CN1297614A - 采用逐次逼近原理的模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟信号值到数字信号值的转换的逐次逼近型模数转换的方法和装置,包括以下步骤:对每个寻找区间定义至少3个区域,这样所述区域覆盖整个寻找区间,每个区域至少和一个其它区域重叠,将每个这样的区域定义成新的较小寻找区间,直至最后一个寻找区间达到预定值,在每个冗余部分内定义参考电平,这样一个寻找区间中的N个区域给出N-1个参考电平,在一个寻找区间中定义至少一个参考电平与至少一个其它的参考电平相等,在此,至少一个这样相等的参考电平属于由最接近较大寻找区间中的区域形成的两个寻找区间,为得到所述数字信号值,将一个未知的采样值与一个寻找区间中所有的参考电平比较,由此在所述寻找区间中的至少2个区域被排除,并且,在逐次逼近操作的过程中,未知的采样值与新的较小寻找区间中的所有参考值比较,在此,每个比较参考电平的选择不依赖于最接近前一步骤中的结果,直至所述未知的采样值能以预定的精度被确定。

Description

采用逐次逼近原理的模数转换器
发明领域
本发明涉及一种模数转换方法和一种用于模数转换(ADC)的装置,特别是一种采用逐次逼近原理的模数转换方法(SA-ADC)。
发明背景
在数字信号处理过程中能将模拟信号转换成数字信号是必要的。现有几种模数转换器的类型,它们在成本和性能上有本质区别。成本是由模数转换器的线路复杂性以及根据所述线路的复杂程度作出线路元件所需的技术决定的。性能可根据转换速率、分辨率和能量消耗进行代表性地测量。
一种采用逐次逼近原理的模数转换器由一种算法控制,例如二分搜索法。原理上模数转换装置包含一个储存输入信号瞬时值的取样单元、一个产生已知参考值的数模转换器(DAC)和一个比较储存值和参考值的比较器。该算法以根据标尺确定存储值的方式控制参考值序列,该标尺通常是一个由二进制数表示的整数。该原理受到一种因果要求的限制,即,必需在算法找出在下次比较中将使用哪个参考值之前完成比较。这样循环决定了SA-ADC的最大速率。
另一个问题是参考值的精度。在电路中,根据一个指数曲线设定一个值,即可用时间越长,值就变得越精确。这能导致动态误差,并是一个与速率相关问题。所述问题能用一种冗余码解决,见M.P.V.Kolluri,“A 12-BIT 500-NSSubranging ADC”,IEEE Journal of Solid State Circuits,vol.24,no.6,pp.1498-1506,Dec.1989;作为一种替换,可以使用许多个比较器和许多个参考电平,见P-EDanielsson,“采用逐次逼近具有双重比较器的A/D-转换”(A/D-conversionemploying successive approximation with dual comparators),Report No.Lith-ISYR-1976,951004,Linkkopings Universitet.
