CN114221655A - 一种模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种模数转换器，其包括环路滤波器用于对输入的模拟信号进行滤波；量化单元连接环路滤波器，量化单元与环路滤波器连接的线路上设置有模数开关；量化单元用于将经过模数开关离散后的模拟信号量化，输出数字信号；数字滤波器用于对数字信号进行滤波，并输出预设带宽内的数字信号；数模转换器用于将数字信号转换为反馈模拟信号输出；运算处理单元用于接收原始模拟信号和反馈模拟信号，并用于根据反馈模拟信号调节原始模拟信号，以输出模拟信号；信号发生单元用于输出预设频率的采样触发信号；控制单元连用于在接收到采样触发信号时控制模数开关闭合。本申请具有高精度、高带宽和低功耗的优势的同时还能保证较高的信噪比。
Description
技术领域
本申请涉及数据采集应用的技术领域，尤其是涉及一种模数转换器。
背景技术
模数转换器是一种将连续变化的模拟信号转换为离散数字信号的器件。模数转换器一般都要经过采样、保持、量化及编码四个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的。
可以了解的是，通常用于衡量一个模数转换器性能好坏的重要技术指标有分辨率、线性度和转换时间。其中，分辨率是指输出的数字码的位宽N。线性度常用非线性误差的大小表示，非线性误差为理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比。转换时间是指模数转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。
根据实际应用的需要，对模数转换器的性能要求越来越高，希望模数转换器在具有高精度、高带宽和低功耗的优势的同时保证较高的信噪比。
发明内容
为了使得模数转换器具有高精度、高带宽和低功耗的优势的同时保证较高的信噪比，本申请提供了一种模数转换器。
本申请提供的一种模数转换器采用如下的技术方案：
一种模数转换器，包括环路滤波器、运算处理单元、量化单元、数字滤波器、数模转换器、信号发生单元和控制单元；
所述环路滤波器用于对输入的模拟信号进行滤波；
所述量化单元连接所述环路滤波器，所述量化单元与所述环路滤波器连接的线路上设置有模数开关；所述量化单元用于将经过模数开关离散后的模拟信号量化，输出数字信号；
所述数字滤波器连接所述量化单元，用于对所述数字信号进行滤波，并输出预设带宽内的数字信号；
所述数模转换器连接所述量化单元，用于将所述数字信号转换为反馈模拟信号输出；
所述运算处理单元分别连接所述数模转换器和所述环路滤波器，用于接收所述原始模拟信号和所述反馈模拟信号，并用于根据所述反馈模拟信号调节原始模拟信号，以输出模拟信号；
所述信号发生单元用于输出预设频率的采样触发信号；
所述控制单元连接所述信号发生单元，用于在接收到采样触发信号时控制所述模数开关闭合。
通过采用上述技术方案，数字滤波器能够消除噪声干扰，以获得预设带宽内的信号。数模转换器和环路滤波器能够实现对信号的低通和噪声的高通，通过噪声整形的方式获得带宽内的高信号噪声比。同时将运算处理单元设置在环路滤波器前，通过前馈技术能够在保证带内增益的同时提高环路滤波器内放大器的增益带宽积，进而能够获得高精度高带宽低功耗的模数转换器。
可选的，还包括校准单元，所述校准单元连接所述量化单元，用于校正所述量化单元的失调。
可选的，所述数模转换器包括运算放大器、加权网络和多个恒流源，每个恒流源都连接有一个单刀双掷的模拟开关，所述模拟开关的一端通过所述加权网络连接所述运算放大器的同相输入端，所述模拟开关的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的反相输入端接地。
通过采用上述技术方案，当模拟开关闭合时，其各支路的电流在运算放大器的输入端直接叠加，不存在才传输时间差，因此转换速度仅受限于开关导通或关断的速度以及运算放大器的工作速度，进而具有很高的转换速度。
可选的，所述数模转换器还包括cascode电流镜，所述cascode电流镜用于输出多个恒流源。
通过采用上述技术方案，cascode电流镜能够增大电流镜的输出电阻，减少沟道长度调制效应对电流镜精度的影响，以提高数模转换器的精度，改善数模转换器的非线性，进而改善模数转换器的精度。
