CN207399180U - 参考电压自适应电路结构及相应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种参考电压自适应电路结构及相应装置，其中，逐次逼近型模数转换装置包括参考电压自适应电路结构、电压比较器电路结构、逐次逼近寄存器电路结构、采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构，参考电压自适应电路结构包括参考电压产生模块、电压比较模块、比较结果处理模块、数据编码模块、电压选择模块。采用该种参考电压自适应电路结构，可在每一次转换前选择合适的恒定电压来作为参考电压，由参考电压选择值结合逐次逼近型模数转换装置的转换结果得到待转换电压的电压值，提高转换精度的同时也扩大了转换范围，通过硬件判断转换电压，提高转换效率。

Description

参考电压自适应电路结构及相应装置

技术领域

本实用新型涉及电子线路领域，尤其涉及逐次逼近型模数转换器结构领域，具体是指一种参考电压自适应电路结构及相应装置。

背景技术

对于一个n位的逐次逼近型模数转换装置(逐次逼近型ADC模块，ADC为模数转换器，以下提到的ADC均表示逐次逼近型ADC模块)，(分辨率指最小的可分辨电压)，可知参考电压越小分辨率越小，转换精度也越高。但同时须确保参考电压≥待转换电压。若设计的参考电压较大，那么虽然转换范围比较大，但是转换精度较低。若设计的参考电压较小，那么虽然转换精度较高，但是转换范围较小。所以转换范围和转换精度之间会存在矛盾。

一般为了适应不同的应用方案，会在电路内部做几个参考电压，然后再根据方案要求在这些电压中选择一个作为转换的参考电压。这样操作虽然使得逐次逼近型模数转换装置(ADC) 电路的使用更灵活，但是比较麻烦，需要根据不同的应用方案修改参考电压。

现有技术中，为解决以上问题，例如对比文件CN201610128534.1：内存的参考电压自适应装置、方法、系统以及计算机中就通过微控模块对输出参考电压进行时序性匹配测试，实现对输出参考电压进行判断和调整。又或者在一种常用的技术手段中，在电路内部产生几个恒定电压作为逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换参考电压的备选。这几个恒定电压通过选择器连接到逐次逼近型模数转换装置(ADC)。在逐次逼近型模数转换装置(ADC)工作时，电路程序先对待转换电压进行判断，然后根据预设的算法输出选择信号来选择一个恒定电压来作为逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换的参考电压。这样在每一次转换前都可以选择合适的参考电压，提高了转换精度，也增大了转换范围，该技术的原理如图1所示，上述两种现有技术都需要用到程序进行数据处理，这种技术方案有如下缺点：复杂的程序和算法会占用较大的电路存储空间；每一次逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换都需要电路程序先做判断和计算，增加了转换时间，效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术的缺点，提供了一种转换精度高、转换范围大、效率高的参考电压自适应电路结构及相应装置。

为了实现上述目的，本实用新型的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构及相应装置具有如下构成：

该参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构，其主要特点是，所述的参考电压自适应电路结构包括：

参考电压产生模块，用于生成预设数量N的一组不同恒定值的恒定电压；

电压比较模块，用于将所述的采样电路结构输入的待转换电压分别与所述的不同恒定值的恒定电压作比较并输出N个比较结果；

比较结果处理模块，用于处理所述的电压比较模块的比较结果，生成一个N+1位的控制信号；

数据编码模块，用于对所述的控制信号进行编码，得到一个预设位数的数据，并将所述的预设位数的数据传输至所述的数据寄存器电路结构，所述的数据寄存器电路结构用于存储参考电压自适应电路结构的传输数据；

电压选择模块，用于以所述的控制信号为依据，在所述的一组不同恒定值的恒定电压及外部电源电压中的比所述的待转换电压大的所有电压中选取电压最小的一个电压作为参考电压，将该参考电压输出至所述的数模转换器电路结构；

所述的电压比较模块的输入端分别与所述的采样电路结构的输出端以及参考电压产生模块相连接，所述的电压比较模块的输出端与所述的比较结果处理模块的输入端相连接；

所述的比较结果处理模块的输出端分别与所述的数据编码模块的输入端以及所述的电压选择模块的输入端相连接；

所述的电压选择模块的输入端还与所述的参考电压产生模块相连接。

该参考电压自适应电路结构及相应装置中的逐次逼近型模数转换装置，所述的采样电路结构的输入端连接外部输入电压，其主要特点是，

所述的逐次逼近型模数转换装置还包括电压比较器电路结构和逐次逼近寄存器电路结构；

所述的采样电路结构的输出端与所述的数模转换器电路结构相连接；

所述的数模转换器电路结构还分别与所述的逐次逼近寄存器电路结构以及电压比较器电路结构相连接；

所述的逐次逼近寄存器电路结构分别与所述的电压比较器电路结构以及数据寄存器电路结构相连接；所述的数据寄存器电路结构输出模数转换装置的转换结果。

采用本实用新型的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构及相应装置，在常规的逐次逼近型模数转换装置中运用一种用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，通过硬件结构对待转换电压进行判断，并通过硬件结构选择出一个合适的电压作为参考电压，并将该参考电压输出给该逐次逼近型模数转换装置的其它模块，同时，所述的参考电压自适应电路结构将参考电压选择值(即比较结果处理模块输出的由所述的数据编码模块处理得到的数据)存入逐次逼近型模数转换装置(ADC)中的数据寄存器电路结构，最后可得到参考电压选择值和ADC转换结构转换结果，参考电压选择值表明了该次转换使用的参考电压的大小，结合转换结果(逐次逼近型模数转换装置的转换结果，即ADC的转换结果)一起计算就可得到待转换电压的电压值。该电路结构提高转换精度的同时也扩大了转换范围，可过硬件直接判断转换电压，提高转换效率。

