CN1835404A - 分段线性的模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分段线性的模数转换器。其结构包括模数量化器，以及与其连接的编码电路，所述的模数量化器采用非均匀的量化等级对输入的模拟信号进行模数转换处理。本发明由于可以对输入的模拟信号根据非均匀量化等级的原理产生代表模拟信号的数字信号；而且，模数转换器中的量化器在不同区域有着不同的分辨率。因此，本发明对人眼感兴趣的模拟信号范围，或者是光场、声场、温场等环境中模拟信号发生频繁的地方，可以根据具体环境和具体观察对象不同动态调节参考电压值，以获得较佳的应用效果。同时，本发明还可以实现当一个输入信号幅度较低的情况下，模数转换器具有放大的功能，在幅度较高的情况下，模数转换器具有压缩的功能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子集成电路设计技术领域，尤其涉及一种分段线性的模数转换器。
背景技术
在实际的电子电路应用过程中，大多数的信号，如语音、视觉等都是模拟信号，为便于信号处理，往往需要将模拟信号转变为数字信号。用于实现这一处理过程的器件就是模数转换器。
根据对信号的采样率和信号基带宽度间的不同关系及实现量化的原理不同，可以将常用的模数转化器分为两类，具体为：奈奎斯特率转换器和过采样率转换器。
为了避免信号的失真和弯曲，模数转换器一般基于线性原理进行转换。但在现实生活中，处理完的信号最终接受者是人的感官。例如，人的眼睛对光的响应是分段线性，其动态范围和灵敏度非常高，因此已经存在的基于线性转换原理的模数转换器不能很好的适应人的感觉。
如图1所示，实线2是基于线性转换原理的图像传感器的响应曲线，主要由两个区域构成：(1)线性区2a；(2)饱和区2b。当光的强度较低时，图像传感器工作在线性区2a，输出的信号随光的强度增强而增强。当光的强度较高时，图像传感器将饱和，此时，图像传感器工作在饱和区2b，即不管输入光强度怎样变化将输出相同的电压。
而实际上，人眼的响应曲线为如图1中的虚线1所示，近似为对数式响应特性。因此，图1中的实线表示的光电特性并不是一种理想的模数转换特性曲线，即相应的模数转换器如果应用于图像传感器上，将无法满足要求。
基于上述分析，在设计图像传感器时，可以优化光电转换特性尽量接近人眼对光的响应特性，即实现分段线性转换关系。在目前的实际应用中，分段线性模数转换器一般用分段线性来逐步逼近分段线性关系。但是，人与人的眼睛的响应特性曲线区别很大，即人眼最敏感的点不一样，而逐次逼近模数转换器不能根据具体人眼睛的响应特性曲线灵活调节分段线性量，因此，也就无法很好地满足应用要求。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种分段线性模数转换器，可以根据具体环境具体对象自动调节的高速分段线性量，以获得理想的应用效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种分段线性的模数转换器，其结构包括：模数量化器，以及与其连接的编码电路，所述的模数量化器采用非均匀的量化等级对输入的模拟信号进行模数转换处理。
所述的模数量化器包括电阻串，所述的电阻串包含的各个相邻电阻间节点的电压值呈非均匀变化状态。
所述的电阻串包含的各个电阻的电阻值不完全相同。
所述的电阻串与电流源连接，并由电流源供应电流。
所述的电阻串包含的各个相邻电阻间节点的电压值可以通过对电阻串引入的参考电压及所述电流源的调整发生改变。
所述的模数量化器包括一个电阻串和对应的一组比较器组成，比较器的两个输入端分别引入电阻串中各相邻电阻节点间的参考电压值，以及待转换处理的模拟信号。
所述的模数量化器包括非线性电阻串、精量化电阻串、粗量化模数转换器及精量化模数转换器，所述的非线性电阻串和精量化电阻串分别为粗量化模数转换器和精量化模数转换器提供参考电压，所述的粗量化模数转换器和精量化模数转换器分别根据相应的参考电压对输入的待转换的模拟信号进行低分辨率和高分辨率的模数转换处理，并分别获得数字信号的高位和低位。
所述的粗量化模数转换器还通过一个数模转换器输出模拟信号，所述的待转换的模拟信号与该输出模拟信号经过减法器相减处理后输入精量化模数转换器处理，获得数字信号的低位。
所述的非线性电阻串的区间电阻值各不相同，所述的精量化电阻串的各个电阻的电阻值相同。
所述的粗量化模数转换器和精量化模数转换器的输出还通过逻辑纠错和编码电路输出经模数转换处理后的数字信号。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明由于可以对输入的模拟信号根据非均匀量化等级的原理产生代表模拟信号的数字信号；而且，模数转换器中的量化器在不同区域有着不同的分辨率，在模拟信号发生更频繁的地方有着高的分辨率，在输入的模拟信号的幅度发生不频繁的地方分辨率较低。因此，本发明对人眼感兴趣的模拟信号范围，或者是光场、声场、温场等环境中模拟信号发生频繁的地方，可以根据具体环境和具体观察对象不同动态调节参考电压值，从而可以获得较佳的应用效果。