可选的，所述模拟开关被进一步配置为：以温度计编码方式进行编码。
通过采用上述技术方案，减小单次能切换的最大电流。
可选的，所述数模转换器连接有启动开关；
所述运算处理单元还用于计算所述反馈模拟信号所反映的数值与所述原始模拟信号所反映的数值的差值，以输出差值检测信号；
所述控制单元连接所述运算处理单元，用于在接收到的差值检测信号所反映的差值大于第一预设值时，输出启动信号；
所述启动开关连接所述控制单元，用于在接收到所述启动信号时闭合。
通过采用上述技术方案，当反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值的差值低于第一预设值时，说明模数转换器的准确性很高，在一段时间内可以不用数模转换器进行反馈。反之，在差值高一第一预设值时，需要通过反馈对原始模拟信号进行调节，以提高模数转换器的准确度，这样在保证模数转换器准确度的同时，还能节省资源。
可选的，所述控制单元还用于在接收到的差值检测信号所反映的差值大于第二预设值时，输出报警信号。
通过采用上述技术方案，当反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值的差值大于第二预设值时，说明模数转换器中存在异常，通过报警使得工作人员能够及时对模数转换器进行检测。
可选的，所述信号发生单元连接有参考时钟源。
通过采用上述技术方案，参考时钟源能够校准信号发生单元输出的采样触发信号的频率。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
数字滤波器能够消除噪声干扰，以获得预设带宽内的信号。数模转换器和环路滤波器能够实现对信号的低通和噪声的高通，通过噪声整形的方式获得带宽内的高信号噪声比。同时将运算处理单元设置在环路滤波器前，通过前馈技术能够在保证带内增益的同时提高环路滤波器内放大器的增益带宽积，进而能够获得高精度高带宽低功耗的模数转换器。
附图说明
图1是本申请实施例的模数转换器的系统示意图。
图2是本申请实施例的模数转换器的电路示意图。
附图标记说明：1、环路滤波器；2、运算处理单元；3、量化单元；31、参考时钟源；4、数字滤波器；5、数模转换器；51、恒流源；52、加权网络；53、模拟开关；6、信号发生单元；7、控制单元；8、模数开关；9、校准单元；10、启动开关。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-2及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例公开一种模数转换器，具有高精度高带宽低功耗的特点，同时具有较高的信噪比。
参照图1和图2，模数转换器包括环路滤波器1、运算处理单元2、量化单元3、数字滤波器4、数模转换器5、信号发生单元6和控制单元7。
其中，信号发生单元6用于输出预设频率的采样触发信号。具体的，以信号发生单元6输出连续的方波脉冲信号为例，采样触发信号可以为方波脉冲信号的上升沿或者下降沿。信号发生单元6优选为信号发生器。
控制单元7连接信号发生单元6，用于接收采样触发信号，并用于在接收到采样触发信号时输出采样信号。
环路滤波器1用于对输入的模拟信号进行滤波。为了满足本申请对信噪比的需求，环路滤波器1优选为三阶环路滤波，但是这会产生极为复杂的零极点，以至于对环路滤波器1的稳定性产生影响。因此，需要预先通过matlab进行电路模型仿真，以保证环路的相位裕度和增益裕度。
量化单元3连接环路滤波器1，并且在量化单元3与环路滤波器1连接的线路上设置有模数开关8。模数开关8与控制单元7连接，用于接收采样信号，并用于在接收到采样信号时闭合。可以了解的是，经过采样触发信号触发后，模数开关8以预设频率进行闭合动作，使得模拟信号只有在模数开关8闭合的时候才会传输至量化单元3，因此，通过控制模数开关8闭合能够使得模拟信号离散。
当然，为了使得模数开关8能够更加精准地以预设频率闭合，信号发生单元6还连接有参考时钟源31。
量化单元3用于将经过模数开关8离散后的模拟信号量化，以输出数字信号。
数字滤波器4连接量化单元3，用于接收数字信号，并对数字信号进行滤波，以输出预设带宽内的数字信号。
