CN201656958U - 一种pwm调制模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种PWM调制模数转换器，设置于模数转换电路。其转换过程包括采样、量化和编码，所依托的电路依次由信号调节电路、PWM调制电路、量化和编码电路、信号锁存器组成，锁存器的触发脉冲信号由PWM调制后输出的信号经触发脉冲发生器产生，逻辑控制电路则根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程。振荡电路输出三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比变化的调制信号。本实用新型满足结构简单、功耗较低、转换精度高的应用需求，可以广泛地使用在触摸屏驱动、温度检测等对速度要求不太高的模拟数字转换应用场合。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种模数转换器，特别涉及一种PWM(pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)调制模数转换器。
背景技术：
模数转换器目前已经广泛应用到电子科学的各个领域，涵盖微电子和集成电路设计制造等各个方面。传统的模数转换器大多是基于奈奎斯特采样定理实现的，即以充分满足奈奎斯特采样定理的一个恒定的频率对模拟输入信号进行采样，然后再对采样后的信号进行量化和编码，最后输出一串数字信号作为该模拟信号转换后对应的数字信号，典型的实现方式有积分型和逐次逼近型两种。
这两种实现方式都有其固有的缺陷。首先，转换精度都依赖复杂的采样电路的精度，为了提高模数转换器的转换精度就必须要设计复杂的采样电路并抑制各种非理想因素，然而就目前广泛使用的开关电容电路实现的采样电路而言，由于沟道电荷的注入以及时钟馈通的影响其精度仍然不是很理想；其次，积分型模数转换器中包含有积分单元，由于电荷泄漏等引起的运算误差也严重影响到模数转换器的转换精度，而逐次逼近型模数转换器中为了提高量化精度又必须要使用复杂的高比特数模转换器，这在提高电路复杂度的同时也明显地增加了系统功耗。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种PWM调制模数转换器对模拟信号进行采样以及量化和编码，满足结构简单、功耗较低、转换精度高、成本低的需求。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种PWM调制模数转换器，适用于触摸屏驱动、温度检测等对速度要求不太高的模拟数字转换器电路。其转换过程包括采样、量化和编码，所依托的电路依次由信号调节电路、PWM调制电路、量化和编码电路、信号锁存器组成，锁存器的触发脉冲信号由PWM调制后输出的信号经触发发生器产生，逻辑控制电路则根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程。振荡电路输出三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比变化的调制信号。
原始模拟信号输入后，由信号调节电路滤波和放大信号。信号调节电路由运算放大器以及电阻、电容组成。处理后的模拟信号输出到PWM调制器完成信号的采样和调制，PWM调制电路由三角波发生器以及比较器组成。经过采样和调制的信号输出到量化和编码电路对采样信号进行量化和编码，量化和编码电路由一系列的带有异步清零功能的计数器组成，完成对PWM调制后的信号的量化和编码。编码后的信号在触发发生器产生的触发脉冲的作用下由锁存器完成对数字信号的锁存。而逻辑控制电路根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程。振荡电路输出三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比变化的调制信号。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：第一，该模数转换器使用脉冲宽度调制的方式实现对输入模拟信号的采样，与传统模数转换器中的采样保持电路相比具有电路简单的特点，而且还避免了开关电容电路中沟道电荷的注入以及时钟馈通等非理想因素对采样精度的影响；第二，采用一串具有异步清零功能的JK触发器实现的量化和编码电路使得整个过程高效；第三，该模数转换器所依托的电路基本不含有大电容等元件，采用集成电路的工艺实现时势必将明显地减低芯片的面积，使得电路简单化；第四，该方案对工艺的依赖性比较低，采用目前可用的各种集成电路制造工艺基本上都可以实现，将显然有利于降低制造成本、提高效益；第五，由于电路的规模得到了控制而且整个系统中所包含的模拟电路成分也相对比较少，所以芯片的功耗也将被限制在一个更加合理的水平，节省空间，这对于一些采用电池供电的便携式设备来说显得尤为重要；第六可以充分利用软件处理数据的优势，处理此类数据的程序比较简单。
附图说明：
图1为本实用新型的电路原理框图；
图2为本实用新型的PWM调制电路图；
图3为本实用新型的PWM调制后的信号示意图；
图4为本实用新型的一种串行转并行的编码电路；
图5为本实用新型的量化时序示意图；
图6为本实用新型的编码时序示意图。
具体实施方式：
本实用新型的设计方案在于克服现有技术的不足，提供一种PWM调制模数转换器对模拟信号进行采样以及量化和编码，满足结构简单、功耗较低、转换精度较高、成本低的需求。下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本实用新型的技术特征及优点进行更深入的诠释。
本实用新型的原理框图如图1所示，一种PWM调制模数转换器，适用于触摸屏驱动、温度检测等对速度要求不太高的模拟数字转换器电路。其转换过程包括采样、量化和编码，所依托的电路依次由信号调节电路、PWM调制电路(PWM Modulator)、量化和编码电路(Quantification and Code)、信号锁存器(Latch)组成，锁存器的触发脉冲信号由PWM调制后输出的信号经触发发生器(Trigger generator)产生，逻辑控制电路(LogicControl)则根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程。振荡电路(OSC)输出三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比(Duty)变化的调制信号。
