CN115102552B - 逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法，所述电路包括：至少一请求模块，与调度模块连接，用于将请求信号发送至所述调度模块；调度模块，用于根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；多个逐次逼近型模数转换器，与所述调度模块连接，以接收所述多个模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；选通信号生成模块、选择器及数据处理模块。该电路及方法通过中多个ADC并行对多个输入信号进行模数转换，能够有效降低电路迟延，提高转换效率。

Description

逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法。

背景技术

模数转换器系连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，其工作原理系将电压电平形式的模拟信号转换为二进制数字信号，比如将模温度感器产生的电信号转为控制芯片能处理的数字信号，通过模数转换器可以建立起模拟电路的传感器和数字电路的信号处理的联系。

逐次逼近型模拟数字转换器（SAR ADC）是常见的低功耗模数转换器，由于其采样速率、分辨率、低功耗、无运放、低电压及位数较多时使用元器件较少等特征广泛应用于集成ADC中。SAR ADC的工作原理是基于二进制算法搜索的方法对输入模拟信号进行采样，将得到采样值依次与D/A网络生成的参考电压值进行比较，最后得到由最高位到最低位的逻辑输出。而由于这种逐次逼近的转换方法需要更多的转化时间，使得输入模拟信号到输出经转换的数字信号之间存在较多的时延，尤其是在电路中对多个模拟信号进行转换的情形下，需要等待每一个输入的转换结果输出后再进行下一转换，极大的降低了模数转换的效率，故而也成为相关技术中需要解决的一重大技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述问题。

根据本发明的一个方面，提供一种逐次逼近型模拟数字转换器电路，包括：

至少一请求模块，与调度模块连接，用于将请求信号发送至所述调度模块；

调度模块，用于根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

多个逐次逼近型模数转换器，与所述调度模块连接，以接收所述多个模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

选通信号生成模块，分别与所述调度模块及数据处理模块连接，用于根据所述数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序生成跳转信号；以及与选择器连接，用于将所述跳转信号发送至所述选择器；

选择器，分别与所述选通信号生成模块及所述多个逐次逼近型模数转换器连接，用于根据所述跳转信号将对应的逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至所述数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收到的数字信号进行处理，并在处理完成时向所述选通信号生成模块发送跳转指示信号。

在一示例性实施例中，所述逐次逼近型模拟数字转换器电路包括：存储模块，用于对经所述数据处理模块处理完成的信号进行存储。

在一示例性实施例中，所述逐次逼近型模拟数字转换器电路包括：所述请求模块包括：计数器，用于生成请求信号。

根据本发明另一方面，提供一种基于上述逐次逼近型模拟数字转换器电路的模数转换方法，包括以下步骤：

至少一请求模块将请求信号发送至调度模块；

所述调度模块根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

所述多个逐次逼近型模数转换器对接收到的模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

选通信号生成模块根据所述调度顺序生成第一跳转信号并发送至选择器，以及根据数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序确定其余跳转信号并发送至选择器；其中，所述跳转指示信号为数据处理模块在完成当前数字信号的处理时生成的信号；

所述选择器根据所述跳转信号将对应逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至所述数据处理模块，以供所述数据处理模块进行处理。

在一示例性实施例中，所述模数转换方法还包括：通过请求模块中设置的计数器生成请求信号。

在一示例性实施例中，所述模数转换方法还包括：将经所述数据处理模块处理完成的信号保存至存储模块。

在一示例性实施例中，所述数据处理模块进行处理包括：对接收到的数字信号进行直流偏置校准。

在一示例性实施例中，所述数据处理模块进行处理包括：对同一模拟信号进行多次转换得到的数字信号进行均值处理。

根据本发明另一方面，提供一种模数转换芯片，所述芯片包括上述逐次逼近型模拟数字转换器电路。

根据本发明另一方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括上述逐次逼近型模拟数字转换器电路。

本发明提供了一种逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法，所述电路及方法通过设置多个ADC能够实现对多个模拟信号同步进行转换，并通过并根据模拟信号的转换顺序及当前模拟信号的转换结果输出进度来确定下一模拟信号的转换结果输出时机，以实现输入与输出的一一对应关系。该电路及方法通过中多个ADC并行对多个输入信号进行模数转换，能够有效降低电路迟延，提高转换效率。

