CN116015300B - 采样单元、开关电容阵列及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样单元、开关电容阵列及控制方法，采样单元内部并联设置两个采样电容，能通过采样开关控制切换以不同的采样电容进行采样，进而实现工作于长链模式或乒乓模式进行采样与量化。长链模式可实现采样单元数量两倍的采样深度，减小了芯片面积；乒乓模式允许短时间内两个脉冲波形输入，提高了峰值事例率，应用范围更广。两种模式在不改变外部电路的情况下实现切换，灵活方便。这种结构具有调整灵活、可配置、允许峰值事例率高等特点；可应用于基于开关电容阵列的波形数字化领域，包括粒子物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。

Description

采样单元、开关电容阵列及控制方法

技术领域

本发明涉及波形数字化设备领域，尤其涉及一种采样单元、开关电容阵列及控制方法。

背景技术

波形数字化广泛应用于时间飞行探测器系统、中微子测量实验、伽马射线测量等粒子物理实验当中。传统的波形数字化方法采用高速模拟数字变换器（Analogue-to-Digital convertor，ADC）。ADC的工作步骤是重复进行采样、量化，在一个周期内分步或同时进行以上步骤，因此采样速度会受到量化速度的限制。针对粒子物理实验的特点，一种基于开关电容阵列（SwitchedCapacitor Array，SCA）专用集成电路（Application Specificintegrated Circuit，ASIC）的波形数字化技术作为ADC的替代方案被提出，此方案具有高采样速率、低功耗、高通道集成度、低成本等优点，在粒子物理实验领域受到广泛的关注和研究。

目前国际已有的SCA芯片广泛采用的结构如图1所示，输入信号由总线分发到各个采样单元，各采样单元循环对输入信号采样。当脉冲波形到来，所有采样单元停止循环采样，同步进行量化、读出。由于存储在电容阵列上的模拟信号量化、读出需要时间，此时间内无法进行新一轮采样，此时间被称作死时间。这种结构的SCA芯片对事例率较低的单个脉冲波形可以较好地完成数字化功能，但是死时间内如果有脉冲波形输入，SCA芯片无法进行采样，造成波形的丢失。

除此之外，不同应用场景下，对SCA有不同的需求：对于脉宽较宽的波形，需要大的采样深度；对于速度较快的波形，则希望能支持较高的事例率。而更高的采样深度需要更长时间进行读出，从而降低事例率，这两个指标互相矛盾。目前国际广泛使用的SCA结构需要针对不同的应用场景采取不同的硬件设计，无法在不改变电路结构情况下在同一SCA实现满足采样深度与较高事例率的双重需求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种采样单元、开关电容阵列及控制方法，能在不改变电路前提下，根据不同的控制方式工作于不同的采样模式，一种模式可在短时间内采集两组波形，减少波形丢失，提升峰值事例率，另一种模式可以进行采样深度的拓展，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采样单元，用于开关电容阵列，包括：两个采样开关、两个采样电容、两个模拟缓冲器、一个比较器和一个寄存器组；其中，

两个采样电容的采样端各通过一个采样开关与模拟输入端电性连接，能在两个采样开关的控制下切换由不同的采样电容对模拟输入端的输入信号进行采样；

两个采样电容的输出端各经一个模拟缓冲器与所述比较器的一个输入端电性连接，所述比较器的输出端与所述寄存器组的输入端电性连接，能控制所述寄存器组锁存计数值；

所述比较器的一个输入端用于连接斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端；

两个采样开关的控制端用于连接采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各采样开关的通断；

两个模拟缓冲器的控制端用于连接所述采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各模拟缓冲器输出端的通断；

所述寄存器组的计数端用于连接ADC计数器；所述寄存器组的读出控制端用于连接读出控制电路，能在所述读出控制电路的控制下从该寄存器组的数据输出端读取数据。

一种开关电容阵列，包括：采样时钟产生电路和并列设置的多个采样单元，，各采样单元均采用本发明所述的采样单元；

还包括：采样与量化控制电路、斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路、并串转换电路和读出控制电路；其中，

所述采样时钟产生电路的时钟信号输出端与所述采样与量化控制电路的输入端电性连接；

各采样单元的两个采样开关的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端电性连接；

各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端电性连接；

所述斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端分别与各采样单元的比较器的另一个输入端电性连接，所述斜坡电压产生电路的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC计数器的计数信号端分别与各采样单元的寄存器组的计数端电性连接，所述ADC计数器的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC时钟产生电路与ADC计数器的时钟信号输入端电性连接；

所述并串转换电路输入端与各采样单元的寄存器组的输出总线连接，输出到芯片外部；

所述读出控制电路的使能端与所述采样与量化控制电路的读出控制端电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据读出，所述读出控制电路的采样单元控制端与各采样单元的寄存器组电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据输出；

所述采样与量化控制电路分别设有击中信号输入端、模式选择信号输入端和控制时钟输入端，所述击中信号输入端能接收击中信号，所述模式选择信号输入端能接收模式选择信号，所述控制时钟输入端能接收控制时钟信号；

所述斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路和每个采样单元的比较器和寄存器组组成每个采样单元的模数转换器。

一种开关电容阵列的控制方法，用于对本发明所述的开关电容阵列进行采样控制，其特征在于，包括：

采样时由采样与量化控制电路按对应的工作模式控制各采样单元内部的两个采样电容进行切换，由处于开通状态的采样电容对输入信号进行采样；

量化时由采样与量化控制电路按对应的工作模式对各采样单元内部的两个采样电容上的电压值进行量化，以及配合读出控制电路控制各采样单元量化数据的读出；

所述工作模式包括：长链模式和乒乓模式。

与现有技术相比，本发明所提供的采样单元、开关电容阵列及控制方法，其有益效果包括：

由于在开关电容阵列的各采样单元内部设置两个采样电容，配合采样与量化控制电路控制以及模式切换量化控制电路量化，在不改变外部电路情况下，能实现切换不同的采样电容按不同采样模式进行采样，以及按不同量化模式进行量化，进而形成不同的采样工作模式，不仅可实现短时间内对两个脉冲波形输入进行采样，实现更高的峰值事例率，而且能实现采样单元两倍的采样深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术广泛采用的SCA芯片的内部结构示意图。

