CN115001490A - 一种增益线性化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增益线性化控制方法，对增益控制系统的优化及对模拟增益误差的自适应补偿，当控制系统接收到输入增益控制信号Gain_in后，首先计算出期望增益与实际增益，其中实际增益用于ADC增益控制，然后通过期望增益与实际增益的差值得到增益误差，当增益误差超过容差范围时，通过高精度数字补偿电路对ADC输出结果进行增益补偿，最终得到增益误差较小的输出结果，本发明降低对模拟增益精度的要求，降低了设计成本，解决了因ADC中增益电路精度不足导致的增益调整非线性的技术问题。

Description

一种增益线性化控制方法

技术领域

本发明涉及电路增益补偿技术领域，具体涉及一种增益线性化控制方法。

背景技术

对于CIS(Cmos Image Sensor，图像传感器)中，如图1所示，传感器在外部感光后把光信号转换为模拟电压信号，然后通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)处理电压信号，转换为后段的ISP(Image Signal Processing，图像信号数据处理)处理单元需要的数字量，从而得到补偿后的数字量。

随着图像传感器技术的进步，可使用场景越来越多，在夜晚也希望能够拍摄出清晰明亮的图像。但是，暗光场景下接受到的光信号弱，ADC转换后的电信号低，输出图像偏暗。现有技术中，通常通过增加曝光时间与调整增益的手段提升暗场景图像亮度。其中，调整增益是在ADC转换时，通过调整ADC输出单位比特对应的电压幅度实现输出数字量的放大效果，从而得到更明亮的图像。但是在上述手段中，电压量在转换数字量过程中由于ADC内增益模块的精度损失，会导致增益误差(Gain Error)。通常情况下简单的增益电路如图2所示，控制单元输出控制信号Gain_sel，控制增益模块中16个开关sel选择相同电阻的不同组合，在基准电压VREF下输出不同电流IREF，作为后段斜波生成模块(量化传感器输出电压量)的基准电流，控制斜波最低有效位LSB(Least SignificantBit)。在该手段中，通过Gain_sel来调整增益时，由于期望增益的精度较高，对应的Gain_sel计算结果不是整数，但是作为模拟电路的控制信号时需要在控制单元做取整处理，由此导致增益误差产生，并且，如图3所示，中高增益范围内产生的增益误差会越来越大。

上述误差反映到CIS中，会出现图像的像素值经过ADC增益转换后，输出图像的亮度与期待亮度不符的情况。尤其是在暗光环境，感光部分接受到的信号少，通过提高增益提升图像亮度时，输出图像亮度与期待图像亮度会因增益误差产生较大偏差。同时，在上述增益调整非线性的情况下，后段ISP随着外部环境亮度变化做自动增益控制时，增益非线性的问题也会增加自动增益控制设计的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种增益线性化控制方法。当控制系统接收到输入增益控制信号Gain_in后，首先计算出期望增益与实际增益，其中实际增益用于ADC增益控制，然后通过期望增益与实际增益的差值得到增益误差，当增益误差超过容差范围时，通过高精度数字补偿电路对ADC输出结果进行增益补偿，最终得到增益误差较小的输出结果。解决了因ADC中增益电路精度不足导致的增益调整非线性的技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种增益线性化控制方法，包括以下步骤：

