CN1322062B - ∑δ型模拟·数字变换器 - Google Patents
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Abstract
一种∑δ型模拟·数字变换器，为实现单极模拟信号输入范围，设置有具有输入电容器的模拟输入脉冲取样电路和电荷传送电路，和具有积分电容器的积分器和电压比较器，和为在D触发电路上，将与进行了脉冲取样的模拟输入电压不同的加法运算电压或减法运算电压对应于延迟电压比较器输出，有选择地进行加法运算的参照电压脉冲取样电路。参照电压脉冲取样电路具有相互不同电容值的减法运算电容器和加法运算电容器。
Description
技术领域
本发明涉及一种将模拟电压变换成数字值的模拟·数字变换器(ADC)，特别是涉及利用开关电容电路的∑δ型的ADC。
背景技术
美国专利第6,037,887号公开了具有程控增益的∑δ型的ADC。但是，该ADC具有双向的模拟信号输入范围，即，具有对信号地电位对称的模拟输入信号范围(例如-10～+10V)。
在各种计量应用中，需要具有单极模拟信号输入范围(例如0～+10V)的ADC变换器。但是，以往的∑δ型的ADC不能适应这个要求，所以双向信号输入范围有一半是没有用的。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有单极模拟信号输入范围的∑δ型的ADC。
本发明的∑δ型的ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，采用了具有与输入时钟信号同步并对模拟输入电压进行取样的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据该选择的加法运算所得电压进行积分的积分器，和将根据该积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将该电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于该延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件的结构。
根据本发明，提出了一种∑δ型的ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及所述加减法运算部件具有：具有与所述输入电容器输出端连接的输出端的减法运算电容器；和具有与所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述减法运算电容器不同电容值的加法运算电容器；和当所述延迟部件输出为“1”时，在所述脉冲取样期间，使比所述偏压低的反馈参照电压、而在所述电荷传送期间，使所述偏压分别与所述减法运算电容器的输入端连接的减法运算开关电路；和当所述延迟部件输出为“0”时，在所述脉冲取样期间，使所述偏压、而在所述电荷传送期间，使与所述反馈参照电压相同的电压分别与所述加法运算电容器的输入端连接的加法运算开关电路。
根据本发明，还提出了一种∑δ型的ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及所述加减法运算部件具有：具有与各个所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述输入电容器同样的电容值的减法运算电容器和加法运算电容器；和当所述延迟部件输出为“1”时，在所述脉冲取样期间，使比所述偏压低的第1反馈参照电压、而在所述电荷传送期间，使所述偏压分别与所述减法运算电容器的输入端连接的减法运算开关电路；当所述延迟部件输出为“0”时，在所述脉冲取样期间，使所述偏压、而在所述电荷传送期间，使比所述偏压低并且与所述第1反馈参照电压不同的第2反馈参照电压分别与所述加法运算电容器的输入端连接的加法运算开关电路。
根据本发明，还提出了一种∑δ型的ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及所述加减法运算部件具有：具有与所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述输入电容器同样的电容值的加减法运算电容器；和在所述脉冲取样期间，使所述偏压与所述加减法运算电容器的输入端连接，同时在所述电荷传送期间，如果所述延迟部件输出为“1”，使比所述偏压高的第3反馈参照电压、而如果所述延迟部件输出为“0”，则使比所述偏压低的第4反馈参照电压分别与所述加减法运算电容器的输入端连接的加减法运算开关电路；所述第3反馈参照电压和所述偏压的电位差，被设定为与所述偏压和第4反馈参照电压的电位差不同。
根据本发明，还提出了一种血糖计，具有如前所述的∑δ型ADC，和向所述∑δ型ADC供给模拟信号输入电压的放大器，和将沿单方向流动的传感器电流，供给所述放大器的输入端的血糖值传感器。