图2为本发明实施例提供的采样单元结构示意图。

图3为本发明实施例提供的开关电容阵列的构成示意图。

图4为本发明实施例提供的开关电容阵列的采样与量化控制电路结构示意图。

图5为本发明实施例提供的脉冲展宽电路结构示意图。

图6为本发明实施例提供的开关电容阵列的模式切换采样开关控制电路结构示意图。

图7为本发明实施例提供的开关电容阵列的长链模式采样开关控制电路结构示意图。

图8为本发明实施例提供的开关电容阵列的乒乓模式采样开关控制电路结构示意图。

图9为本发明实施例提供的开关电容阵列的模式切换量化控制电路结构示意图。

图10为本发明实施例提供的开关电容阵列的判断信号产生电路结构示意图。

图11为本发明实施例提供的开关电容阵列的模式切换量化控制电路中主状态机示意图。

图12为本发明实施例提供的开关电容阵列的模式切换量化控制电路中从状态机示意图。

图13为本发明实施例提供的开关电容阵列的采样时钟产生电路输入、输出时钟波形图。

图14为本发明实施例提供的开关电容阵列的控制方法的模式切换采样开关控制电路工作在长链模式下的相关信号的时序图。

图15为本发明实施例提供的开关电容阵列的控制方法的模式切换采样开关控制电路工作在乒乓模式下的相关信号的时序图。

图16为本发明实施例提供的开关电容阵列的控制方法的模式切换量化控制电路工作在长链模式下的相关信号的时序图。

图17为本发明实施例提供的开关电容阵列的控制方法的模式切换量化控制电路工作在乒乓模式下的相关信号的时序图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

下面对本发明所提供的开关电容阵列用采样单元、结构及控制方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图2所示，本发明实施例提供一种采样单元，用于开关电容阵列，包括：两个采样开关、两个采样电容、两个模拟缓冲器、一个比较器和一个寄存器组；其中，

两个采样电容的采样端各通过一个采样开关与模拟输入端电性连接，能在两个采样开关的控制下切换由不同的采样电容对模拟输入端的输入信号进行采样；

两个采样电容的输出端各经一个模拟缓冲器与所述比较器的一个输入端电性连接，所述比较器的输出端与所述寄存器组的输入端电性连接，能控制所述寄存器组锁存计数值；

所述比较器的一个输入端用于连接斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端；

两个采样开关的控制端用于连接采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各采样开关的通断；

两个模拟缓冲器的控制端用于连接所述采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各模拟缓冲器输出端的通断；

所述寄存器组的计数端用于连接ADC计数器；所述寄存器组的读出控制端用于连接读出控制电路，能在所述读出控制电路的控制下从该寄存器组的数据输出端读取数据。

优选的，上述采样单元中，所述比较器为Wilkinson型模数转换器的比较器；

所述寄存器组的寄存器为Wilkinson型模数转换器的寄存器。

如图3所示，本发明实施例还提供一种开关电容阵列，包括：采样时钟产生电路和并列设置的多个采样单元，各采样单元均采用上述的采样单元；

还包括：采样与量化控制电路、斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路、并串转换电路和读出控制电路；其中，

所述采样时钟产生电路的时钟信号输出端与所述采样与量化控制电路的输入端电性连接；

各采样单元的两个采样开关的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端电性连接；

各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端电性连接；

所述斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端分别与各采样单元的比较器的另一个输入端电性连接，所述斜坡电压产生电路的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC计数器的计数信号端分别与各采样单元的寄存器组的计数端电性连接，所述ADC计数器的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC时钟产生电路与ADC计数器的时钟信号输入端电性连接；

所述并串转换电路输入端与各采样单元的寄存器组的输出总线连接，输出到芯片外部；

所述读出控制电路的使能端与所述采样与量化控制电路的读出控制端电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据读出，所述读出控制电路的采样单元控制端与各采样单元的寄存器组电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据输出；

所述采样与量化控制电路分别设有击中信号输入端、模式选择信号输入端和控制时钟输入端，所述击中信号输入端能接收击中信号，所述模式选择信号输入端能接收模式选择信号，所述控制时钟输入端能接收控制时钟信号；

所述斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路和每个采样单元的比较器和寄存器组组成每个采样单元的模数转换器。

如图4所示，上述开关电容阵列中，所述采样与量化控制电路包括：脉冲展宽电路、模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路；其中，

所述脉冲展宽电路分别设有击中信号输入端、第一控制时钟输入端和展宽后击中信号输出端，所述击中信号输入端接收片外击中信号，所述第一控制时钟输入端接收片外时钟信号，所述展宽后击中信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路电性连接；

所述模式切换采样开关控制电路分别设有第一时钟输入端、第一击中信号输入端、第一模式选择信号输入端、第一采样电容采样开关控制端、第二采样电容采样开关控制端、电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端，所述第一时钟输入端与所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接，所述第一击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第一模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端分别与各采样单元的两个采样开关的控制端电性连接，所述电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端分别与模式切换量化控制电路电性连接；

所述模式切换量化控制电路分别设有第二击中信号输入端、第二控制时钟输入端、第二模式选择信号输入端、第一采样电容驱动控制端、第二采样电容驱动控制端、量化控制端、读出控制端、量化时间输入端、读出时间输入端、电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端，所述第二击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第二控制时钟输入端接收片外控制时钟信号，所述第二模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，所述第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端分别与各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端电性连接，所述量化控制端与ADC计数器的使能端和斜坡电压产生电路的使能端电性连接，所述读出控制端与读出控制电路的使能端电性连接，所述量化时间输入端用于接收量化时间；所述读出时间输入端用于接收读出时间；所述电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路电性连接。

如图6所示，上述的模式切换采样开关控制电路包括：

长链模式采样开关控制电路、乒乓模式采样开关控制电路和多路选择器组；其中，

所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路并列设置，所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均与所述模式切换量化控制电路和所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接；

所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均设有击中信号输入端，并与脉冲展宽电路输出端电性连接，能根据各自击中信号输入端输入的击中信号进行对应的处理；

所述长链模式采样开关控制电路的输出端与乒乓模式采样开关控制电路的输出端通过所述多路选择器组分别与各采样单元的两个采样开关控制端电性连接；

所述长链模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行长链模式采样的长链模式采样开关信号；

所述乒乓模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行乒乓模式采样的乒乓模式采样开关信号；

所述多路选择器组设有第三模式选择信号输入端，能根据该第三模式选择信号输入端输入的长链模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述长链模式采样开关控制电路产生的长链模式采样开关信号，或根据该模式选择信号输入端输入的乒乓模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述乒乓模式采样开关控制电路产生的乒乓模式采样开关信号。

如图6所示，上述开关电容阵列中，所述多路选择器组由第一采样控制多路选择器组和第二采样控制多路选择器组组成，所述第一采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第一采样电容，所述第二采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第二采样电容。实际应用中，长链模式采样信号与乒乓模式采样信号可以是一个信号，如：该信号的低电平为长链模式，高电平为乒乓模式。

所述采样时钟产生电路设有n个时钟信号输出端，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数；

如图7所示，所述的长链模式采样开关控制电路用于长链模式下采样开关的控制，可确保采样电容在第一个采样单元处切换，其包括：

第一D触发器、第二D触发器、二输入或非门和n个并列设置的长链模式采样开关控制信号输出使能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数；其中，

所述第一D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第3n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与反向输出端电性连接，输出端和反向输出端均与前n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；