S1、向控制系统输入增益控制信号Gain_in；

S2、计算出期望增益和实际增益；

S3、通过期望增益和实际增益计算得到增益误差；

S4、对增益误差进行判定，当增益误差超过容差范围时，对ADC输出结果 D_in进行增益误差补偿；当增益误差未超过容差范围时，不进行增益误差补偿；

S5、当需进行增益误差补偿时，计算增益补偿倍数；

S6、当需进行增益误差补偿时，进行增益补偿处理，获得增益补偿结果 D_out。

可选或优选地，步骤S2中的期望增益计算包括：

期望增益计算模块将控制系统输入信号Gain_in转换为期望增益量 Gain_exp，即，Gain_exp＝Gain_in×Step，

其中，Step为增益步进值，单位为dB；

而与Gain_exp对应的ADC增益期望值Gain_sel_exp为：

增益Gain与增益控制信号Gain_sel之间得关系为：

Gain_sel_exp＝2^n-(2^n/10^(Gain_exp/20))。

可选或优选地，步骤S2中的实际增益计算包括：

将期望增益值Gain_sel_exp近似取整处理得到实际增益值Gain_sel_real，Gain_sel_real＝Round(Gain_sel_exp)，

实际增益量为：

Gain_real＝20lg^Mul＝20lg^{2^n/(2^n-Gain_sel_real)}，其中Mul为放大倍数。

可选或优选地，步骤S3中的增益误差Gain_error为：

Gain_error＝Gain_real-Gain_exp

＝20lg^{2^n/(2^n-Gain_sel_real)}-Gain_in×Step。

可选或优选地，所述步骤S4中的容差范围为预先设定的增益偏差阈值 GETH。

可选或优选地，所述步骤S5中的增益补偿倍数值Gain_error_mul的计算包括：

Gain_error_mul＝10^((-Gain_error)/20)，

对Gain_error_mul进行左移放大处理得到增益补偿计算系数Dgain_mul， Dgain_mul＝Gain_error_mul×(2^m)，其中，m为要保留的小数精度位数。

可选或优选地，所述步骤S6中的增益补偿处理具体为：将ADC输出值D_in 倍乘增益补偿计算系数Dgain_mul，获得增益补偿结果D_out，

D_out＝D_in×Dgain_mul。

基于上述技术方案，本发明可产生如下技术效果：

1.本发明能够对模拟增益误差进行自适应补偿；

2.本发明能校准模拟增益电路中由精度导致的增益误差，从而在平台集成时降低后段控制及处理难度；

3.本发明通过数字补偿的方法，降低了对模拟增益精度的要求，降低增益处理系统的模拟电路面积；

4.本发明方法简单、实现难度低，方便硬件电路设计，精度调整修改方便且易于集成，硬件电路设计成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为CIS的工作原理示意图；

图2为现有技术中的ADC内增益控制模块示意图；

图3为现有技术中的期望增益与实际增益比较图；

图4为本发明的控制单元流程图；

图5为期望、补偿前、补偿后增益比较图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，当初始状态

Gain_sel[n-1:0]＝n’d0，sel[2^n-1:0]＝(2^n)’d0，所有开关闭合，IREF(参考电流)最大，增益最小，放大倍数为1倍，增益为0dB。

当(2^n)/2个开关断开，IREF等于初始状态的1/2，放大倍数为2倍，增益为6dB，即，增益控制信号Gain_sel与放大倍数Mul之间的关系为：

放大倍数Mul与增益Gain(dB单位)的转换如下：

Gain＝20lgMul ②

由公式①②可得增益Gain与增益控制信号Gain_sel之间得关系为：

Gain_sel＝2^n-(2^n/10^(Gain/20)) ③

由③式，通过调整控制模块输出Gain_sel可以控制增益值。反之，Gain_sel设定值也可以在控制单元通过期望增益算出。当需要高精度增益控制时，可以取n 为大于10的自然数。

在本实施例中，取增益步进值Step为0.5dB，即，

期望增益量Gain_exp＝Gain_in×Step

＝Gain_in×0.5；

在本实施例中，取n＝4可得到Gain_exp对应的ADC增益期望

Gain_sel_exp＝2^4-(2^4/10^(Gain_in×0.5/20)) ④

受限于ADC精度，需要将期望增益值Gain_sel_exp近似取整处理得到实际增益值Gain_sel_real，用于ADC增益控制，

Gain_sel_real＝Round(Gain_sel_exp)

＝Round(2^4-(2^4/10^(Gain_in×0.5/20)))；

其中，本实施例计算得到的Gain_sel_real与系统输入Gain_in的对照表如表 1所示：

表1 Gain_in，Gain_sel_real对照表

在本实施例中，由公式②可得实际增益量为

Gain_real＝20lg^{16/(16-Gain_sel_real)}

结合公式④可得增益误差Gain_error为

Gain_error＝Gain_real–Gain_exp ⑤

＝20lg 16/16-Gain_sel_real-Gain_in×0.5

其中，本实施例计算得到的Gain_error与系统输入Gain_in的对照表如表2 所示：

表2 Gain_in，Gain_error对照表

在本实施例中，取增益偏差阈值GETH＝0.1dB，当Gain_error大于0.1dB 或者小于-0.1dB时判定为需要补偿误差，否则判定误差在允许范围内，后续不进行误差补偿。

