CN201639647U - 一种模数转换电路及图像处理系统 - Google Patents

Abstract

一种模数转换电路及图像处理系统，电路包括：开关模块、开关电容积分器、量化器、数字滤波器、反馈模块及开关时序控制模块；图像信号、反馈模块与开关模块连接；开关模块与开关电容积分器连接；开关电容积分器与量化器连接；量化器与数字滤波器和反馈模块连接；开关时序控制模块与开关模块和开关电容积分器连接；参考电压与开关电容积分器和量化器连接。还包括利用上述电路实现的图像处理系统。该电路采用过采样模数转换技术分别转换像素点的重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)为数字信号，并在数字模块部分进行两数字信号相减得到高精度数字信号，解决现有模数转换电路输出信号精度不高的技术问题。

Description

一种模数转换电路及图像处理系统

技术领域

本实用新型属于图像信号处理领域，尤其涉及一种模数转换电路及图像处理系统。

背景技术

随着CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)像素阵列的规模越来越大，像素点的尺寸不断缩小，像素点的感光区域也会变小，传感器的灵敏度和信噪比都在不断下降；传统的模数转换电路难以满足大像素阵列对于高精度的要求；因此，基于过采样模数转换技术的模数转换电路产生了，该过采样模数转换电路一个过采样周期分成四个过采样时段，分别为：第一过采样时段、第二过采样时段、第三过采样时段、第四过采样时段。

现有的模数转换电路一般是逐行逐个分别对像素点的重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)进行双采样，再将重置电压和信号电压模拟值差分放大，最后经过模数转换器(ADC)转换成光亮度值的数字信号，不利于CMOS图像传感器中模数转换电路输出信号精度的提高。

实用新型内容

本实用新型为解决现有模数转换电路输出信号精度不高的技术问题，提供一种输出高精度数字信号的模数转换电路。

一种模数转换电路，该模数转换电路包括：开关模块、开关电容积分器、量化器、数字滤波器、反馈模块及开关时序控制模块；

图像信号、反馈模块与开关模块连接；开关模块与开关电容积分器连接；开关电容积分器与量化器连接；量化器与数字滤波器和反馈模块连接；开关时序控制模块与开关模块和开关电容积分器连接；参考电压与开关电容积分器和量化器连接。

本实用新型的另一目的还在于提供一种采用上述模数转换电路实现的图像处理系统，该图像处理系统包括：图像像素阵列、模数转换电路组、存储器；

所述模数转换电路组为n个模数转换电路组成，n为图像像素阵列的列数；

所述图像像素阵列每列输出的模拟信号输入到一个模数转换电路中；

n个模数转换电路输出的数字信号输入到存储器中。

本实用新型的模数转换电路采用过采样模数转换技术，分别转换重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)为数字信号，并在数字模块部分再进行两数字信号的精确相减得到高精度光信号，有效地提高了输出数字信号的精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的模数转换电路的原理图；

图2是本实用新型实施例提供的模数转换电路的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的模数转换电路的波形图；

图4是本实用新型实施例提供的图像处理系统的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种模数转换电路的原理图，如图1所示，该模数转换电路包括：开关模块14、开关电容积分器11、量化器12、数字滤波器13、反馈模块15及开关时序控制模块16；图像信号、反馈模块15与开关模块14连接；开关模块14与开关电容积分器11连接；开关电容积分器11与量化器12连接；量化器12与数字滤波器13和反馈模块15连接；开关时序控制模块16与开关模块14和开关电容积分器11连接；参考电压与开关电容积分器11和量化器12连接。

开关模块14用于选择图像信号和反馈量化信号输出给开关电容积分器11，开关电容积分器11用于对图像信号和反馈量化信号进行采样和积分，量化器12用于对积分信号进行量化，数字滤波器13用于对量化信号进行滤波，输出高精度的数字信号，反馈模块15用于对量化信号进行反馈，开关时序控制模块16用于对开关模块14和开关电容积分器11中的开关进行时序控制。

如图2所示，为模数转换电路的电路图，开关模块24包括第一开关S 1、第二开关S2。第一开关S1输入端与图像信号连接，第二开关S2输入端与反馈模块25连接，第一开关S1和第二开关S2输出端与开关电容积分器21连接；第一开关S1、第二开关S2的打开和闭合受开关时序控制，第一开关S1在第一过采样时段、第二过采样时段闭合，第二开关S2在第三过采样时段、第四过采样时段闭合。开关时序控制开关的波形如图3所示，在其工作原理部分将进一步详细描述开关时序控制电路工作过程。

开关电容积分器21包括第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第一电容C1、第二电容C2和运算放大器OP，该运算放大器OP具有第一正向输入端、第一反向输入端和第一输出端。