所述第二D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与第一D触发器的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与后n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路输入端电性连接；

所述二输入或非门的第一输入端与所述模式切换量化控制电路的长链模式量化信号输入端电性连接，第二输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输出端与n个长链模式采样开关控制信号输出使能电路电性连接，能输出采样使能信号；

所述长链模式采样开关控制信号输出使能电路分为两组，其中，

第一组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出前n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与所述第一D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的前n/2个时钟信号输出端进行选通；

第二组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出后n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与第二D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的后n/2个时钟信号输出端进行选通；

长链模式采样开关控制电路的具体电路结构如图7所示，其中，

n为采样单元数量；

时钟输入信号clk<0:n-1>为采样时钟产生电路输出信号，与采样时钟产生电路电性连接；

长链模式第一采样电容控制信号<0:n-1>为长链模式下第一采样电容的采样开关控制信号，与所述多路选择器组的第一采样控制多路选择器组的0输入端电性连接；

长链模式第二采样电容控制信号<0:n-1>为长链模式下第二采样电容的采样开关控制信号，与所述多路选择器组的第二采样控制多路选择器组的0输入端电性连接；

长链模式量化信号由模式切换量化控制电路产生，与模式切换量化控制电路的长链模式量化信号输出端电性连接；

展宽击中信号输入端与脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接；

A1为第一D触发器；

A2为第二D触发器；

B为二输入或非门；

C1与C2为n个并列设置的长链模式采样开关控制信号输出使能电路，分为两组，C1为第一组，C2为第二组。

优选的，长链模式采样开关控制电路可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

如图8所示，所述的乒乓模式采样开关控制电路包括：

第三D触发器、电容切换控制电路和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数，其中，

所述第三D触发器的时钟端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输入端与所述电容切换控制电路的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与所述电容切换控制电路的输入端和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；所述输出端为乒乓模式采样开关控制电路的电容选择信号输出端，与所述模式切换量化控制电路的电容选择信号输入端电性连接；

所述电容切换控制电路设有四个输入端，分别与所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端电性连接，能在这四个信号的控制下在展宽后击中信号上升沿到来时控制电容切换；

所述乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路分别与所述采样时钟产生电路、所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端电性连接，能在所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端的控制下对输入时钟信号进行选通。

乒乓模式采样开关控制电路的具体电路结构如图8所示，其中，

clk<0:n-1>为采样时钟产生电路输出信号，

乒乓模式第一采样电容采样开关控制信号<0:n-1>为乒乓模式下第一采样电容的采样控制信号，与第一采样控制多路选择器组的1输入端电性连接，

乒乓模式第二采样电容采样开关控制信号<0:n-1>为乒乓模式下第二采样电容的采样控制信号，与第二采样控制多路选择器组的1输入端电性连接，

乒乓模式第一采样电容量化信号与模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端电性连接；

乒乓模式第二采样电容量化信号与模式切换量化控制电路的乒乓模式第二采样电容量化信号输出端电性连接；

D为电容切换控制电路；

E为n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路。

优选的，乒乓模式采样开关控制电路可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

上述开关电容阵列中，所述模式切换量化控制电路结构如图9所示，包括：

判断信号产生电路、主状态机、从状态机和输出信号产生电路；其中，

所述判断信号产生电路结构如图10所示，分别设有电容选择信号输入端、控制时钟输入端、电容切换信号输出端和电容量化选择信号输出端；所述电容选择信号输入端与所述模式切换采样开关控制电路的电容选择信号输出端电性连接；

所述主状态机分别设有第二击中信号输入端、第二控制时钟输入端、第二模式选择信号输入端、电容切换信号输入端、电容量化选择信号输入端和数据读出完成信号输入端；其中，所述第二击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的输出端电性连接；所述控制时钟输入端接收片外控制时钟信号；所述第二模式选择信号输入端接收片外模式选择信号；所述电容切换信号输入端与所述判断信号产生电路的电容切换信号输出端电性连接；所述电容量化选择信号输入端与所述判断信号产生电路的电容量化选择信号输出端电性连接；

所述主状态机分别设有当前状态第一输出端和下一状态输出端，所述当前状态第一输出端与所述输出信号产生电路电性连接；所述下一状态输出端与从状态机电性连接；

所述从状态机分别设有主状态机下一状态输入端、第三控制时钟输入端、量化时间输入端和读出时间输入端，所述主状态机下一状态输入端与所述主状态机的下一状态输出端电性连接；所述第三控制时钟输入端与所述第二控制时钟输入端电性连接，用于接收片外控制时钟信号；所述量化时间输入端用于接收量化时间；所述读出时间输入端用于接收读出时间；可以知道，量化时间输入端接收量化时间，可连接到芯片外部，也可在芯片内部通过设置高低电平进行配置；读出时间输入端接收读出时间，可连接到芯片外部，也可在芯片内部通过设置高低电平进行配置；

所述从状态机分别设有数据读出完成信号输出端和当前状态第二输出端，所述数据读出完成信号输出端与所述主状态机的数据读出完成信号输入端电性连接；所述当前状态第二输出端与所述输出信号产生电路电性连接；

所述输出信号产生电路分别设有当前状态第一输入端和当前状态第二输入端；其中，所述当前状态第一输入端与所述主状态机的当前状态第一输出端电性连接；所述当前状态第二输入端与所述从状态机的当前状态第二输出端电性连接；

所述输出信号产生电路分别设有第一采样电容量化选择信号输出端、第二采样电容量化选择信号输出端、量化控制端和读出控制端；其中，所述第一采样电容量化选择信号输出端与各采样单元的第一采样电容对应模拟缓冲器的控制端电性连接，在当前状态第一输入端值为001或010且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述第二采样电容量化选择信号输出端与各采样单元的第二采样电容对应模拟缓冲器的控制端电性连接，在当前状态第一输入端值为011或100且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述量化控制端与斜坡电压产生电路和ADC计数器电性连接，在当前状态第二输入端值为01时输出为1，其余时间输出为0；所述读出控制端与读出控制电路电性连接，在当前状态第二输入端值为10时输出为1，其余时间输出为0；

所述输出信号产生电路分别设有长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端；其中，所述长链模式量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识长链模式下处于量化状态，在当前状态第一输入端值为001、010、011或100时输出为1，其余时间输出为0；所述乒乓模式第一采样电容量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识乒乓模式下第一采样电容处于量化状态，在当前状态第一输入端值为001或010且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述乒乓模式第二采样电容量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识乒乓模式下第二采样电容处于量化状态，在当前状态第一输入端值为011或100且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0。

优选的，上述的主状态机的状态包括：状态000、状态001、状态010、状态011和状态100，其中，

所述状态000为IDEL状态，是等待展宽后击中信号到来状态；

所述状态001为第一采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态不需要进行第二采样电容的量化与读出状态；