附图说明

图1是本发明一示例性实施例中一种逐次逼近型模拟数字转换器电路的示意图；

图2是本发明一示例性实施例中一种基于逐次逼近型模拟数字转换器电路的模数转换方法的流程图；

图3是本发明一示例性实施例中一种输入输出信号的示意图；

图4是本发明一示例性实施例中一种逐次逼近型模拟数字转换器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合附图本发明实施方式及实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。然而，示例实施方式及实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式及实施例使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式及实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式及实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式及实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。尽管在附图中以特定顺序描述了本发明中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

模数转换器系将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的电子元器件，其工作原理为将电压电平形式的模拟信号转换为二进制数字信号，比如将模温度感器产生的电信号转为控制芯片能处理的数字信号，通过模数转换器可以建立起模拟电路的传感器和数字电路的信号处理的联系。

逐次逼近型模拟数字转换器（SAR ADC）系一种常见的低功耗模数转换器，由于其采样速率、分辨率、低功耗、无运放、低电压及位数较多时使用元器件较少等特征广泛应用于集成ADC中。SAR ADC的工作原理是基于二进制算法搜索的方法对输入模拟信号进行采样，将得到采样值依次与D/A网络生成的参考电压值进行比较，最后得到由最高位到最低位的逻辑输出。而由于这种逐次逼近的转换方法需要更多的转化时间，使得输入模拟信号到输出经转换的数字信号之间存在较多的时延，尤其是在电路中对多个模拟信号进行转换的情形下，需要等待每一个输入的转换结果输出后再进行下一转换，极大的降低了模数转换的效率，故而也成为相关技术中需要解决的一重大技术缺陷。

基于相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种逐次逼近型模拟数字转换器电路及模数转换方法，所述电路及方法通过设置多个ADC实现对多个模拟信号同步进行转换，并根据模拟信号的转换顺序及当前模拟信号的转换结果输出进度来确定下一模拟信号的转换结果输出时机，以实现输入与输出的一一对应关系。该电路及方法通过中多个ADC并行对多个输入信号进行模数转换，能够有效降低电路迟延，提高转换效率。

本发明一示例性实施例提供了一种逐次逼近型模拟数字转换器电路，图1是本发明一示例性实施例中一种逐次逼近型模拟数字转换器电路的示意图；如图1所示，逐次逼近型模拟数字转换器电路包括：

至少一请求模块，与调度模块连接，用于将请求信号发送至所述调度模块；

调度模块，用于根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

多个逐次逼近型模数转换器，与所述调度模块连接，以接收所述多个模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

选通信号生成模块，分别与所述调度模块及数据处理模块连接，用于根据所述数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序生成跳转信号；以及与选择器连接，用于将所述跳转信号发送至所述选择器；

选择器，分别与所述选通信号生成模块及所述多个逐次逼近型模数转换器连接，用于根据所述跳转信号将对应的逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至所述数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收到的数字信号进行处理，并在处理完成时向所述选通信号生成模块发送跳转指示信号。

相应地，本发明另一示例性实施例提供了一种基于上述逐次逼近型模拟数字转换器电路的模数转换方法，图2是本发明一示例性实施例中一种基于逐次逼近型模拟数字转换器电路的模数转换方法的流程图，以下结合上述逐次逼近型模拟数字转换器电路对电路具体结构及转换方法做更为详细的示例性说明。如图2所示，所述转换方法包括：

步骤S21：至少一请求模块将请求信号发送至调度模块；

模数转换电路的作用在于将传感器等器件从环境中获取的模拟信号转换为可量化的数字信号，模拟信号可以是实际生产生活中的各种物理量，如摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流速、转速、湿度等信号。模拟信号传输过程中先把信息信号转换为波动电信号，再通过有线或无线的方式进行传输，设备可以根据接收到的电信号还原对应的信息信号。由于模拟信号系将源信号的特征未经编码直接通过载波的方式发出，其通信保密性差且抗干扰能力弱，信号在沿线路传输过程中可能受到外界和通信系统内部的各种噪声干扰而使得通信质量下降，因此需要通过转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号是通过数学方法对原有信号进行处理，编码成二进制信号再通过载波的方式发送编码后的数字流，其抗干扰能力强且无噪声积累，可以实现较长距离的高质量通信。