由于实际增益大于/小于期望增益的情况都存在，所以后级增益补偿电路中需要补偿正/负增益误差的功能。当检测到正增益误差时，后端做负补偿，反之做正补偿。

因增益误差Gain_error单位为dB，数字增益补偿时为简化设计电路，需根据公式②增益和放大倍数的关系，将Gain_error转化为增益补偿倍数值

Gain_error_mul＝10^((-Gain_error)/20)；

进一步，为了在电路设计中保留计算精度，对Gain_error_mul进行左移放大处理得到增益补偿计算系数Dgain_mul，在本实施例中，取保留的小数精度m 为8：

Dgain_mul＝Gain_error_mul×(2^m)

＝10^((-Gain_error)/20)×(2^8)

≈Round(10^((-Gain_error)/20)×(2^8)) ⑥

其中，本实施例计算得到的Dgain_mul与系统输入Gain_in的对照表如表3 所示：

表3 Gain_in，Dgain_mul对照表

在本实施例中，根据公式⑤可知，Gain_error为ADC实际增益与系统期望增益的偏差量，即数字增益补偿量等于Gain_error，

参考公式⑥可得，ADC输出值D_in倍乘增益补偿系数Dgain_mul，结果即为增益补偿结果D_out，

D_out＝D_in×Dgain_mul

其中，Dgain_mul下位比特为小数精度位，在本实施例中设定8比特精度情况下，D_out整数计算结果为：

D_out＝D_in×Dgain_mul/(2^8)；

如图5所示，补偿后的增益传递函数曲线与期待函数基本吻合。

本实施例具有以下优点：

1.本实施例能够对模拟增益误差进行自适应补偿；

2.本实施例能校准模拟增益电路中由精度导致的增益误差，从而在平台集成时降低后段控制及处理难度；

3.本实施例通过数字补偿的方法，降低了对模拟增益精度的要求，降低增益处理系统的模拟电路面积；

4.本实施例方法简单、实现难度低，方便硬件电路设计，精度调整修改方便且易于集成，硬件电路设计成本低。

Claims (7)

1.一种增益线性化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、向控制系统输入增益控制信号Gain_in；

S2、计算出期望增益和实际增益；

S3、通过期望增益和实际增益计算得到增益误差；

S4、对增益误差进行判定，当增益误差超过容差范围时，对ADC输出结果D_in进行增益误差补偿；当增益误差未超过容差范围时，不进行增益误差补偿；

S5、当需进行增益误差补偿时，计算增益补偿倍数；

S6、当需进行增益误差补偿时，进行增益补偿处理，获得增益补偿结果D_out。

2.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S2中的期望增益计算包括：

期望增益计算模块将控制系统输入信号Gain_in转换为期望增益量Gain_exp，即，Gain_exp＝Gain_in×Step，

其中，Step为增益步进值，单位为dB；

而与Gain_exp对应的ADC增益期望值Gain_sel_exp为：

增益Gain与增益控制信号Gain_sel之间得关系为：

Gain_sel_exp＝2^n-(2^n/10^(Gain_exp/20))，

其中，n为增益控制位数，n的取值为大于0的自然数。

3.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S2中的实际增益计算包括：

将期望增益值Gain_sel_exp近似取整处理得到实际增益值Gain_sel_real，Gain_sel_real＝Round(Gain_sel_exp)，

实际增益量为：

Gain_real＝20lg^Mul＝20lg^{2^n/(2^n-Gain_sel_real)}，其中Mul为放大倍数。

4.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S3中的增益误差Gain_error为：

Gain_error＝Gain_real-Gain_exp＝20lg^{2^n/(2^n-Gain_sel_real)}-Gain_in×Step。

5.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S4中的容差范围为预先设定的增益偏差阈值GETH，GETH不大于0.1dB。

6.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S5中的增益补偿倍数值Gain_error_mul的计算包括：

Gain_error_mul＝10^((-Gain_error)/20)，

对Gain_error_mul进行左移放大处理得到增益补偿计算系数Dgain_mul，Dgain_mul＝Gain_error_mul×(2^m)，其中，m为要保留的小数精度位数。

7.根据权利要求1所述的一种增益线性化控制方法，其特征在于：步骤S6中的增益补偿处理具体为：将ADC输出值D_in倍乘增益补偿计算系数Dgain_mul，获得增益补偿结果D_out，D_out＝D_in×Dgain_mul。

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