所述状态010为第一采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态需要进行第二采样电容的量化与读出状态；

所述状态011为第二采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态不需要进行第一采样电容的量化与读出状态；

所述状态100为第二采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态需要进行第一采样电容的量化与读出状态；

参见图11，所述主状态机按以下方式进行状态转换，包括：

当所述主状态机接收到片外模式选择信号，当确定片外模式选择信号为长链模式信号，所述主状态机的工作状态为：初始状态为状态000，接收到所述脉冲展宽电路输出的展宽后击中信号后进入状态001，进行第一采样电容量化与读出，第一采样电容量化与读出结束后跳变到状态011，进行第二采样电容的量化与读出，第二采样电容的量化与读出完成后跳变到状态000，进行下一轮采样；

当所述主状态机接收到片外模式选择信号，当确定片外模式选择信号为乒乓模式信号，所述主状态机的工作状态为：初始状态为状态000，根据所述判断信号产生电路输出的电容切换信号确定完成电容切换后，根据所述判断信号产生电路输出的电容量化选择信号进入状态001或011，在状态001下，第一采样电容进行量化与读出，若在量化或读出期间电容切换则跳变到状态010，否则待第一采样电容量化与读出完成后，从状态机产生的数据读出完成信号拉高，检测到此信号拉高后，主状态机跳变到状态000；状态010下，对第一采样电容进行量化与读出，量化与读出完成后，从状态机产生的数据读出完成信号拉高，检测到此信号拉高后，主状态机跳变到状态011，状态011下，第二采样电容进行量化与读出，若在量化或读出期间接受到击中信号则跳变到状态100，否则待数据读出完成信号拉高后跳变到状态000；状态100下，对第二采样电容进行量化与读出，数据读出完成信号拉高后跳变到状态001；

具体的，上述的主状态机通过以下5个信号进行状态转换判断，分别为：

片外模式选择信号：芯片外部输入，与所述模式切换采样开关控制电路中的模式选择信号为同一信号，0代表长链模式，1代表乒乓模式；

展宽后击中信号：为图5所示的脉冲展宽电路的输出信号；

电容量化选择信号：由图10所示的判断信号产生电路产生；

电容切换信号：由图10所示的判断信号产生电路产生；

数据读出完成信号：由所述从状态机产生，代表数据读出完成。

从状态机输入信号有：

主状态机下一状态：与主状态机电性连接；

控制时钟：由外部输入；

输出信号有：

数据读出完成信号：与主状态机电性连接；

当前状态：与输出信号产生电路电性连接。

所述从状态机的状态包括：状态00、状态01和状态10；其中，

所述状态00为IDLE状态；

所述状态01为量化状态；

所述状态10为读出状态；

参见图12，所述从状态机按以下方式进行状态转换，包括：

从状态机初始状态为状态00；当接收到所述主状态机的下一状态输出端输出的下一状态为状态001或状态011时，从状态机进入状态01，计数器开始计数，当计数器的计数值大于所述量化时间输入端输入的量化时间时，从状态机进入状态10，计数器重新开始计数，当计数器的计数值大于所述读出时间输入端输入的读出时间后将数据读出完成信号拉高一个时钟周期，标识数据读出完成，并回到状态00。

具体的，上述从状态机用于判断状态转换的信号有：

主状态机的下一状态：主状态机给出；

量化时间：外部输入；

读出时间：外部输入。

优选的，上述的主状态机和从状态机的电路均可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

参见图13～图17，本发明实施例还提供一种开关电容阵列的控制方法，用于对上述的开关电容阵列进行采样控制，包括：

采样时由采样与量化控制电路按对应的工作模式控制各采样单元内部的两个采样电容进行切换，由处于开通状态的采样电容对输入信号进行采样；

量化时由采样与量化控制电路按对应的工作模式对各采样单元内部的两个采样电容上的电压值进行量化，以及配合读出控制电路控制各采样单元量化数据的读出；

所述工作模式包括：长链模式和乒乓模式。

上述控制方法中，所述长链模式下，由采样与量化控制电路的模式切换采样开关控制电路的长链模式采样开关控制电路切换控制各采样单元的两个采样电容交替进行不同轮次的采样；

当长链模式采样开关控制电路收到击中信号后，该长链模式采样开关控制电路控制所有采样单元停止采样，在采样与量化控制电路的模式切换量化控制电路的控制下，由各采样单元的模数转换器分两轮对两个采样电容上的信号进行量化与读出；

所述乒乓模式下，初始由采样与量化控制电路的模式切换采样开关控制电路的乒乓模式采样开关控制电路控制由第一采样电容对输入信号进行循环采样；

当乒乓模式采样开关控制电路收到第一个击中信号后，该乒乓模式采样开关控制电路控制切换各采样单元由第二采样电容继续对输入信号进行循环采样，同时由模式切换量化控制电路控制各采样单元的模数转换器对第一采样电容上的信号进行量化与读出；

若第二个击中信号在第一采样电容完成量化与读出后到来，通过乒乓模式采样开关控制电路将各采样单元切换到第一采样电容继续对输入信号进行循环采样，同时由量化控制电路控制各采样单元的模数转换器对第二采样电容上的信号进行量化与读出；

若第二个击中信号在第一采样电容量化与读出时到来，乒乓模式采样开关控制电路控制所有采样单元停止采样，待第一采样电容完成量化与读出后，由乒乓模式采样开关控制电路控制各采样单元的第一采样电容继续对输入信号进行循环采样。

进一步的，本发明实施例还提供一种开关电容阵列芯片，该芯片内部设有上述的开关电容阵列。由于采用了上述的开关电容阵列能实现长链模式与乒乓模式两种不同的工作模式进行采样与量化，并且，两种工作模式可在不改变外部电路的情况下实现切换，使用灵活、方便，实现无死时间的采样与量化，满足采样深度以及更高的峰值事例率的需求。该开关电容阵列以及芯片可作为单斜ADC使用。

综上可见，本发明实施例的开关电容阵列与目前国际广泛采用的SCA方案相比，能在长链模式与乒乓模式两种不同的采样工作模式方便的切换，长链模式可实现采样单元数量两倍的采样深度，减小了芯片面积；乒乓模式允许短时间内两个脉冲波形输入，提高了峰值事例率，应用范围更广；两种模式可在不改变外部电路的情况下实现切换，使用灵活、方便。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的开关电容阵列进行详细描述。