另外，本发明中，当一个输入信号幅度较低的情况下，模数转换器具有放大的功能，在幅度较高的情况下，模数转换器具有压缩的功能，从而使得模数转换器的功能更为强大。
附图说明
图1为图像传感器和人眼睛的响应曲线示意图；
图2为量化参考曲线和量化曲线示意图；
图3为本发明所述的模数转换器的结构示意图1；
图4为本发明所述的模数转换器的结构示意图2；
图5为本发明所述的模数转换器的电阻串取值的示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提出一种可以根据具体环境、具体对象自动调节的高速分段线性量化参考电平，从而调整针对不同信号的高分辨率量化点的分段线性的模数转换器。本发明可以应用于CMOS图像传感器、温度传感器以及助听传感器等电路中。
本发明的目的在于提供一种宽动态范围根据具体人眼来调节的模数转换器量化原理和实现方法。执行模数转换器功能时，将像素的光电转换特性分段线性化，近似于人眼睛的对数式响应特性。
为了达到宽动态范围，使得模数转换器应用于图像传感器后，可以在低亮度情况下和高亮度的背景下依然能呈现图像，并在人眼睛感兴趣的场景高分辨率量化，高分辨率量化点可以根据不同场景来调节以适应人的感觉。则模数转换器需要满足图2所示的量化特性曲线。
在图2中，左侧的220曲线是模数转换器的参考电平，相邻两电平之差呈非均匀分布，从201到203区间逐渐降低，从204到205区间逐渐增大，在200点左右的量化等级差最小。图2所示的特性曲线可以在人眼感兴趣的模拟信号范围内高分辨率量化(200点附近)，在不感兴趣的范围内(201和202区间)低分辨率量化，同时在一个信号幅度较低的情况下放大，在幅度较高的情况下压缩。特别是高分辨率量化点(200)可以随着输入信号变化而变化。量化参考电平的区间可以根据具体的设计要求来调节，可以是5个区域，甚至更多或更少(如图2中的粗虚线所示)；高分辨率量化点也是根据具体的设计要求来调节。
为便于对本发明有进一步的理解，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细的描述。
首先，实现上述曲线的模数转换器最直接的电路结构是全并行ADC(模数转换器)结构。具体可以通过设计合适的电阻阶梯形成的参考电压实现上述曲线，具体的实现方式参考图3所示。
在图3中，实现量化原理的量化器4(即本发明提供的模数转换器)包括一个实现分段线性量化的模数量化器302和一个温度计码转化为二进制码的转化器304。
所述的模数量化器302包括一个多个电阻构成电阻串301，电阻串301用来实现非均匀分布的模数转换器的参考电平，电阻的取值由需要设计的曲线决定，各电阻的电阻值不完全相同。图中的参考电平310用来实现钳位人眼感兴趣的模拟信号范围内高分辨率量化点200(参见图2中)。
在图3中，电阻串301由电流源306给其供应电流，以便于可以通过电流源306的调整，以及参考电平310的调整，从而调整由电阻串输出给比较器303的参考电压值，进而调整对模拟信号的高分辨率量化点。
端口300用来输入模拟信号。比较器303的用来比较输入信号300与电阻串301产生的参考电平，其中一个输入端口接模拟输入信号300，一个输入端口接对应的参考电阻产生的电平，比较器303的输出按以下原则工作：当输入的电压信号低于参考电压输出逻辑“0”，当输入的电压信号大于参考电压输出逻辑“1”。
比较器303输出数字温度计码(Dn+2DN+1...D1)后输入到编码电路304。编码电路304在时钟信号307的边沿触发下将模数转换器302产生的温度计码转变为Kbit的二进制码305输出。编码电路304中包括普通的逻辑纠错电路、冒泡选择电路以及编码电路，其功能是将模数量化器302输出的温度计码进行纠错、编码、输出需要的码制。
可以看出，模数量化器302的拓扑结构类似于传统的基于线性转换原理的全并行的模数转换器，不同点在于：
传统的全并行的模数转换器的电压分压器有着相同的电阻值，分压器产生的参考电压V1-V255是均匀的分布在[-VREF，+VREF]内，输入信号和比较器产生的温度计码，以及温度计码转换为二进制码是呈线性关系分布；
而本发明提供的模数量化器302的电压分压器301的电阻值并不完全相同，因此产生的参考电压(V1、V2、V3......)是非均匀分布，且产生的参考电平可以根据参考电平310进行上下浮动，温度计码和输入信号之间是分段线性映射分布。
本发明还提供了另一种用来实现上述曲线的模数转换器的电路结构，具体为基于现有的两步法模数转换器电路结构实现，实现方式如图4所示。
在图4中，中实现量化原理的量化器(即模数转换器)包括一个模数量化器400和一个温度计码转化为二进制码的转化器407。模数量化器400中嵌入了一个实现发明的分段线性量化方法的Nbit粗量化模数转换器402和一个传统的全并行的Mbit精量化模数转换器。