发明技术方案
根据现有技术,采用逐次逼近原理的模拟信号值变成数字信号值的转换存在的问题是该方法包含了一个取决于其逼近过程的限制速率的因素。
本发明的一个目的是通过改进寻找区间的分割并在其中设置的参考电平来增加逼近过程的速率。
本发明通过为每个寻找区间定义至少3个区域解决上面提到的问题,这样由所述区域覆盖整个寻找区间,每个区域覆盖至少一个其它的区域;每一个这样的区域定义一个新的更小的寻找区间,直至最后的寻找区间达到预定值;在每个冗余部分中定义一个参考值,这样在一个寻找区间中的N个区域给出N-1个参考值;定义每个寻找区间中的至少一个参考电平与至少一个其它的参考电平相同,在此,至少一个这样相同的参考电平属于由最接近较大寻找区间的区域形成的两个寻找区间。
为达到所述的数字信号值,一个未知的采样值与寻找区间中所有的参考电平比较,由此至少一个位于所述寻找区间中的区域被排除,并且在逐次逼近的进行过程中,未知的采样值与新的较小寻找区间中的所有参考值相作比较,在此每一个比较参考电平的选择不依赖于在最接近前一步骤中的结果,直至能以预定的精度确定所述未知的采样值。
上述过程能在一个模数转换器中方便地完成。
本发明的优点在于能以低的收敛条件实现逼近过程。
本发明的另一个优点在于它仅包括一个比较器。
本发明还有的另一个优点是它有助于实现高速率。
现将通过优选实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
附图的简要说明
图1是表示依据本发明如何分割一个从值X到值Y的寻找区间的一个实施例。
图2是与图1的寻找区间分割相同的实施例,其中给出参考电平的附图标记。
图3表示依据本发明的逼近过程的流程图。
优选实施例
图1表示一个从值X到值Y的寻找区间,它表示在其中未知模拟信号值将转换成数字信号值的数值区间。所述寻找区间被分割成许多更小的寻找区间,为采用逐次逼近方法以迭代到想要的数字信号值而划分成不同区域。
在该实施例中,寻找区域X-Y首先被分割成三个区域a,b和c。这些区域在绝对值上相等。区域a始自X-电平并结束于Y-电平之前的某处。区域b既不开始也不结束在X或Y的终点值处,但具有与X-Y区间的中点相同的中点。区域c在X-Y区间的某处开始并在Y-电平处结束。区域a,b和c中的每一个与相同寻找区间中其它区域中的至少一个重叠,即区域a至少重叠区域b,区域b至少重叠区域c。根据图1中所示的实施例区域a和c能够相互重叠。所述区域布置产生叫做冗余出现的部分。因此,图1中的实施例在整个b区就有冗余。
在该冗余部分将布置参考电平。在一个寻找区间中使用3个区域的情况下,可以看作似乎区域a和区域c没有相互重叠,而仅是在同一点结束和开始,将产生两个不同的冗余部分。一个冗余部分由区域b和c形成,另一个冗余部分由a和b形成。为每个冗余部分布置一个参考电平,即为三个区域布置两个参考电平,对于四个区域布置三个参考电平,而对于N个区域,布置N-1个参考电平。因而,在附图1的实施例中,冗余部分布置了两个参考电平。
附图2表示根据图1的实施例在冗余部分如何布置这些参考电平的一个例子。寻找过程是否有效取决于如何布置参考电平。
在下一个步骤中,区域a,b和c被分割成各自的寻找区间。这样区域a形成一个含有区域a1,a2和a3的新寻找区间,区域b形成一个含有区域b1,b2和b3的新寻找区间,区域c形成一个含有区域c1,c2和c3的新寻找区间。在该实施例中,每一个新的较小的寻找区间作成一个最接近的上级寻找区间的缩减复制,即包含区域a1,a2和a3的新寻找区间是包含区域a,b和c的寻找区间的缩减复制。
一个寻找区间能包含三个区域,而另一个寻找区域能包含三个或更多的区域。因而,包含区域a1,a2和a3的寻找区间不需要含有与由区域a,b和c形成的寻找区域一样多的区域,它是没有限制的,也不需要较大的寻找区间比较小的寻找区间分割的区域更多。包含在每个寻找区间中的区域的长度可以不同。每个区域a1,a2和a3可以是不同的长度,其它寻找区间中的区域也是如此。
因而,图1中区域a,b和c分别形成包含新区域a1,a2和a3、区域b1,b2和b3和区域c1,c2和c3的新寻找区间。