实施例1

如图3所示，本发明实施例提供一种开关电容阵列。为方便理解，以1GHz采样率，128采样单元的SCA ASIC举例。控制时钟与读时钟都使用200 MHz时钟，输入参考时钟周期为128 ns，通过采样时钟产生电路包含的延迟锁相环（Delay Locked Loop，DLL）和时钟整形电路进行延迟与占空比调整，产生128个相位的高电平1 ns的采样时钟，送入采样和量化控制电路，采样时钟产生电路输入、输出时钟波形如图13，图中clk_DLL为延迟锁相环输出，clk_out为采样时钟产生电路输出，为便于展示，128个输出信号图中只展示4个，其余信号可根据规律得到。每个采样单元结构如图2所示，每个采样单元内部包含两个采样电容、两个模拟buffer（模拟缓冲器）和Wilkinson ADC的比较器和寄存器组。两个采样电容可分别独立对输入信号采样，采样开关是否导通由采样和量化控制电路控制。每个采样电容后分别用模拟buffer送入Wilkinson ADC比较器的输入端，模拟buffer的通断由采样和量化控制电路控制。Wilkinson ADC的主要组成部分有比较器、斜坡电压产生电路、ADC计数器、寄存器组和ADC时钟产生电路，其中斜坡电压产生电路、ADC计数器、和ADC时钟产生电路全通道所有采样单元共用。实施例中的Wilkinson ADC为10 bit，时钟频率为1 GHz，一次量化的时间为1024 ns。读出控制电路将各采样单元的数据依次送到数据总线，串并转换后读出芯片外。

参见图4，上述开关电容阵列中采样与量化控制电路包含脉冲展宽电路、模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路三部分。

上述脉冲展宽电路可将脉冲信号的脉宽展宽至4个时钟周期，如图5所示。

上述采样与量化控制电路中的模式切换采样开关控制电路可通过配置的控制信号，工作于不同工作模式，即长链模式、乒乓模式。如图6所示，该模式切换采样开关控制电路包括：

长链模式采样开关控制电路、乒乓模式采样开关控制电路和多路选择器组A。两种模式的采样开关控制电路分别产生不同的开关控制信号，通过模式选择信号控制的多路选择器组后输出。图6中的输入与输出信号如下：

第一时钟输入信号为采样时钟产生电路的输出时钟；

第一击中信号为脉冲展宽电路的输出信号；

第一模式选择信号为外部输入信号；

第一采样电容采样开关控制信号和第二采样电容采样开关控制信号，连接到各采样单元，分别控制各采样单元的第一采样电容和第二采样电容对应采样开关的导通状态；

其余4个信号连接到模式切换量化控制电路，用于指示采样开关控制电路工作状态及获取量化控制电路工作状态。其余4个信号具体为图7、图8中的：长链模式量化信号、乒乓模式第一采样电容量化信号、乒乓模式第二采样电容量化信号和电容选择信号。电容选择信号为输出信号，前三个信号为输入信号。

上述采样与量化控制电路中的模式切换量化控制电路可通过配置的控制信号，工作于不同工作模式，即长链模式、乒乓模式。电路结构如图9所示，该电路的输入与输出信号包括：

第二控制时钟信号和第二模式选择信号为外部输入信号；

第二击中信号为脉冲展宽电路的输出信号；

第一采样电容驱动控制信号和第二采样电容驱动控制信号为输出信号，连接到各采样单元，用于控制各采样单元的第一采样电容及第二采样电容对应的模拟缓冲器导通状态；

量化控制信号用于指示ADC进行量化；

读出控制信号用于指示读出控制电路进行数据读出；

量化时间和读出时间为外部输入信号；

其余4个信号连接到模式切换采样开关控制电路，用于指示量化控制电路工作状态及获取采样开关控制电路工作状态。其余4个信号具体为图7、图8中的：长链模式量化信号、乒乓模式第一采样电容量化信号、乒乓模式第二采样电容量化信号和电容选择信号。电容选择信号为输入信号，前三个信号为输出信号。

上述的模式切换采样开关控制电路与模式切换量化控制电路均可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

上述的开关电容阵列工作过程如下：

采样时钟产生电路持续工作，产生128个不同相位的时钟，所有采样单元在模式切换采样控制电路的控制下循环采样；

当外部击中信号到来，模式切换采样开关控制电路控制采样单元停止采样，已采样波形被保持在电容阵列上；

模式切换量化控制电路控制所有采样单元的采样电容量化；

数据串并转换后读出。

本发明的开关电容阵列可工作在以下两种工作模式：长链模式与乒乓模式。

具体的，本发明的模式切换采样开关控制电路能控制采样单元内采样开关控制信号的时序，从而控制采样单元内部两个采样电容的采样状态，可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

输入信号有6个：

clk[0:127]为第一时钟输入信号，与采样时钟产生电路输出信号相连；

mode_select为第一模式选择信号，低电平为长链模式，高电平为乒乓模式；

hit为第一击中信号，用于判断是否采集到脉冲波形，由脉冲展宽电路产生；

digital_busy_mode1为长链模式量化信号，由模式切换量化控制电路产生，标识ADC量化状态，用于长链模式，高电平表示正在量化；

digital_busy_mode2[0:1]分别为乒乓模式第一采样电容量化信号与乒乓模式第二采样电容量化信号，由模式切换量化控制电路产生，标识ADC量化状态，用于乒乓模式，其中digital_busy_mode2[0]为乒乓模式第一采样电容量化信号，digital_busy_mode2[1]为乒乓模式第二采样电容量化信号。

输出信号有3个：

sample_cap1[0:127]为各采样单元内第一采样电容采样开关控制信号，与采样单元一一对应，高电平为进行采样，低电平为停止采样；

sample_cap2[0:127]为各采样单元内第二采样电容采样开关控制信号，与采样单元一一对应，高电平为进行采样，低电平为停止采样；

cap_select_mode2为电容选择信号，用于指示采样开关控制电路工作状态，用于乒乓模式，低电平为第一采样电容，高电平为第二采样电容。

长链模式下相关信号时序图如图14，hit信号（即第一击中信号）持续为低电平时，采样单元内两组采样电容交替采样；hit信号电平拉高后，所有采样单元停止采样。直到长链模式量化信号拉低，所有采样单元恢复采样。

乒乓模式下相关信号时序图如图15所示。初始状态第一采样电容循环采样，hit信号为高电平后第一采样电容停止采样，第二采样电容循环采样。hit信号第二次拉高后，第二采样电容停止采样，直到第一采样电容完成量化，第一采样电容继续循环采样。

本发明的模式切换量化控制电路用于控制采样电容后端模拟buffer开关的时序，可使用verilog编写，经过综合及布局布线后转换为实际的数字电路。

输入信号有4个：

clk为第二控制时钟，200 MHz，外部输入；

hit为第二击中信号，用于判断是否采集到脉冲波形，由脉冲展宽电路产生；

mode_select为第二模式选择信号，低电平为长链模式，高电平为乒乓模式；

cap_select_mode2为电容选择信号，低电平表示第一采样电容，高电平表示第二采样电容；

digital_time为量化时间，为外部输入信号，本实施例中计数器由200 MHz的系统时钟驱动，每一拍时间为5 ns，10bit Wilkinson ADC量化时间1024ns，对应205拍，据此将量化时间确定为204；

readout_time为读出时间，为外部输入信号，本实施例中采样单元个数为128，每个采样单元量化产生10 bit数据，共1280 bit数据，控制时钟的每个时钟周期读出1 bit数据，据此将读出时间确定为1279。