附图说明
下面，对附图进行简单说明。
图1是作为本发明的∑δ型的ADC一个应用例的血糖计的结构框图。
图2出示了图1中∑δ型的ADC中的模拟输入电压的变动例。
图3为图1中∑δ型的ADC的实施例1的电路图。
图4A～图4F为图3中各种控制时钟信号波形的脉冲波形图。
图5A～图5E为图3中各种电压波形的脉冲波形图。
图6为图1中∑δ型的ADC的实施例2的电路图。
图7为图1中∑δ型的ADC的实施例3的电路图。
具体实施方式
图1是作为本发明的∑δ型的ADC一个应用例的血糖计的结构图。图1的血糖计是为了测定由血液中糖分浓度引起的电流值，而具有血糖值传感器1，和开关2，和运算放大器3，和反馈电阻Rf，和∑δ型的ADC4。运算放大器3的反相输入端子与血糖值传感器1的一个端子连接，而运算放大器3的非反相输入端子与偏压Vb连接。反馈电阻Rf连接在运算放大器3的输出端子和其反相输入端子之间。血糖值传感器1的另一个端子通过开关2接在比偏压Vb低的传感器电压Vs(-)上。
根据图1的结构，运算放大器3的输入阻抗非常大，其两输入端子间的电位差通常为0V。当开关2接通时，偏压Vb与传感器电压Vs(-)的电位差施加在血糖值传感器1上，结果对应附着血液的一方向的传感器电流Is流向血糖值传感器1。所以，运算放大器3的输出电压为Vb+Rf·Is，该电压给予∑δ型的ADC4模拟输入电压Vin。在这里，通常Vin＞Vb。∑δ型的ADC4与输入时钟信号CKin同步动作，把模拟输入电压Vin高精度地变换成数字输出信号Dout。
图2出示了图1中∑δ型的ADC4中的模拟输入电压Vin的变动例。在这里，将偏压Vb设为1.00V，并且模拟输入电压Vin通常的变动幅度是从1.00V到1.50V。但是，∑δ型的ADC4模拟输入信号范围要有一点余量，是从0.75V到1.75V。即，图1中∑δ型的ADC4具有相对于偏压Vb(＝1.00V)的非对称模拟输入信号范围。所以，1.25V的输入电压相当于数字输出Dout的中央值。后述的减法运算电压(ΔVP)为0.75V，同样，后述的加法运算电压(ΔVM)为0.25V。
图3出示了图1中∑δ型的ADC4的实施例1。图3的∑δ型的ADC4具有模拟输入信号脉冲取样电路10，和电荷传送电路20，和积分器30，和电压比较器40，和D触发电路50，和开关控制器60，和参照电压脉冲取样电路70，和数字滤波器80。其中，分别地模拟输入信号脉冲取样电路10由输入电容器Cin和2个开关11、12，而电荷传送电路20由2个开关21、22，而积分器30由运算放大器31和积分电容器Cint，而参照电压脉冲取样电路70由减法运算电容器Cp和加法运算电容器Cm以及4个开关71、72、73、74构成。输入电容器Cin和减法运算电容器Cp以及加法运算电容器Cm的各个输出端相互连接，形成加法运算点。电容量比Cin∶Cp∶Cm，例如为2∶3∶1。积分电容器Cint连接在运算放大器31的反相输入端子和其输出端子之间，该运算放大器31的非反相输入端子与偏压Vb连接。电压比较器40，其非反相输入端子接收积分器30的输出信号，而其反相输入端子接收偏压Vb。Dc是电压比较器的输出，而Dcd是延迟电压比较器的输出(延迟量为Ckin的1个时钟周期)，ф1、ф2、фPA、фPB、фMA、фMB为开关控制器60提供的控制时钟信号。Vr(-)是比偏压Vb低的反馈参照电压；ΔVP是储存在减法运算电容器Cp中的减法运算电压；ΔVM是储存在加法运算电容器Cm中的加法运算电压；V1是进行了脉冲取样的模拟输入电压；V2是加法运算点的电压；V3是积分输出电压。
图4A～图4F出示了图3中各种控制时钟信号波形。开关11、21对应于图4A中的ф1，开关12、22对应于图4B中的ф2，它们分别被控制在开或关的状态。把ф1为“1”的期间称为“脉冲取样期间”，把ф2为“1”的期间称为“电荷传送期间”。在脉冲取样期间，模拟输入电压Vin通过开关11与输入电容器Cin的输入端连接，并且该输入电容器Cin的输出端通过开关21与偏压Vb连接。其结果，输入电容器Cin被充电，其端子间的电压为Vin-Vb。而且，在电荷传送期间，偏压Vb通过开关12与输入电容器Cin的输入端连接，并且该输入电容器Cin的输出端通过开关22与运算放大器31的反相输入端子连接。
Dcd＝“1”时，如图4C和图4D所示，开关控制器60将与ф1相等的фPA、与ф2相等的фPB供给参照电压脉冲取样电路70。所以，在脉冲取样期间，反馈参照电压Vr(-)通过开关71、在电荷传送期间，偏压Vb通过开关72分别与减法运算电容器Cp连接。另外，在脉冲取样期间，开关21、在电荷传送期间，开关22分别处于“开”状态。其结果，在脉冲取样期间，在减法运算电容器Cp上储存的电压ΔVP，在电荷传送期间，该电压ΔVP被加到输入电容器Cin的电压上作加法运算，并供给积分器30，对积分电容器Cint充电。