数模转换器5连接量化单元3，用于将数字信号转换为反馈模拟信号并输出。
运算处理单元2分别连接数模转换器5和环路滤波器1，用于接收原始模拟信号和反馈模拟信号，并与用于根据反馈模拟信号调节原始模拟信号，以输出模拟信号。
具体的，当模拟信号经过环路滤波器1、模数开关8和量化单元3时，由于环路滤波器1和量化单元3可能会对模拟信号造成失真、失调等影响，使得模拟信号转换而成的数字信号有所偏差，因此，设置的数模转换器5能够将数字信号再转换为反馈模拟信号，并与原始模拟信号进行对比，以利用原始模拟信号和反馈模拟信号的偏差量调节原始模拟信号，形成模拟信号并输出，进而获得更为精准的数字信号。
当然，在获得理想的信噪比时，为了避免模拟信号在量化的过程中出现失调的情况，量化单元3还连接有校准单元9。校准单元9用于校正量化单元3的失调。不仅如此，还可以引用动态锁存技术以提高量化单元3的速度。
可以了解的是，通过环路滤波器1之前设置的运算处理单元2能够形成前馈通路，以此不仅使得环路滤波器1中的运算放大器能够以较快的频率工作，还能在保证带内增益的同时提高增益带宽积。
需要注意的是，利用数模转换器5进行反馈虽然能够提高模数转换器的准确性，但同时用于反馈的数模转换器5的非线性也会对数模转换器5的性能造成较大的影响，进而导致模数转换器的精度下降。故，数模转换器5的设置也十分重要。
数模转换器5包括运算放大器OP、加权网络52和多个相同的恒流源51。其中，每个恒流源51都连接有一个单刀双掷的模拟开关53，模拟开关53的一端通过加权网络52连接运算放大器OP的同相输入端，模拟开关53的另一端连接运算放大器OP的反相输入端。
具体的，当接收到一个数字信号时，该数字信号的每一位二进制数都对应控制一个模拟开关53。其中数值为一的二进制位所对应的模拟开关53与运算放大器OP的同相输入端连接，数值为零德尔二进制位所对应的耳朵模拟开关53与运算放大器OP的反相输入端连接。通过加权网络52能够获得倍数为数字信号所对应的十进制数的电流，进而经由运算放大器OP放大，可以得到相对应的电压，其对应关系为VOUT=-I*RF，其中RF为运算放大器OP同相输入端与输出端之间连接的反馈电阻。进一步的，当接收到数字信号时，电流能够在运算放大器OP的同相输入端直接叠加，这使得不存在传输时间差，因此其转换速度仅受限于模拟开关53导通或关断的速度以及运算放大器OP的工作速度，故具有较高的转换速度。
为了使得模数转换器具有较好的性能，其中的数模转换器5也需要具有较低的非线性，即数模转换器5的微分非线性需要较低。
可以了解的是，数模转换器5的微分非线性取决于电流的准确性。因此，上述提及的恒流源51选用基准电流源通过电流镜的方式产生。优选的，电流镜为cascode电流镜，以增大cascode电流镜的输出电阻，减小沟道长度调制效应对cascode电流镜精度的影响。
考虑到高位所对应的支路中流过的电流较大，优选将加权网络52进一步配置为温度计编码，以减小单次能够切换的最大电流。
当然，为了使得数模转换器5的微分非线性尽可能的小，优选的，基准电流通过与电源无关的偏置产生，并采用多环路运放反馈的方式稳定cascode电流镜的栅极电压。
作为一个性能较好的数模转换器5，不仅需要较高的精确度，对其转换速度也有要求。为了在较高速度下进行转换的同时还能够保证数据传输的准确性，本申请选用将数据并行从数字传递至数模转换器5中，在数模转换器5内部使用高速时钟锁存和恢复。
除此之外，数模转换器5所在的反馈通路上还设置有启动开关10。
进一步的，运算处理单元2还用于计算反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值的差值，以输出差值检测信号。
控制单元7连接运算处理单元2，用于在接收到的差值检测信号所反映的差值大于第一预设值时，输出启动信号。
启动开关10连接控制单元7，用于在接收到启动信号时闭合。
可以理解的是，当差值检测信号所反映的差值低于第一预设值时，即说明反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值较为接近，经过量化单元3转换而成的数字信号较为精准。此时，可以通过控制启动开关10断开，使得数模转换器5停止工作，进而停止反馈，以节省资源。