中间信号有8个：

cs1为主状态机当前状态；

ns1为主状态机下一状态；

cs2为从状态机当前状态；

ns2为从状态机下一状态；

cap_switch为电容切换信号；

cap_digital_select为电容量化选择信号；

cnt为从状态机计数器计数值；

readout_finish为数据读出完成信号。

输出信号有5个：

digital_busy_mode1为长链模式量化信号标识ADC量化状态，用于长链模式，高电平表示正在量化；

digital_busy_mode2[0:1]分别为乒乓模式第一采样电容量化信号和乒乓模式第二采样电容量化信号，标识ADC量化状态，用于乒乓模式，高电平表示正在量化，其中digital_busy_mode2[0]为乒乓模式第一采样电容量化信号，digital_busy_mode2[1]为乒乓模式第二采样电容量化信号；

digital_cap1为各采样单元内第一采样电容驱动控制信号，与所有采样单元内第一采样电容对应模拟缓冲器的控制端连接，高电平为导通，低电平为断开；

digital_cap2为各采样单元内第二采样电容驱动控制信号，与所有采样单元内第二采样电容对应模拟缓冲器的控制端连接，高电平为导通，低电平为断开；

digital_control为量化控制信号，用于控制Wilkinson ADC进行量化；

readout_control为读出控制信号，用于配合读出控制电路进行采样单元内量化数据的读出。

长链模式下时序图如图16。当hit信号（即第二击中信号）到来，主状态机从000进入001状态，表示第一采样电容进行量化与读出。从状态机从00进入01状态，计数器开始工作，Wilkinson ADC进行量化。当计数器计数值与量化时间相同时，计数器下一状态清零，从状态机下一状态跳转到10状态，进行数据读出。当计数器重新计数到1279时，从状态机输出读出完成信号，下一状态切换到00，同时主状态机下一状态切换到011，进行第二采样电容的量化与读出。从状态机重复与之前相同的过程。直到读出完成，主状态机状态跳转到000。相关信号时序如图16所示。

乒乓模式下时序图如图17。当hit信号到来，采样电容切换，判断信号产生电路产生的cap_switch（即电容切换信号）和cap_digital_select（即电容量化选择信号）信号跳变。cap_switch为高时，根据cap_digital_select选择要量化的电容。此处cap_digital_select为低电平，量化第一采样电容。主状态机跳转到状态001，从状态机跳转到01，计数器开始工作，Wilkinson ADC进行量化。当计数器计数值为204时，计数器下一状态清零，从状态机下一状态跳转到10状态，进行数据读出。当计数器重新计数到1279时，从状态机输出读出完成信号，下一状态切换到00。第一采样电容量化读出过程中如果hit信号拉高，则主状态机跳转到状态010，表示此组电容量化读出完成后需量化读出另一组电容。当计数器重新计数到1279时，从状态机输出读出完成信号，下一状态切换到00，同时主状态机下一状态切换到011，进行第二采样电容的量化与读出。从状态机重复与之前相同的过程。直到读出完成，如果此过程中没有新的击中，主状态机状态跳转到000。相关信号时序如图17中所示。

本发明实施例提供的方案，与目前国际广泛采用的SCA架构相比，可以在兼容目前方案的基础上，实现短时间内两组脉冲波形的采集。相对于目前国际广泛采用的SCA架构，具有调整灵活、可配置、允许峰值事例率高等特点，使用范围更广，这种开关电容阵列及控制方法可应用于基于开关电容阵列的波形数字化领域，包括粒子物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过模拟电路及数字电路混合设计实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以产品的形式体现出来，该产品可以封装后配合前端电路及后端数据处理程序实现本发明各个实施例所述的功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种开关电容阵列，包括：采样时钟产生电路和并列设置的多个采样单元，其特征在于，所述采样单元包括：两个采样开关、两个采样电容、两个模拟缓冲器、一个比较器和一个寄存器组；其中，

两个采样电容的采样端各通过一个采样开关与模拟输入端电性连接，能在两个采样开关的控制下切换由不同的采样电容对模拟输入端的输入信号进行采样；

两个采样电容的输出端各经一个模拟缓冲器与所述比较器的一个输入端电性连接，所述比较器的输出端与所述寄存器组的输入端电性连接，能控制所述寄存器组锁存计数值；

所述比较器的一个输入端用于连接斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端；

两个采样开关的控制端用于连接采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各采样开关的通断；

两个模拟缓冲器的控制端用于连接所述采样与量化控制电路，能由所述采样与量化控制电路控制各模拟缓冲器输出端的通断；

所述寄存器组的计数端用于连接ADC计数器；所述寄存器组的读出控制端用于连接读出控制电路，能在所述读出控制电路的控制下从该寄存器组的数据输出端读取数据；

还包括：采样与量化控制电路、斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路、并串转换电路和读出控制电路；其中，

所述采样时钟产生电路的时钟信号输出端与所述采样与量化控制电路的输入端电性连接；

各采样单元的两个采样开关的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端电性连接；

各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端分别与所述采样与量化控制电路的第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端电性连接；

所述斜坡电压产生电路的斜坡电压信号输出端分别与各采样单元的比较器的另一个输入端电性连接，所述斜坡电压产生电路的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC计数器的计数信号端分别与各采样单元的寄存器组的计数端电性连接，所述ADC计数器的使能端与所述采样与量化控制电路的量化控制端电性连接；

所述ADC时钟产生电路与ADC计数器的时钟信号输入端电性连接；

所述并串转换电路输入端与各采样单元的寄存器组的输出总线连接，输出到芯片外部；

所述读出控制电路的使能端与所述采样与量化控制电路的读出控制端电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据读出，所述读出控制电路的采样单元控制端与各采样单元的寄存器组电性连接，能控制各采样单元的寄存器组的数据输出；

所述采样与量化控制电路分别设有击中信号输入端、模式选择信号输入端和控制时钟输入端，所述击中信号输入端能接收击中信号，所述模式选择信号输入端能接收模式选择信号，所述控制时钟输入端能接收控制时钟信号；

所述斜坡电压产生电路、ADC计数器、ADC时钟产生电路和每个采样单元的比较器和寄存器组组成每个采样单元的模数转换器；

所述采样与量化控制电路包括：脉冲展宽电路、模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路；其中，

所述脉冲展宽电路分别设有击中信号输入端、第一控制时钟输入端和展宽后击中信号输出端，所述击中信号输入端接收片外击中信号，所述第一控制时钟输入端接收片外时钟信号，所述展宽后击中信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路和模式切换量化控制电路电性连接；