第三开关S3输入端连接上述第一开关S1和第二开关S2输出端；第三开关S3串联第一电容C1，第三开关S3与第一电容C1之间设有第一节点1；第一电容C1串联第六开关S6，第一电容C1与第六开关S6之间设有第二节点2；第六开关S6与第一正向输入端连接；参考电压与第一反向输入端连接；第一输出端与量化器22连接；第四开关S4连接在第一节点1与参考电压之间；第五开关S5连接在第二节点2与参考电压之间；第二电容C2连接在运算放大器OP的第一正向输入端与第一输出端之间；第七开关S7和第二电容C2并联。

第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7的打开和闭合受开关时序控制，第七开关S7在过采样开始前闭合，使第二电容C2复位，在过采样开始时断开；第三开关S3和第五开关S5在第一过采样时段闭合，对图像信号进行采样，在第三过采样时段闭合，对反馈信号进行采样；第四开关S4和第六开关S6在第二过采样时段闭合，对图像信号进行积分，在第四过采样时段闭合，对反馈信号进行积分。开关时序控制开关的波形如图3所示，在其工作原理部分将进一步详细描述开关时序控制电路工作过程。

量化器22为比较器CMP，具有第二正向输入端、第二反向输入端、第二输出端；第二正向输入端与上述第一输出端连接，第二反向输入端与参考电压连接，第二输出端与数字滤波器23和反馈模块25连接。比较器CMP用于比较积分输出信号和参考电压。

反馈模块25为反向器INV，具有第三输入端和第三输出端；第三输入端与第二输出端连接，第三输出端与第二开关S2连接。反相器INV用于对量化信号进行数模转换，并把信号反馈给第二开关S2的输入端，用于确定开关电容积分器21的积分方向。

在量化器22与数字滤波器23之间还设有第八开关S8，第八开关S8输入端与量化器22连接，输出端和数字滤波器23连接，第八开关S8的打开和闭合受开关时序控制，第八开关S8在整个过采样周期内一直闭合，开关时序控制开关的波形如图3所示，在其工作原理部分将进一步详细描述开关时序控制电路工作过程。

上述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8为CMOS模拟开关，CMOS模拟开关由PMOS管和NMOS管共同构成，具有低功耗的特点，便于节省电源。

如图3所示，该模数转换电路通过时序信号对第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8进行控制，模数转换电路才能不停的对输入图像信号及参考电压进行过采样，将CIS像素阵列输出的图像信号转换成数字信号输出。

上述第一电容C1、第二电容C2为金属电容，具有电性能优良、可靠性好、耐温度高、体积小、容量大和良好的自愈性能。

该模数转换电路工作过程如下：量化器22初始值为正时，开关电容积分器21向正向积分，当积分值小于参考电压时，得到二进制码0，经过反相器INV的一位数模转换，得到量化值还是正，开关电容积分器21继续向正向积分；直到积分值大于参考电压，得到二进制码1，经过反相器INV的一位模数转换，得到的量化值为负，开关电容积分器21向负方向积分。因此开关电容积分器21积累了输入图像信号和量化输出信号之差，并试图保持积分器输出值在参考电压附近波动，输出的一系列局部数字信号平均值代表了采样信号的局部平均值。过采样频率越大，数字信号局部平均值越逼近采样平均值。实际上单个像素点输出的图像信号是相对稳定的，这样过采样得到的数字信号就能很精确的表示输入信号的模拟值。

在过采样周期内，模数转换电路对像素点的图像信号不断采样和转换得到数字信号，像素点的图像信号包括重置电压(Reset Level)和信号电压(SignalLevel)。

CIS像素阵列输出信号经过一个过采样周期的采样转换，就得到了一个数字信号。真正有用的图像信号是重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)之差，这就需要两个过采样周期的采样和转换，前一个过采样周期将重置电压(Reset Level)转换成数字信号，后一个过采样周期将信号电压(Signal Level)转换成数字信号，并在数字模块实现重置电压(Reset Level)数字信号和信号电压(Signal Level)数字信号相减，得到反应一个像素单元光强度的数字信号。

过采样模数转换电路输出的数字信号，是经过噪声整形后的数字信号，大部分噪声被整形至高频。通过数字滤波器23滤掉信号的高频噪声，得到高精度数字信号。

图3示出了本实用新型实施例提供的模数转换电路的波形图，包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8的时序控制信号，第三节点3、第四节点4输出电压波形。现结合图2和图3详述模数转换电路的工作原理：

在过采样开始前，只有第七开关S7信号被置为高电平，第七开关S7导通使第二电容C2复位；其他时序控制信号都为低电平，电路不工作。

在第一过采样时段中，第一开关S1、第三开关S3、第五开关S5的时序控制信号被置为高电平，相对应的第一开关S1、第三开关S3、第五开关S5导通，图像信号被采样到第一电容C1中；同时第八开关S8的控制信号也被置为高电平，第八开关S8导通，准备输出数字信号；第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7的控制信号被置为低电平，对应的第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7断开。