另一方面，Dcd＝“0”时，如图4E和图4F所示，开关控制器60将与ф2相等的фMA、与ф1相等的фMB供给参照电压电路70。所以，在脉冲取样期间，偏压Vb通过开关74、在电荷传送期间，反馈参照电压Vr(-)通过开关73分别与加法运算电容器Cm的输入端连接。另外，在脉冲取样期间，开关21、在电荷传送期间，开关22分别处于开状态。其结果，在脉冲取样期间，加法运算电容器Cm处于放电状态。所以，在电荷传送期间，在加法运算电容器Cm上储存的电压ΔVM，该电压ΔVM被加到输入电容器Cin的电压上作加法运算并供给积分器30，对积分电容器Cint充电。
在这里，由于在电容器Cp上储存的电压ΔVP和在电容器Cm上储存的电压ΔVM相互极性相反，所以，ΔVP称为减法运算电压，而ΔVM称为加法运算电压。而且，如图2所示，减法运算电压ΔVP与加法运算电压ΔVM大小不同。而且，根据图2中的模拟信号输入范围，当Vin＝1.75V的时候，设Dc的全部二进制位为“1”，而当Vin＝0.75V的时候，设Dc的全部二进制位为“0”。而且，当Vin＝1.25V的时候，作为Dc，其二进制位“0”和“1”是以1∶1的比例进行输出。
图5A～图5E出示了Vin＝1.50V时图3中各种电压的波形。这时，Dc的二进制位“0”和“1”的是按1∶3的比例进行输出。
如上所述，根据图3的构成，由于将被脉冲取样的输入电压以相互不同的减法运算电压ΔVP和加法运算电压ΔVM有选择地进行加法运算，所以能够实现具有单极模拟输入信号范围的∑δ型的ADC。
图6出示了图1中∑δ型ADC4的实施例2。与图3不同的是参照电压脉冲取样电路70a。即，图6的构成是使减法运算电压ΔVP与加法运算电压ΔVM的不同不是通过电容值，而是通过电压值产生的，输入电容器Cin和加法运算电容器Cp以及减法运算电容器Cm相互具有同样的电容值。控制时钟信号ф1、ф2、фPA、фPB、фMA、фMB的波形如图4A～图4F所示。
具体地说明就是当Dcd＝“1”时，在脉冲取样期间，比偏压Vb低的第1反馈参照电压Vr1(-)通过开关71、在电荷传送期间，偏压Vb通过开关72分别与减法运算电容器Cp连接。另外，当Dcd＝“0”时，在脉冲取样期间，偏压Vb通过开关74，在电荷传送期间，比偏压Vb低并且与第1反馈参照电压Vr1(-)不同的第2反馈参照电压Vr2(-)通过开关73分别与加法运算电容器Cm连接。
所以，根据图6的构成，也能够对被脉冲取样的输入电压以相互不同的减法运算电压ΔVP和加法运算电压ΔVM有选择地进行加法运算。但是，根据图6的构成，能够将模拟信号输入脉冲取样电路10与参照电压信号脉冲取样电路70a设计成同样的电容值，电路布置就变得简单。
图7出示了图1中∑δ型ADC4的实施例3。与图6不同的是开关控制电路60a和参照电压脉冲取样电路70b。即，在图7的构成中的参照电压信号脉冲取样电路70b中，导入了为有选择地储存减法运算电压ΔVP或加法运算电压ΔVM的单一加减法运算电容器Cpm，并且开关的个数减至为3个。输入电容器Cin和加减法运算电容器Cpm具有同样的电容值。ф1、ф2、фXA、фYA、ΦB是开关控制器60a供给的控制时钟信号。该控制时钟信号的波形是图4A～图4F的括号中所示符号的波形。
具体地说就是在脉冲取样期间，不仅是Dcd的值，而且偏压Vb也通过开关72与加减法运算电容器Cpm的输入端连接。另外，在电荷输送期间，如果Dcd＝“1”，比偏压Vb高的第3反馈参照电压Vr3(+)通过开关71、如果Dcd＝“0”，比偏压Vb低的第4反馈参照电压Vr4(-)通过开关73分别与加减法运算电容器Cpm的输入端连接。在这里，第3反馈参照电压Vr3(+)和偏压Vb的电位差设定为与偏压Vb和第4反馈参照电压Vr4(-)的电位差不同。
所以，根据图7的构成，也能够对被脉冲取样的输入电压，用相互不同的减法运算电压ΔVP和加法运算电压ΔVM有选择地进行加法运算。而且根据图7的构成，与图6相比能够减少电容器数量和开关数量。
在上述各实施例中的∑δ型ADC4，设Vb＝1.00V，并且通常设Vin＞Vb，实现了正的单极输入范围(从0.75V到1.75V)。但是偏压Vb是任意的。而且，本发明也能适用于通常Vin＜Vb时，具有负单极输入范围的∑δ型ADC。
而且，作为本发明的∑δ型ADC其他应用例，还能够用于胆固醇计等化学反应测量计，和将通过光电二极管的单方向流动的模拟电流变换成数字值的ADC。
Claims (10)
1.一种∑δ型的模拟数字变换器ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；
其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及