原始模拟信号输入后，由信号调节电路滤波和放大信号。信号调节电路由运算放大器(AMP)以及电阻、电容组成。处理后的模拟信号输出到PWM调制器完成信号的采样和调制。经过采样和调制的信号输出到量化和编码电路以完成对信号进行量化和编码，量化和编码电路由一系列的带有异步清零功能的计数器组成，完成对PWM调制后的信号的量化和编码。编码后的信号在触发发生器产生的触发脉冲的作用下由锁存器完成对数字信号的锁存。而逻辑控制电路根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程。
图2所示为PWM调制器的工作原理示意图，PWM调制电路由三角波发生器以及比较器(Comp)组成。由振荡器(OSC)输出的一个三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比(Duty)变化的调制信号。三角波发生器输出的振荡信号Vosc的频率比输入的模拟信号Vin的频率要高得多，二者经过比较器的比较后输出一串占空比随模拟信号幅度变化的信号，从而完成对输入模拟信号的采样和调制。在实际使用时，对于不同的模拟输入信号，可以通过调节电容Cc的大小以达到合适的采样效果。图3为PWM调制信号示意图，Vosc为原来输入的振荡信号，Vin为经过信号调节后的模拟输入信号，Vout为经过调制后的信号。
在完成PWM调制之后，即可对采样后的信号进行量化和编码。图4所示为一种采用带有异步清零功能的JK触发器实现串行转并行输出的编码电路，JK触发器实现的计数器对时钟信号进行计数，并以计数得到的时钟信号的周期个数表示模拟信号幅度的大小，使得该电路的工作时序满足PWM模数转换器所需要的量化和编码功能。Clk接收的是来自振荡器输出的量化时钟信号，在PWM调制信号的控制下该电路执行对量化时钟信号周期的计数，并将计数的结果通过D0～Dn的并行口输出。传统的ADC中采样后需要在垂直于时间轴的方向上量化，而采用PWM调制采样后输入模拟信号的幅度变化已经被转换到时间轴上，因此此时的量化要相对简单的多。使用一个固定频率的方波信号对调制后的信号进行量化，其具体的工作时序如图5所示，
图5所示为模数转换器信号量化过程的时序。用一个频率较高的时钟信号对PWM调制后的占空比信号进行衡量，并以输出时钟信号的周期个数代表此时对应的调制后信号的占空比，也反映了输入模拟信号幅度的变化。当占空比信号为低电平期间，量化后输出的信号被置为高电平，仅仅使用一串带有异步清零功能的计数器即可实现上述的功能，因此电路并不复杂，这再次体现了该模数转换器的简单高效的特性。
图6所示为模数转换器信号的编码过程时序，由一系列的计数器完成，将串行输入的量化后的信号转换为几位通过D0～Dn并行口并行输出的数据。编码后输出的信号还必须要经过锁存才能并行输出数据给下一级的处理单元，所以在信号的量化和编码后必须设置一个锁存器，锁存器的锁存信号由PWM调制后输出的信号经触发发生器产生，使用此信号在图6中箭头所示的位置对编码输出的信号进行锁存，其目的是使得一个采样周期内并行输出的数据能够稳定，使用多个D锁存器以并列的方式组合即可实现对信号的锁存。此外，锁存信号与编码后输出的信号在时序上的先后关系可以通过修改触发发生器的延迟时间以达到满意的效果。
尽管本实用新型通过具体实施例对其作出了清晰而完整的描述，但是本实用新型不仅仅限于此，并且对本领域的技术人员来说，基于本实用新型而作出的所有的改进和选择，是可能发生的并且都包括在本实用新型之中。
Claims (7)
1.一种PWM调制模数转换器，设置于模数转换电路，该电路的转换过程包括采样、量化和编码，其特征在于：采用PWM调制方式实现对模拟输入信号的采样，以及与此采样电路相配合的对信号量化和编码。
2.根据权利要求1所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：该模数转换器所依托的电路依次由信号调节电路、PWM调制电路、量化和编码电路、信号锁存器组成，锁存器的触发脉冲信号由PWM调制后输出的信号经触发发生器产生，逻辑控制电路则根据外界输入信号的状态启动模数转换的过程，振荡电路输出三角波信号以一定的频率对输入模拟信号进行采样调制，并将模拟信号的幅度变化转换为一个占空比变化的调制信号。
3.根据权利要求2所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：原始模拟信号输入后，由信号调节电路滤波和放大信号，信号调节电路由运算放大器以及电阻、电容组成。
4.根据权利要求3所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：经过过滤和放大的信号输出到PWM调制电路完成信号的采样和调制，PWM调制电路由三角波发生器以及比较器组成。
5.根据权利要求4所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：经过调制的信号输出到量化和编码电路对采样信号进行量化和编码，量化和编码电路由一系列的带有异步清零功能的计数器组成，完成对PWM调制后的信号的量化和编码。
6.根据权利要求5所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：经过量化编码后的信号由一系列的JK触发器进行串并转换并将数据由并行口输出。
7.根据权利要求6所述的PWM调制模数转换器，其特征在于：并行输出的信号在触发发生器产生的触发脉冲的作用下由锁存器完成对数字信号的锁存。
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| CN107356818A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-11-17 | 上海艾为电子技术股份有限公司 | 占空比检测方法及电路、驱动电路和移动终端 |
| CN110311695A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-10-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种无线通信全数字射频接收装置 |
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