第一过采样时段结束后，第一电容C1中实际储存的电压值为图像输入信号和参考电压之差。整个模数转换电路实现图像像素信号采样。

接下来进入第二过采样时段，此时，第一开关S1、第二开关S2、第七开关S7、第八开关S8的控制信号电平不变，第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6的控制信号电平反相，即第二开关S2、第三开关S3、第五开关S5、第七开关S7断开，第一开关S1、第四开关S4、第六开关S6、第八开关S8导通，开关电容积分器21开始积分。该时段实现对像素点图像信号采样值的积分，积分值和参考电压通过比较器CMP进行比较，输出量化数字信号通过第八开关S8传输到数字滤波器23。

同时数字信号控制反相器INV的反馈信号输出，确定下一过采样时段开关电容积分器21的积分方向。

接下来进入第三过采样时段，第七开关S7、第八开关S8的控制信号电平不变，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6的控制信号电平反相，即第一开关S1、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7断开，第二开关S2、第三开关S3、第五开关S5、第八开关S8导通，第一电容C1对反馈积分方向的量化积分值进行采样，为下一过采样时段的积分采样量化值。

接下来进入第四过采样时段，此时，第一开关S1、第二开关S2、第七开关S7、第八开关S8的控制信号电平保持不变，第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6的控制信号电平反向，即第一开关S1、第三开关S3、第五开关S5、第七开关S7断开，第二开关S2、第四开关S4、第六开关S6、第八开关S8导通，开关电容积分器21开始积分。该时段实现对反馈信号输入值的积分，积分值和参考电压通过比较器CMP进行比较，输出数字信号通过第八开关S8传输到数字滤波器23。

在过采样时段的同时数字滤波器23对量化数字信号进行数字滤波，量化数字信号通过第八开关S8输出到数字滤波器23，经过低通滤波和抽样滤波，得到高精度的数字信号。

图3中，第三节点3的信号是经过量化器22量化后的数字信号，从频域角度，第三节点3的数字信号是经过噪声整形后的信号，噪声被整形到高频部分。

第四节点4是对第三节点3的数字信号进行滤波后的信号，数字滤波器23是一个低通抽样数字滤波器，第三节点3的数字信号经过滤波后，高频噪声被抑制，得到的数字信号为精度很高的数字信号。

此后的过采样时钟周期内不停重复第一过采样时段至第四过采样时段，分别实现图像信号及量化积分值的采样积分和比较输出数字信号。经过过采样时段的高频工作，得到的数字信号局部平均值是围绕参考电压值上下波动的，过采样时段结束后，电路停止工作。

经过一个过采样时钟周期，CIS像素阵列完成了一个像素单元重置电压(Reset Level)的模数转换；再经过一个过采样时钟周期，CIS像素阵列完成了该像素单元信号电压(Signal Level)的模数转换；经过两个过采样时钟周期的转换得到CIS像素阵列一个像素点的重置电压(Reset Level)和信号电压(SignalLevel)的数字信号，利用数字模块对重置电压(Reset Level)数字信号和信号电压(Signal Level)数字信号相减得到该行的数字信号，后续经过存储单元的写操作，可以读取任意行的转换结果。

该模数转换电路采用过采样模数转换技术，从时域角度，该模数转换电路分别转换模拟的重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)为数字信号，再通过数字滤波器23的滤波处理，减小了输出数字信号噪声，再进行两数字信号精确相减得到高精度光信号，提高了输出数字信号精度。

在频域角度，过采样模数转换技术采用高频率时钟采样，高频采样能把噪声能量向高频扩展，减少了低频部分噪声能量，同时通过数字滤波器23衰减高频噪声，限制输入信号带宽，抑制带外的杂散信号和电路噪声，提高了输出数字信号的精度。

另外，本电路中的滤波器为数字滤波器23，与模拟滤波器相比，数字滤波器23有着模拟滤波器无法比拟的优点，如高精度、高信噪比、高可靠性，最重要的是数字滤波器23的面积能随着工艺和低电源的发展逐渐减小。

上述实施例提供的模数转换电路主要应用于图像处理系统中，如图4所示，该图像处理系统包括图像像素阵列41、模数转换电路组42、存储器43。

图像像素阵列41采集图像信号，将光信号转变成电信号，模数转换电路组42将图像像素阵列输出的模拟电信号转换成数字信号，存储器43将数字信号进行存储，以便其他数字处理电路对数字信号进行处理。