模拟输入信号由401端口输入，首先送入Nbit粗量化模数转换器402，Nbit粗量化模数转换器用来选择分段，其输出的数字信号构成最终输出信号的高位。其中，Nbit粗量化模数转换器参考电平由电阻串403中的分段线性电阻串404供给来实现分段线性量化。
Nbit粗量化模数转换器402的输出的数字信号经过Nbit数模转换器转变为模拟信号输入到减法器409，减法器的另一路输入由输入端口401输入，减法器的功能是将输入信号和Nbit数模转换器输出信号之差输入到Mbit精量化模数转换器406中，精量化模数转换器406输出的数字信号构成最终输出数字信号的低位。
Nbit粗量化模数转换器402和Mbit精量化模数转换器406两者的输出最终输出给逻辑纠错编码电路407，逻辑纠错编码电路407输出M+N位数字信号408，从而获得经模数转换处理后的数字信号。
在图4所示的模数转换器中，关键是电阻串的结构，图5给出了电阻串403取值的示意图，电阻串403包括非线性电阻串404和精量化电阻串405，其中，非线性电阻串404用于给Nbit粗量化数模转换器提供参考电压，精量化电阻串405用于给Mbit精量化数模转换器提供参考电压。在图5中，曲线501是Nbit粗量化模数转换器的电阻的取值，即非线性电阻串404的取值，取值的特点是整个区间的电阻值不一样，对应的曲线的斜率也将不一样，即所在每一个段内采用不同电阻，其中400点是分辨率最高的点，该点附近的模拟信号出现的几率最高。而在每一段内的电阻相同，即精量化电阻串405的各个电阻相同，也就是说Mbit精量化模数转换器406的电阻的参考电平每段内是线性的，从而实现2M个线性量化等级502。
本发明特别适用于模拟信号幅度有着非均匀的分布，且要求动态范围非常宽的场合，如光场、声场、温场等等。
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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。
Claims (10)
1、一种分段线性的模数转换器，其结构包括：模数量化器，以及与其连接的编码电路，其特征在于，所述的模数量化器采用非均匀的量化等级对输入的模拟信号进行模数转换处理。
2、根据权利要求1所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的模数量化器包括电阻串，所述的电阻串包含的各个相邻电阻间节点的电压值呈非均匀变化状态。
3、根据权利要求2所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的电阻串包含的各个电阻的电阻值不完全相同。
4、根据权利要求2所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的电阻串与电流源连接，并由电流源供应电流。
5、根据权利要求4所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的电阻串包含的各个相邻电阻间节点的电压值可以通过对电阻串引入的参考电压及所述电流源的调整发生改变。
6、根据权利要求1至5任一项所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的模数量化器包括一个电阻串和对应的一组比较器组成，比较器的两个输入端分别引入电阻串中各相邻电阻节点间的参考电压值，以及待转换处理的模拟信号。
7、根据权利要求1至5任一项所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的模数量化器包括非线性电阻串、精量化电阻串、粗量化模数转换器及精量化模数转换器，所述的非线性电阻串和精量化电阻串分别为粗量化模数转换器和精量化模数转换器提供参考电压，所述的粗量化模数转换器和精量化模数转换器分别根据相应的参考电压对输入的待转换的模拟信号进行低分辨率和高分辨率的模数转换处理，并分别获得数字信号的高位和低位。
8、根据权利要求7所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的粗量化模数转换器还通过一个数模转换器输出模拟信号，所述的待转换的模拟信号与该输出模拟信号经过减法器相减处理后输入精量化模数转换器处理，获得数字信号的低位。
9、根据权利要求7所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的非线性电阻串的区间电阻值各不相同，所述的精量化电阻串的各个电阻的电阻值相同。
10、根据权利要求1至5任一项所述的分段线性的模数转换器，其特征在于，所述的粗量化模数转换器和精量化模数转换器的输出还通过逻辑纠错和编码电路输出经模数转换处理后的数字信号。
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