所述加减法运算部件具有：具有与所述输入电容器输出端连接的输出端的减法运算电容器；和具有与所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述减法运算电容器不同电容值的加法运算电容器；和当所述延迟部件输出为“1”时，在所述脉冲取样期间，使比所述偏压低的反馈参照电压、而在所述电荷传送期间，使所述偏压分别与所述减法运算电容器的输入端连接的减法运算开关电路；和当所述延迟部件输出为“0”时，在所述脉冲取样期间，使所述偏压、而在所述电荷传送期间，使与所述反馈参照电压相同的电压分别与所述加法运算电容器的输入端连接的加法运算开关电路。
2.按照权利要求1所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述积分器具有：具有接受通过所述选择的加法运算而得到的电压的反相输入端子和与所述偏压连接的非反相输入端子的运算放大器；和接在所述运算放大器的反相输入端子和所述运算放大器的输出端子之间的积分电容器。
3.按照权利要求1所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述延迟部件由D触发电路构成。
4.一种∑δ型的模拟数字变换器ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；
其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及
所述加减法运算部件具有：具有与所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述输入电容器同样的电容值的减法运算电容器和加法运算电容器；和当所述延迟部件输出为“1”时，在所述脉冲取样期间，使比所述偏压低的第1反馈参照电压、而在所述电荷传送期间，使所述偏压分别与所述减法运算电容器的输入端连接的减法运算开关电路；当所述延迟部件输出为“0”时，在所述脉冲取样期间，使所述偏压、而在所述电荷传送期间，使比所述偏压低并且与所述第1反馈参照电压不同的第2反馈参照电压分别与所述加法运算电容器的输入端连接的加法运算开关电路。
5.按照权利要求4所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述积分器具有：具有接受通过所述选择的加法运算而得到的电压的反相输入端子和与所述偏压连接的非反相输入端子的运算放大器；和接在所述运算放大器的反相输入端子和所述运算放大器的输出端子之间的积分电容器。
6.按照权利要求4所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述延迟部件由D触发电路构成。
7.一种∑δ型的模拟数字变换器ADC，是对于某一偏压具有非对称模拟信号输入范围的∑δ型的ADC，其特征在于，具有与输入时钟信号同步并将模拟输入电压变为脉冲取样信号的脉冲取样部件，和在进行了所述脉冲取样的电压上将相互不同的减法运算电压或加法运算电压有选择地进行加法运算的加减法运算部件，和将根据所述选择的加法运算得到的电压进行积分的积分器，和将根据所述积分所得到的电压与所述偏压比较的电压比较器，和将所述电压比较器的输出信号只延迟所述输入时钟信号的1个时钟周期的延迟部件，和对应于所述延迟部件的输出信号在所述加减法运算部件中控制选择减法运算电压或加法运算电压的控制部件；
其中，所述脉冲取样部件具有：输入电容器；和在脉冲取样期间，使所述模拟输入电压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述偏压连接，同时在电荷传送期间，使所述偏压与所述输入电容器的输入端连接，并使所述输入电容器的输出端与所述积分器连接的开关电路；以及
所述加减法运算部件具有：具有与所述输入电容器输出端连接的输出端，并且具有与所述输入电容器同样的电容值的加减法运算电容器；和在所述脉冲取样期间，使所述偏压与所述加减法运算电容器的输入端连接，同时在所述电荷传送期间，如果所述延迟部件输出为“1”，使比所述偏压高的第3反馈参照电压、而如果所述延迟部件输出为“0”，则使比所述偏压低的第4反馈参照电压分别与所述加减法运算电容器的输入端连接的加减法运算开关电路；所述第3反馈参照电压和所述偏压的电位差，被设定为与所述偏压和第4反馈参照电压的电位差不同。
8.按照权利要求7所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述积分器具有：具有接受通过所述选择的加法运算而得到的电压的反相输入端子和与所述偏压连接的非反相输入端子的运算放大器；和接在所述运算放大器的反相输入端子和所述运算放大器的输出端子之间的积分电容器。
9.按照权利要求7所述的∑δ型的模拟数字变换器ADC，其特征在于，所述延迟部件由D触发电路构成。
10.一种血糖计，其特征在于，具有权利要求1到9中任一个所述的∑δ型模拟数字变换器ADC，和向所述∑δ型ADC供给模拟信号输入电压的放大器，和将沿单方向流动的传感器电流，供给所述放大器的输入端的血糖值传感器。
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