根据前面所述,在每个这样的新的较小寻找区间中,根据所含区域的数目布置两个或更多的参考电平。在每个所述新的较小寻找区间中至少一个参考电平与至少一个其它参考电平共用,在此,至少一个这样的其它参考电平属于同一划分步骤中的一个寻找区间,即,例如,由区域a形成的寻找区间将与区域b形成的寻找区间有共用的参考电平,一个属于由区域c形成的寻找区间的参考电平将与由区域b形成的寻找区间具有共用的参考电平。图2中有属于区域a1,a2和a3、区域b1,b2和b3和区域c1,c2和c3的寻找区间的共用的参考电平的例子,例如R4和R5。在图2所示的实施例中,寻找区间的两个参考电平变得与另一个参考电平共用。
在下一步骤中,区域a1,a2和a3、区域b1,b2和b3和区域c1,c2和c3被分成不同的寻找区间,这样区域a1形成包含区域a11、a12和a13的新的寻找区间,区域a2形成包含区域a21、a22和a23的新的寻找区间,区域a3形成包含区域a31、a32和a33的新的寻找区间,区域b1形成包含区域b11、b12和b13的新的寻找区间,区域b2形成包含区域b21、b22和b23的新的寻找区间,区域b3形成包含区域b31、b32和b33的新的寻找区间,c1形成包含区域c11、c12和c13的新的寻找区间,区域c2形成包含区域c21、c22和c23的新的寻找区间,区域c3形成包含区域c31、c32和c33的新的寻找区间。在该实施例中,每一个新的较小寻找区间成为最接近的上级寻找区间的缩减复制,即包含区域a11、a12和a13的新寻找区间是包含区域a1、a2和a3的寻找区间的缩减复制。
象前面披露的涉及参考电平的布置一样,对应于所述的寻找区间的N个区域,这些寻找区间也将含有N-1个参考电平。在此也是,每个所述寻找区间中的至少一个参考电平与至少一个其它的参考电平共用,即,例如,由区域a1形成的寻找区间将与由区域a2形成的寻找区间具有共用的参考电平,属于由区域a3形成的寻找区间的参考电平将与由区域a2形成的寻找区间具有共用的参考电平。图2中有共用参考电平的例子,例如R8,R9,R12,R13,R16和R17。虽未说明,但完全可能的是,例如,将共用参考电平R5与共用的参考电平R13一起布置。同样,将共用参考电平R9与共用参考电平R14一起布置。
按照前述方法进行分割,直至最后的寻找区间达到预先给定的终止值。
图3中有表示如何执行逼近过程的流程图的一个例子。图3中所有的附图标记与图1和图2相对应。
在第一步骤中,将一个未知的采样值V与所述寻找区间的参考电平中的一个比较。在此,寻找区间是X-Y,参考电平是R2。应强调,比较中所述的第一步不必从图1和图2所示的初始区间开始。
所述的寻找区间可以是较大寻找区间中的一部分,即,图1和2中的寻找区间X-Y是一个原始较大寻找区间中的一部分。换句话说,假如未知的采样值能被定义到包含在所述的寻找区间中,逼近操作可开始于任意一个寻找区间。
逼近操作的下一步是将未知的采样值V与参考电平R1比较。在第一个结果中,如果采样值V小于参考电平R2,我们将从图3的左路到达终点。相反,如果结果是未知的采样值比参考电平R2大,我们将从中的右路到达终点。如果V<R2,区域a或b是相关的,而区域c将被排除。如果V>R2,区域c是相关的,而区域a和b将被排除。现在假设如果留在图3中流程图的左路,即未知的采样值小于参考电平R2,区域a或b是相关的。下一步骤中,不依赖于未知的采样值V和参考电平R1之间比较的结果,未知的采样值V将和R4比较。这是由于通过在每个寻找区间中布置至少一个与另一个寻找区间中至少一个其它的参考电平共用的参考电平,在此,至少一个所述的“其它的寻找区间”也是由最接近的较大寻找区间的区域形成的,能够预计哪一个后续参考电平将与未知的采样值V比较。能够理解的是我们在图3中的流程图的左路中,并打算将未知的采样值与参考电平R1作比较,由于我们提前能够准备下面的比较,这样在未知的采样值和R4间产生比较,不依赖于与R1比较的结果。