所述模式切换采样开关控制电路分别设有第一时钟输入端、第一击中信号输入端、第一模式选择信号输入端、第一采样电容采样开关控制端、第二采样电容采样开关控制端、电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端，所述第一时钟输入端与所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接，所述第一击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第一模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，第一采样电容采样开关控制端和第二采样电容采样开关控制端分别与各采样单元的两个采样开关的控制端电性连接，所述电容选择信号输出端、长链模式量化信号输入端、乒乓模式第一采样电容量化信号输入端和乒乓模式第二采样电容量化信号输入端分别与模式切换量化控制电路电性连接；

所述模式切换量化控制电路分别设有第二击中信号输入端、第二控制时钟输入端、第二模式选择信号输入端、第一采样电容驱动控制端、第二采样电容驱动控制端、量化控制端、读出控制端、量化时间输入端、读出时间输入端、电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端，所述第二击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，所述第二控制时钟输入端接收片外控制时钟信号，所述第二模式选择信号输入端接收片外模式选择信号，所述第一采样电容驱动控制端和第二采样电容驱动控制端分别与各采样单元的两个模拟缓冲器的控制端电性连接，所述量化控制端与ADC计数器的使能端和斜坡电压产生电路的使能端电性连接，所述读出控制端与读出控制电路的使能端电性连接，所述量化时间输入端用于接收量化时间；所述读出时间输入端用于接收读出时间；所述电容选择信号输入端、长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端分别与模式切换采样开关控制电路电性连接；

所述模式切换采样开关控制电路包括：

长链模式采样开关控制电路、乒乓模式采样开关控制电路和多路选择器组；其中，

所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路并列设置，所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均与所述模式切换量化控制电路和所述采样时钟产生电路的信号输出端电性连接；

所述长链模式采样开关控制电路与乒乓模式采样开关控制电路均设有击中信号输入端，并与脉冲展宽电路输出端电性连接，能根据各自击中信号输入端输入的击中信号进行对应的处理；

所述长链模式采样开关控制电路的输出端与乒乓模式采样开关控制电路的输出端通过所述多路选择器组分别与各采样单元的两个采样开关控制端电性连接；

所述长链模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行长链模式采样的长链模式采样开关信号；

所述乒乓模式采样开关控制电路，能根据所述采样时钟产生电路的输出信号产生控制各采样单元的进行乒乓模式采样的乒乓模式采样开关信号；

所述多路选择器组设有第三模式选择信号输入端，能根据该第三模式选择信号输入端输入的长链模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述长链模式采样开关控制电路产生的长链模式采样开关信号，或根据该模式选择信号输入端输入的乒乓模式采样信号控制向各采样单元的两个采样开关输出所述乒乓模式采样开关控制电路产生的乒乓模式采样开关信号；

所述模式切换量化控制电路包括：

判断信号产生电路、主状态机、从状态机和输出信号产生电路；其中，

所述判断信号产生电路分别设有电容选择信号输入端、控制时钟输入端、电容切换信号输出端和电容量化选择信号输出端；所述电容选择信号输入端与所述模式切换采样开关控制电路的电容选择信号输出端电性连接；

所述主状态机分别设有第二击中信号输入端、第二控制时钟输入端、第二模式选择信号输入端、电容切换信号输入端、电容量化选择信号输入端和数据读出完成信号输入端；其中，所述第二击中信号输入端与所述脉冲展宽电路的输出端电性连接；所述控制时钟输入端接收片外控制时钟信号；所述第二模式选择信号输入端接收片外模式选择信号；所述电容切换信号输入端与所述判断信号产生电路的电容切换信号输出端电性连接；所述电容量化选择信号输入端与所述判断信号产生电路的电容量化选择信号输出端电性连接；

所述主状态机分别设有当前状态第一输出端和下一状态输出端，所述当前状态第一输出端与所述输出信号产生电路电性连接；所述下一状态输出端与从状态机电性连接；

所述从状态机分别设有主状态机下一状态输入端、第三控制时钟输入端、量化时间输入端和读出时间输入端，所述主状态机下一状态输入端与所述主状态机的下一状态输出端电性连接；所述第三控制时钟输入端与所述第二控制时钟输入端电性连接，用于接收片外控制时钟信号；所述量化时间输入端用于接收量化时间；所述读出时间输入端用于接收读出时间；

所述从状态机分别设有数据读出完成信号输出端和当前状态第二输出端，所述数据读出完成信号输出端与所述主状态机的数据读出完成信号输入端电性连接；所述当前状态第二输出端与所述输出信号产生电路电性连接；

所述输出信号产生电路分别设有当前状态第一输入端和当前状态第二输入端；其中，所述当前状态第一输入端与所述主状态机的当前状态第一输出端电性连接；所述当前状态第二输入端与所述从状态机的当前状态第二输出端电性连接；

所述输出信号产生电路分别设有第一采样电容量化选择信号输出端、第二采样电容量化选择信号输出端、量化控制端和读出控制端；其中，所述第一采样电容量化选择信号输出端与各采样单元的第一采样电容对应模拟缓冲器的控制端电性连接，在当前状态第一输入端值为001或010且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述第二采样电容量化选择信号输出端与各采样单元的第二采样电容对应模拟缓冲器的控制端电性连接，在当前状态第一输入端值为011或100且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述量化控制端与斜坡电压产生电路和ADC计数器电性连接，在当前状态第二输入端值为01时输出为1，其余时间输出为0；所述读出控制端与读出控制电路电性连接，在当前状态第二输入端值为10时输出为1，其余时间输出为0；

所述输出信号产生电路分别设有长链模式量化信号输出端、乒乓模式第一采样电容量化信号输出端和乒乓模式第二采样电容量化信号输出端；其中，所述长链模式量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识长链模式下处于量化状态，在当前状态第一输入端值为001、010、011或100时输出为1，其余时间输出为0；所述乒乓模式第一采样电容量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识乒乓模式下第一采样电容处于量化状态，在当前状态第一输入端值为001或010且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；所述乒乓模式第二采样电容量化信号输出端与所述模式切换采样开关控制电路电性连接，用于标识乒乓模式下第二采样电容处于量化状态，在当前状态第一输入端值为011或100且当前状态第二输入端值为01或10时输出为1，其余时间输出为0；

所述主状态机的状态包括：状态000、状态001、状态010、状态011和状态100，其中，

所述状态000为IDEL状态，是等待展宽后击中信号到来状态；

所述状态001为第一采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态不需要进行第二采样电容的量化与读出状态；

所述状态010为第一采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态需要进行第二采样电容的量化与读出状态；

所述状态011为第二采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态不需要进行第一采样电容的量化与读出状态；