在一示例性实施例中，请求模块还可以包括计数器，则所述转换方法还包括：通过计数器生成请求信号。在将模拟信号输入电路的同时还包括请求信号，请求信号用于触发整个电路的转换请求。在一些实施例中，请求信号可以如模拟信号一样由外部电路输入，在另一些实施例中还可以在请求模块中设置计数器，以用于生成用于触发启动电路的脉冲信号。示例性地，还可以通过计数器控制请求模块以同步或异步方式发送信号，示例性地，可以选取其中任一请求模块设置作为主机，对其他请求模块发送清除指示位，将计数器清零，以达到各请求通道同步的效果。

步骤S23：所述调度模块根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

调度模块设置于请求模块与逐次逼近型模拟数字转换器之间，其作用在于在多个输入信号与多个处理模块之间形成有序的对应秩序，因而调度模块需要根据请求信号的优先级生成逐次逼近型模拟数字转换器的转换顺序，按照顺序控制外部输入的模拟信号传输至对应的逐次逼近型模拟数字转换器。示例性地，在图1所示的电路中，包含三个请求模块与四个逐次逼近型模拟数字转换器，对于输入的模拟信号，调度模块生成调度顺序为123123，则四个逐次逼近型模拟数字转换器按照调度顺序依次接收待转换的模拟信号。

示例性地，根据请求信号生成的调度顺序可以是同步调度顺序，即输入的多个模拟信号不存在优先进行转换的情形，可以按照模拟信号的输入顺序依次进行转换。再一示例性地，根据请求信号生成的调度顺序也可以是异步调度顺序，例如可以对请求模块依次设置优先级顺序，在执行请求模块0输入的模拟信号的时间内，调度模块依次接收到请求模块2/3/1发送的模拟信号，此时虽然请求模块1发送的模拟信号最后到达，但由于其优先级高于请求模块2即请求模块3，因此在当前模拟信号转换完成时便对请求模块1输入的模拟信号进行转换，其信号的输入及输出如图3所示。

步骤S25：多个逐次逼近型模数转换器对接收到的模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

在一示例性实施例中，图4是本发明一示例性实施例中一种逐次逼近型模拟数字转换器的示意图；其基本结构如图4所示：主要包括采样保持电路、比较器、D/A转换网络和SAR逻辑控制。模拟输入信号经采样保持之后送到比较器的一个输入端（VIN）；SAR逻辑控制将最高位（D/A转换网络）DN-1预置为高电平，经过D/A转换网络产生一个参考电压并传输到比较器的另一输入端VREF；这两个电压值进行比较得到最高位D_(N-1)的值，同时比较器的输出（“0”或“1”）反馈到SAR逻辑控制电路，将次高位DN-2预置为高电平；其中SAR逻辑控制一端为输入时钟信号Clock。按照上述的比较方法，依次类推，直到确定最低位的值为止，从而完成一次模拟信号的转换。

步骤S27：选通信号生成模块根据所述调度顺序生成第一跳转信号并发送至选择器，以及根据数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序确定其余跳转信号并发送至选择器；其中，所述跳转指示信号为数据处理模块在完成当前数字信号的处理时生成的信号；

步骤S29：所述选择器根据所述跳转信号将对应逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至数据处理模块，以供数据处理模块进行处理。

通过调度模块按照调度顺序向发送模拟信号，实现SAR ADC按照调度顺序进行转换工作，为保证输入与输出地一一对应关系，数据处理模块也需要按照调度顺序接收得到的数字信号。对于第一个处理的模拟信号，选通信号生成模块直接向选择器发送跳转至第一SAR ADC的信号，实现第一模拟信号与第一数字信号的对应关系；对于后续输入的模拟信号，则需要根据数据处理模块对上一数字处理信号处理完成时再跳转至下一SAR ADC进行接收；因此，需要根据调度顺序与数据处理模块发出的跳转指示信号确定下一跳转信号，从而实现后续输入每一模拟信号与输出每一数字信号的对应。

具体而言，调度模块将模拟信号按照123123顺序依次发送至四个逐次逼近型模数转换器，第一逐次逼近型模数转换器对模拟信号1进行转换，同时选通信号生成模块根据调度模块发送的顺序信息生成接收第一逐次逼近型模数转换器转换结果的第一跳转信号，选择器根据该第一跳转信号接收该转换结果并发送给数据处理模块；在数据处理模块处理完成时向选通信号生成模块发送跳转指示信号，选通信号生成模块按照顺序信息跳转至第二SAR ADC，从而实现全部结果的依次输出。