因而,在下一个步骤中,未知的采样值V与参考电平R4比较。依赖于未知的采样值V是大于还是小于参考值R1,我们分别在左路或右路与R4比较。假设我们现在位于左路,即与R1比较,未知的采样值V小于所述的参考值R1,区域a是相关的,而区域b可被排除。下一步骤中,由于对于给定的寻找区间,我们将未知的采样值V与那个寻找区间中的每个参考值比较,此处寻找区间由区域a组成,我们将未知的采样值V与R3比较。例如,在寻找区间含有四个区域的情况下,未知的采样值V将与所述寻找区间的三个参考电平比较。
因而,下一个步骤中,不依赖于前述步骤中的结果,我们将未知的采样值V与参考值R3比较。在此也是,当我们已经知晓我们在左路与R4比较时,我们准备与R3作比较。因为操作步骤总是不依赖于前面步骤的结果,所以能在同一个迭代线路中进行两次比较。换句话说,取代了等候未知的采样值和一个参考电平比较的结果,而在结果给出前准备下一个步骤。那样,由于在同一个迭代线路中作两次比较,就可加速逼近过程。假设在未知的采样值和参考值R4的比较中,结果是V<R4。我们再一次在左路,并且知道区域a1和a2是相关的,区域a3就被排除。与R3比较时,我们知道在下一步骤V将和R8比较,而不依赖于与R3比较所得的结果,等等。
上述步骤持续进行,直至未知的采样值V以预定的精度被确定。
图3中,不依赖于先前结果的比较用虚线表示,例如图3中能看到当未知的采样值与R1比较时,左路中与R4的比较不依赖于先前步骤的结果。
该逼近过程可以是模数转换器的一部分。由于其性能和结构在现有技术中已经公知,这种模数转换器不再进一步详细描述了,并且这不是本发明的一部分。
应当理解本发明并不限于上面提到的实施例,但可在所附权利要求书的范围内作出修改。

Claims (6)

1.一种用于模拟信号值到数字信号值的转换的逐次逼近型模数转换的方法,包括以下步骤:
对每个寻找区间定义至少3个区域,这样所述区域覆盖整个寻找区间,每个区域至少和一个其它区域重叠,
将每个这样的区域定义成新的较小寻找区间,直至最后一个寻找区间达到预定值,
在每个冗余部分内定义参考电平,这样在一个寻找区间中的N个区域给出N-1个参考电平,
在每个寻找区间中定义至少一个参考电平与至少一个其它的参考电平相等,在此,至少一个这样相等的参考电平属于由最接近较大寻找区间中的区域形成的两个寻找区间,
为得到所述数字信号值
将未知的采样值与一个寻找区间中所有的参考电平比较,由此所述寻找区间中的至少2个区域被排除,并且
在连续逐次逼近过程中将未知的采样值与新的较小寻找区间中的所有参考值比较,在此,比较参考电平的每个选择不依赖于最接近前一步骤中的结果,直至所述未知的采样值能以预定的精度被确定。
2.根据权利要求1所述的方法,特征在于每个新的较小寻找区间是最接近的较大寻找区间的缩小。
3.根据权利要求2所述的方法,特征在于每个寻找区间中的所述区域在绝对值上相等。
4.一种用于模拟信号值到数字信号值的转换的逐次逼近型模数转换的装置,特征在于它被设置成:为每个寻找区间定义至少3个区域,这样所述区域覆盖整个寻找区间,并且每个区域和至少一个其它的区域重叠,将每个所述区域定义成一个新的较小寻找区间,直至最后一个寻找区间达到预定值,在每个冗余部分内定义一个参考电平,这样在寻找区间中N个区域给出N-1个参考电平,定义每个寻找区间中的至少一个参考电平与至少一个其它的参考电平相等,在此,至少一个这样相等的参考电平属于由最接近较大寻找区间中的区域形成的两个寻找区间,为得到所述数字信号值,将未知的采样值与一个寻找区间中所有的参考电平比较,并在所述寻找区间中排除至少2个区域,并在所述逐次逼近处理过程中,未知的采样值与新的较小寻找区间中的所有参考值比较,在此,比较参考电平的每个选择不依赖于最接近的前一步骤中的结果,直至所述未知的采样值达到预定的精度
5.根据权利要求4所述的装置,特征在于对于每个新的较小寻找区间,被设置成缩小最接近的较大寻找区间。
6.根据权利要求5所述的装置,特征在于将所述区域设置成绝对值相等的每个寻找区间。
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