所述状态100为第二采样电容量化与读出且乒乓模式下下一状态需要进行第一采样电容的量化与读出状态；

所述主状态机按以下方式进行状态转换，包括：

当所述主状态机接收到片外模式选择信号，当确定片外模式选择信号为长链模式信号，所述主状态机的工作状态为：初始状态为状态000，接收到所述脉冲展宽电路输出的展宽后击中信号后进入状态001，进行第一采样电容量化与读出，第一采样电容量化与读出结束后跳变到状态011，进行第二采样电容的量化与读出，第二采样电容的量化与读出完成后跳变到状态000，进行下一轮采样；

当所述主状态机接收到片外模式选择信号，当确定片外模式选择信号为乒乓模式信号，所述主状态机的工作状态为：初始状态为状态000，根据所述判断信号产生电路输出的电容切换信号确定完成电容切换后，根据所述判断信号产生电路输出的电容量化选择信号进入状态001或011，在状态001下，第一采样电容进行量化与读出，若在量化或读出期间电容切换则跳变到状态010，否则待第一采样电容量化与读出完成后，从状态机产生的数据读出完成信号拉高，检测到此信号拉高后，主状态机跳变到状态000；状态010下，对第一采样电容进行量化与读出，量化与读出完成后，从状态机产生的数据读出完成信号拉高，检测到此信号拉高后，主状态机跳变到状态011，状态011下，第二采样电容进行量化与读出，若在量化或读出期间接受到击中信号则跳变到状态100，否则待数据读出完成信号拉高后跳变到状态000；状态100下，对第二采样电容进行量化与读出，数据读出完成信号拉高后跳变到状态001；

所述从状态机的状态包括：状态00、状态01和状态10；其中，

所述状态00为IDLE状态；

所述状态01为量化状态；

所述状态10为读出状态；

所述从状态机按以下方式进行状态转换，包括：

从状态机初始状态为状态00；当接收到所述主状态机的下一状态输出端输出的下一状态为状态001或状态011时，从状态机进入状态01，计数器开始计数，当计数器的计数值大于所述量化时间输入端输入的量化时间时，从状态机进入状态10，计数器重新开始计数，当计数器的计数值大于所述读出时间输入端输入的读出时间后将数据读出完成信号拉高一个时钟周期，标识数据读出完成，并回到状态00；

所述长链模式采样开关控制电路包括：

第一D触发器、第二D触发器、二输入或非门和n个并列设置的长链模式采样开关控制信号输出使能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数；其中，

所述第一D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第3n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与反向输出端电性连接，输出端和反向输出端均与前n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；

所述第二D触发器的时钟端与所述采样时钟产生电路的第n/4个时钟信号输出端电性连接，输入端与第一D触发器的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与后n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路输入端电性连接；

所述二输入或非门的第一输入端与所述模式切换量化控制电路的长链模式量化信号输入端电性连接，第二输入端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输出端与n个长链模式采样开关控制信号输出使能电路电性连接，能输出采样使能信号；

所述长链模式采样开关控制信号输出使能电路分为两组，其中，

第一组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出前n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与所述第一D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的前n/2个时钟信号输出端进行选通；

第二组包括n/2个长链模式采样开关控制信号输出使能电路，用于输出后n/2个采样单元的长链模式采样开关控制信号，在采样使能信号与第二D触发器的输出端与反向输出端的控制下对所述采样时钟产生电路的后n/2个时钟信号输出端进行选通；

所述乒乓模式采样开关控制电路包括：

第三D触发器、电容切换控制电路和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数，其中，

所述第三D触发器的时钟端与所述脉冲展宽电路的展宽后击中信号输出端电性连接，输入端与所述电容切换控制电路的输出端电性连接，输出端和反向输出端均与所述电容切换控制电路的输入端和n个并列设置的乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路的输入端电性连接；所述输出端为乒乓模式采样开关控制电路的电容选择信号输出端，与所述模式切换量化控制电路的电容选择信号输入端电性连接；

所述电容切换控制电路设有四个输入端，分别与所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端电性连接，能在这四个信号的控制下在展宽后击中信号上升沿到来时控制电容切换；

所述乒乓模式采样开关控制信号输出使能电路分别与所述采样时钟产生电路、所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端电性连接，能在所述第三D触发器的输出端及反向输出端、所述模式切换量化控制电路的乒乓模式第一采样电容量化信号输出端及乒乓模式第二采样电容量化信号输出端的控制下对输入时钟信号进行选通。

2.根据权利要求1所述的开关电容阵列，其特征在于，所述多路选择器组由第一采样控制多路选择器组和第二采样控制多路选择器组组成，所述第一采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第一采样电容，所述第二采样控制多路选择器组连接控制各采样单元的第二采样电容；

所述采样时钟产生电路设有n个时钟信号输出端，n为开关电容阵列的采样单元数量，通常为2的指数。

3.根据权利要求1所述的开关电容阵列，其特征在于，所述比较器为Wilkinson型模数转换器的比较器；

所述寄存器组的寄存器为Wilkinson型模数转换器的寄存器。

4.一种开关电容阵列的控制方法，用于对权利要求1-3任一项所述的开关电容阵列进行采样控制，其特征在于，包括：

采样时由采样与量化控制电路按对应的工作模式控制各采样单元内部的两个采样电容进行切换，由处于开通状态的采样电容对输入信号进行采样；

量化时由采样与量化控制电路按对应的工作模式对各采样单元内部的两个采样电容上的电压值进行量化，以及配合读出控制电路控制各采样单元量化数据的读出；

所述工作模式包括：长链模式和乒乓模式；

所述长链模式下，由采样与量化控制电路的模式切换采样开关控制电路的长链模式采样开关控制电路切换控制各采样单元的两个采样电容交替进行不同轮次的采样；

当长链模式采样开关控制电路收到击中信号后，该长链模式采样开关控制电路控制所有采样单元停止采样，在采样与量化控制电路的模式切换量化控制电路的控制下，由各采样单元的模数转换器分两轮对两个采样电容上的信号进行量化与读出；

所述乒乓模式下，初始由采样与量化控制电路的模式切换采样开关控制电路的乒乓模式采样开关控制电路控制由第一采样电容对输入信号进行循环采样；

当乒乓模式采样开关控制电路收到第一个击中信号后，该乒乓模式采样开关控制电路控制切换各采样单元由第二采样电容继续对输入信号进行循环采样，同时由模式切换量化控制电路控制各采样单元的模数转换器对第一采样电容上的信号进行量化与读出；

若第二个击中信号在第一采样电容完成量化与读出后到来，通过乒乓模式采样开关控制电路将各采样单元切换到第一采样电容继续对输入信号进行循环采样，同时由量化控制电路控制各采样单元的模数转换器对第二采样电容上的信号进行量化与读出；

若第二个击中信号在第一采样电容量化与读出时到来，乒乓模式采样开关控制电路控制所有采样单元停止采样，待第一采样电容完成量化与读出后，由乒乓模式采样开关控制电路控制各采样单元的第一采样电容继续对输入信号进行循环采样。

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