所述模数转换电路组42为n个模数转换电路组成，n为图像像素阵列的列数；上述图像像素阵列41中每列输出的图像模拟信号输入到一个模数转换电路中；n个模数转换电路输出的数字信号都输入到存储器43中进行存储，用于后面的数字图像处理及输出；用多个模数转换电路对图像像素阵列41的图像模拟信号进行处理的技术为列并行模数转换技术。

图像像素阵列每一列使用同一个模数转换电路，每个过采样周期内对同行像素单元进行处理，图像像素阵列逐行输出图像像素点信号。相比传统的单个像素点逐个处理模式，列并行工作模式下能达到更快的速度。同一列之间的像素点都使用同一个模数转换器，有利于减小固定模式噪声(FPN)。

在过采样周期内，模数转换电路对像素点图像信号不断采样和转换得到数字信号，像素图像信号包括重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)。

图像像素阵列41输出的模拟图像信号经过模数转换电路组42的采样转换，就得到了一列图像的数字信号。真正有用的图像信号是重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)之差，这就需要两个过采样周期的采样和转换，前一个过采样周期将重置电压(Reset Level)转换成数字信号，后一个过采样周期将信号电压(Signal Level)转换成数字信号，并在数字模块实现重置电压(Reset Level)数字信号和信号电压(Signal Level)数字信号相减，得到反应一行像素单元光强度的数字信号。

过采样模数转换电路输出的数字信号，是经过噪声整形后的数字信号，大部分噪声被整形至高频；通过数字滤波器23滤掉信号的高频噪声，得到高精度数字信号；通过存储器43的存储，可以实现任意行光信号的读取。

该图像处理系统的模数转换电路基于过采样模数转换技术，提高了输出数字信号精度，像素阵列采用列并行输出像素信号，消除了固定模式噪声(FPN)，降低了图像噪声，提高了模数转换速度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：

开关模块、开关电容积分器、量化器、数字滤波器、反馈模块及开关时序控制模块；

图像信号、反馈模块与开关模块连接；开关模块与开关电容积分器连接；开关电容积分器与量化器连接；量化器与数字滤波器和反馈模块连接；开关时序控制模块与开关模块和开关电容积分器连接；参考电压与开关电容积分器和量化器连接。

2.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于：所述模数转换电路还包括第八开关；

第八开关输入端与量化器连接，输出端和数字滤波器连接，第八开关与开关时序控制模块连接，第八开关在整个过采样周期内一直闭合。

3.如权利要求2所述的模数转换电路，其特征在于：所述第八开关为CMOS模拟开关。

4.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于：开关模块包括第一开关、第二开关；

第一开关输入端与图像信号连接，第二开关输入端与反馈模块连接，第一开关和第二开关输出端与开关电容积分器连接；

第一开关、第二开关与开关时序控制模块连接，第一开关在第一过采样时段、第二过采样时段闭合，第二开关在第三过采样时段、第四过采样时段闭合。

5.如权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于：所述开关电容积分器包括第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第一电容、第二电容和运算放大器，所述运算放大器具有第一正向输入端、第一反向输入端和第一输出端；

所述第三开关输入端连接所述第一开关和第二开关输出端；第三开关串联第一电容，所述第三开关与第一电容之间设有第一节点；第一电容串联第六开关，所述第一电容与第六开关之间设有第二节点；第六开关与第一正向输入端连接；参考电压与第一反向输入端连接；第一输出端与量化器连接；

第四开关连接在第一节点与参考电压之间；

第五开关连接在第二节点与参考电压之间；

第二电容连接在运算放大器第一正向输入端与第一输出端之间；

第七开关和第二电容并联；

第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关与开关时序控制模块连接；第七开关在过采样开始前闭合；第三开关和第五开关在第一过采样时段、第三过采样时段闭合；第四开关和第六开关在第二过采样时段、第四过采样时段闭合。

6.如权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关为CMOS模拟开关。

7.如权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于：所述量化器为比较器，具有第二正向输入端、第二反向输入端、第二输出端；

第二正向输入端与所述第一输出端连接；

第二反向输入端与参考电压连接；

第二输出端与数字滤波器和反馈模块连接。

8.如权利要求7所述的模数转换电路，其特征在于：所述反馈模块为反向器，具有第三输入端和第三输出端；

第三输入端与第二输出端连接，第三输出端与第二开关连接。

9.一种采用权利要求1至8任一项所述的模数转换电路实现的图像处理系统，其特征在于：所述图像处理系统包括图像像素阵列、模数转换电路组、存储器；

所述模数转换电路组为n个模数转换电路组成，n为图像像素阵列的列数；

所述图像像素阵列每列输出的模拟信号输入到一个模数转换电路中；

n个模数转换电路输出的数字信号输入到存储器中。

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