反之，当差值检测信号所反映的差值高于第一预设值时，则反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值偏差较大，需要数模转换器5进行反馈调节，因而控制启动开关10闭合。
进一步的，控制单元7还用于在接受到的差值检测信号所反映的差值大于第二预设值时，输出报警信号。第二预设值大于第一预设值，当差值检测信号所反映的差值大于第二预设值信号时，说明反馈模拟信号所反映的数值与原始模拟信号所反映的数值偏差已经需要工作人员对其进行检查了。故，此时控制单元7输出报警信号以进行报警。
在本申请中，第一预设值和第二预设值可以进行适应性调整，控制单元优选为MCU。
本申请实施例一种模数转换器的实施原理为：设置的数字滤波器4能够消除噪声干扰，以获得预设带宽内的信号。设置的数模转换器5和环路滤波器1能够实现对信号的低通和噪声的高通，通过噪声整形的方式获得带宽内的高信号噪声比。同时将运算处理单元2设置在环路滤波器1前，通过前馈技术能够在保证带内增益的同时提高环路滤波器1内放大器的增益带宽积，进而能够获得高精度高带宽低功耗的模数转换器。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (8)
1.一种模数转换器，其特征在于：包括环路滤波器(1)、运算处理单元(2)、量化单元(3)、数字滤波器(4)、数模转换器(5)、信号发生单元(6)和控制单元(7)；
所述环路滤波器(1)用于对输入的模拟信号进行滤波；
所述量化单元(3)连接所述环路滤波器(1)，所述量化单元(3)与所述环路滤波器(1)连接的线路上设置有模数开关(8)；所述量化单元(3)用于将经过模数开关(8)离散后的模拟信号量化，输出数字信号；
所述数字滤波器(4)连接所述量化单元(3)，用于对所述数字信号进行滤波，并输出预设带宽内的数字信号；
所述数模转换器(5)连接所述量化单元(3)，用于将所述数字信号转换为反馈模拟信号输出；
所述运算处理单元(2)分别连接所述数模转换器(5)和所述环路滤波器(1)，用于接收所述原始模拟信号和所述反馈模拟信号，并用于根据所述反馈模拟信号调节原始模拟信号，以输出模拟信号；
所述信号发生单元(6)用于输出预设频率的采样触发信号；
所述控制单元(7)连接所述信号发生单元(6)，用于在接收到采样触发信号时控制所述模数开关(8)闭合。
2.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于：还包括校准单元(9)，所述校准单元(9)连接所述量化单元(3)，用于校正所述量化单元(3)的失调。
3.根据权利要求2所述的模数转换器，其特征在于：所述数模转换器(5)包括运算放大器、加权网络(52)和多个恒流源(51)，每个恒流源(51)都连接有一个单刀双掷的模拟开关(53)，所述模拟开关(53)的一端通过所述加权网络(52)连接所述运算放大器的同相输入端，所述模拟开关(53)的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的反相输入端接地。
4.根据权利要求3所述的模数转换器，其特征在于：所述数模转换器(5)还包括cascode电流镜，所述cascode电流镜用于输出多个恒流源(51)。
5.根据权利要求4所述的模数转换器，其特征在于：所述模拟开关(53)被进一步配置为：以温度计编码方式进行编码。
6.根据权利要求5所述的模数转换器，其特征在于：所述数模转换器(5)连接有启动开关(10)；
所述运算处理单元(2)还用于计算所述反馈模拟信号所反映的数值与所述原始模拟信号所反映的数值的差值，以输出差值检测信号；
所述控制单元(7)连接所述运算处理单元(2)，用于在接收到的差值检测信号所反映的差值大于第一预设值时，输出启动信号；
所述启动开关(10)连接所述控制单元(7)，用于在接收到所述启动信号时闭合。
7.根据权利要求6所述的模数转换器，其特征在于：所述控制单元(7)还用于在接收到的差值检测信号所反映的差值大于第二预设值时，输出报警信号。
8.根据权利要求7所述的模数转换器，其特征在于：所述信号发生单元(6)连接有参考时钟源(31)。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |