算方法为：

综上所述，本发明在实现多斜积分方法的前提下，模数转换结果只与参考电压的准确性以及定时计数准确性有关，而不再与传统方法中的电阻比例准确性与稳定性有关，减少了一项重要的误差来源，而且采用可编程约瑟夫森量子电压基准装置作为参考电压源，其具有10^-9量级的准确性与稳定性，因此本发明的积分型模数转换器具有极高的准确性和稳定性；同时，本发明的多斜积分斜率和多斜积分数量均可通过在控制器中改变参数来调整，因此本发明的积分型模数转换器及其模数转换方法还具有适用范围广、适应性好的优点。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术方案，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的方案，而不能以任何方式解释为对发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种模数转换方法，所采用的积分型模数转换器包括积分器和过零比较器，所述积分器输出端连接所述过零比较器输入端，所述积分器包括限流电阻、运算放大器和积分电容，所述限流电阻电连接所述运算放大器输入端，所述积分电容并联于所述运算放大器，还包括：

控制器，所述控制器电连接有程控电压参考源、程控多路开关、时间计数器和所述过零比较器，所述控制器被配置为基于所述过零比较器输出电平变化生成控制信号以控制所述程控电压参考源、程控多路开关和时间计数器工作；

程控电压参考源，被配置为基于所述控制器控制信号输出对应的电压信号；

程控多路开关，被配置为基于所述控制器控制信号导通各输入端与输出端之间的内部电路通道，包括至少两个输入端和一输出端，所述输出端电连接所述限流电阻，所述输入端分别电连接程控电压参考源和被测电压信号；

时间计数器，被配置为基于所述控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器；

所述程控电压参考源设为可编程约瑟夫森量子电压基准装置；

所述积分电容并联有电荷释放电路，所述电荷释放电路包括相互串联的功率电阻和程控单路开关，所述程控单路开关电控制端连接所述控制器；

所述多路程控开关和所述限流电阻之间还串联有电压缓冲器；

其特征在于，包括：

Q1：将被测电压信号输入积分器进行定时积分并记录积分时间；

Q2：设置程控电压参考源初始输出电压并使其极性与被测电压信号相反；

Q3：将程控电压参考源输出电压信号输入积分器进行一次定值积分直到过零比较器输出电平发生变化后断开，记录积分时间；

Q4：调节程控电压参考源的输出电压幅值并改变极性；

Q5：重复执行步骤Q3和Q4若干次；

Q6：根据定时积分阶段输入电荷与定值积分阶段输入电荷总量相等计算并输出所述被测电压信号量化结果；

其中步骤Q2中程控电压参考源初始输出电压幅值设置为x^y×|V_ref|，其中|V_ref|表征为最小充电电流对应的参考电压，x、y为通过控制器设置的大于1的正整数；

其中步骤Q4中程控电压参考源的输出电压幅值调节方式为以固定倍率x缩小当前程控电压参考源输出电压幅值；

其中步骤Q5中所述重复执行步骤Q3和Q4的次数为y-1次；

所述步骤Q1的定时积分方法是将被测电压信号输入积分器进行积分时时间计数器开始计数，时间计数器计满至预设值后断开被测电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种模数转换方法，其特征在于，在执行步骤Q1之前还包括：通过控制器控制程控单路开关闭合，将所述积分电容中的残余电荷通过功率电阻快速释放至清零，然后断开所述程控单路开关。