在现有的多ADC转换电路中，由于需要确认输入模拟信号与输出数字信号一一对应关系，无法同时进行转换，只能在每一模拟信号转换完成并输出后，才能开始下一模拟信号地转换，电路存在较大的时延。而在本方法中可以对模拟信号的转换以及对数字信号的输出同时进行，提高转换效率降低电路时延的同时又能够保证输入输出的对应关系，实现更为优异的模数转换效果。

在一示例性实施例中，所述数据处理模块对数字信号进行处理可以包括：对接收到的数字信号进行直流偏置校准。在一示例性实施例中，所述方法还可以通过对同一模拟信号进行多次转换以提高得到的数字信号的准确度，则所述数据处理模块对数字信号进行处理可以包括：对同一模拟信号进行多次转换得到的数字信号进行均值计算。在一示例性实施例中，电路还可以包括存储模块，则所述方法还可以包括：数据处理模块将经处理的数字信号发送至存储模块。

上述装置中各模块/单元的具体细节已经在对应的方法部分进行了详细的描述，此处不再赘述。应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

本发明另一示例性实施例提供了一种逐次逼近型模拟数字转换芯片，该芯片包含有上述各实施例所述的逐次逼近型模拟数字转换器电路。本发明的另一实施例提供了一种电子设备，可以用于执行本示例实施方式中所述方法的全部或者部分步骤。所述电子设备可以包括各实施例所述的逐次逼近型模拟数字转换器电路，也可以包括逐次逼近型模拟数字转换芯片。

以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种逐次逼近型模拟数字转换器电路，其特征在于，包括：

至少一请求模块，与调度模块连接，用于将请求信号发送至所述调度模块；

调度模块，用于根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

多个逐次逼近型模数转换器，与所述调度模块连接，用于接收所述多个模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

选通信号生成模块，分别与所述调度模块及数据处理模块连接，用于根据所述数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序生成跳转信号；以及与选择器连接，用于将所述跳转信号发送至所述选择器；

选择器，分别与所述选通信号生成模块及所述多个逐次逼近型模数转换器连接，用于根据所述跳转信号将对应的逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至所述数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收到的数字信号进行处理，并在处理完成时向所述选通信号生成模块发送跳转指示信号。

2.根据权利要求1所述逐次逼近型模拟数字转换器电路，其特征在于，还包括：存储模块，用于对经所述数据处理模块处理完成的信号进行存储。

3.根据权利要求1所述逐次逼近型模拟数字转换器电路，其特征在于，所述请求模块包括：计数器，用于生成请求信号。

4.一种基于权利要求1所述逐次逼近型模拟数字转换器电路的模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

至少一请求模块将请求信号发送至调度模块；

所述调度模块根据所述请求信号生成对多个模拟信号进行转换的调度顺序，并将所述调度顺序发送至选通信号生成模块；

所述多个逐次逼近型模数转换器对接收到的模拟信号并进行模数转换，得到多个数字信号；

选通信号生成模块根据所述调度顺序生成第一跳转信号并发送至选择器，以及根据数据处理模块发送的跳转指示信号及所述调度顺序确定其余跳转信号并发送至选择器；其中，所述跳转指示信号为数据处理模块在完成当前数字信号的处理时生成的信号；

所述选择器根据所述跳转信号将对应逐次逼近型模数转换器中的数字信号传输至所述数据处理模块，以供所述数据处理模块进行处理。

5.根据权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于，还包括：通过请求模块中设置的计数器生成请求信号。

6.根据权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于，还包括：将经所述数据处理模块处理完成的信号保存至存储模块。

7.根据权利要求4-6任一项所述的模数转换方法，其特征在于，所述数据处理模块进行处理包括：对接收到的数字信号进行直流偏置校准。

8.根据权利要求4-6任一项所述的模数转换方法，其特征在于，所述数据处理模块进行处理包括：对同一模拟信号进行多次转换得到的数字信号进行均值处理。

9.一种模数转换芯片，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的逐次逼近型模拟数字转换器电路。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的逐次逼近型模拟数字转换器电路。

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