附图说明

图1为现有技术中的一实施例的模数转换器的转换电路原理图。

图2为本实用新型的参考电压自适应电路结构及相应装置的逐次逼近型模数转换器原理图。

图3为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的逐次逼近型模数转换装置的功能模块连接关系图。

图4为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构的原理图。

图5为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的参考电压产生模块电路结构图。

图6为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的电压比较模块的电路结构图。

图7为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的比较结果处理模块的电路结构图。

图8为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的数据编码模块的电路结构图。

图9为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的电压选择模块的电路结构图。

图10为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的逐次逼近型模数转换装置中的逐次逼近寄存器电路结构、数模转换器电路结构的工作原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如本申请中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。下面参考附图详细描述本实用新型的各实施方式。

本实用新型的一种实施例为将本实用新型的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构及相应装置中，所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构其中，

所述的参考电压自适应电路结构包括：

参考电压产生模块，用于生成预设数量N的一组不同恒定值的恒定电压；

电压比较模块，用于将所述的采样电路结构输入的待转换电压分别与所述的不同恒定值的恒定电压作比较并输出N个比较结果；

比较结果处理模块，用于处理所述的电压比较模块的比较结果，生成一个N+1位的控制信号；

数据编码模块，用于对所述的控制信号进行编码，得到一个预设位数的数据，并将所述的预设位数的数据传输至所述的数据寄存器电路结构，所述的数据寄存器电路结构用于存储参考电压自适应电路结构的传输数据；

电压选择模块，用于以所述的控制信号为依据，在所述的一组不同恒定值的恒定电压及外部电源电压中的比所述的待转换电压大的所有电压中选取电压最小的一个电压作为参考电压，将该参考电压输出至所述的数模转换器电路结构；

所述的电压比较模块的输入端分别与所述的采样电路结构的输出端以及参考电压产生模块相连接，所述的电压比较模块的输出端与所述的比较结果处理模块的输入端相连接；

所述的比较结果处理模块的输出端分别与所述的数据编码模块的输入端以及所述的电压选择模块的输入端相连接；

所述的电压选择模块的输入端还与所述的参考电压产生模块相连接。

在上述实施例中，

所述的参考电压产生模块包括第一放大器和晶体管；

所述的晶体管的基极与所述的第一放大器的输出端相连接，该晶体管的集电极与电源相连接，且该晶体管的发射极依次通过N+2个串联的电阻接地；

第i个所述的电阻与第i+1个所述的电阻之间输出第i恒定电压，分别至所述的电压比较模块和电压选择模块；

所述的第一放大器的第二输入端接入第N+1所述的电阻与第N+2所述的电阻之间；

所述的第一放大器的第一输入端与所述的逐次逼近型模数转换装置外部的产生恒定大小的电压的带隙基准模块相连接；

其中，i为1到N中的任一整数；

其中，所述的第i恒定电压的大小由所述的N+2个电阻之间的相互之间的比例所决定，具体关系如下：

其中，V_i为第i恒定电压，n＝N+2，R_n为第n电阻的阻值，R_j为第j电阻的阻值，i，j 为1到N中的任一整数，V_C为所述的带隙基准模块产生的恒定大小的电压，在该实施例中，所述的参考电压产生模块所生成的一组恒定电压的预设数量N为三个，所述的参考电压产生模块包括第一放大器和晶体管；

所述的晶体管的基极与所述的第一放大器的输出端相连接，该晶体管的集电极与电源相连接，且该晶体管的发射极依次通过串接的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5接地；

所述的第一电阻R1与第二电阻R2之间输出第一恒定电压分别至所述的电压比较模块和电压选择模块；

所述的第二电阻R2与第三电阻R3之间输出第二恒定电压分别至所述的电压比较模块以及电压选择模块；

所述的第三电阻R3与第四电阻R4之间输出第三恒定电压至所述的电压比较模块以及电压选择模块；

所述的第一放大器的第二输入端接入所述的第四电阻R4与第五电阻R5之间；

所述的第一放大器的第一输入端与所述的逐次逼近型模数转换装置外部的产生恒定电压的带隙基准模块相连接；所述的第一恒定电压、第二恒定电压以及第三恒定电压的大小由所述的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5相互之间的比例所决定，所述的第一恒定电压、第二恒定电压以及第三恒定电压的大小通过以下公式确定：

其中，V₁为第一恒定电压、V₂为第二恒定电压、V₃为第三恒定电压、R₂为第二电阻的阻值、R₃为第三电阻的阻值、R₄为第四电阻的阻值、R₅为第五电阻的阻值、V_C为所述的带隙基准模块产生的恒定大小电压。

在上述实施例中，所述的电压选择模块具有N个恒定电压传输门电路单元，以及一个外接电源传送门单元；

其中，每个所述的恒定电压传输门电路单元均包括一个恒定电压传送门以及一个第一反相器，所述的恒定电压传送门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，所述的恒定电压传送门的第一输入端接入对应的恒定电压，所述的恒定电压传送门的第二输入端直接接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的恒定电压传送门的第三输入端均通过所述的恒定电压传输门电路单元中的第一反相器接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的恒定电压传送门的输出端与所述的数模转换器电路结构中对应的输入端相连接；

所述的外接电源传送门单元包括第二反相器、第一输入端，第二输入端、第三输入端及一个输出端，所述的外接电源传送门单元的第一输入端与外接电源端相连接，所述的外接电源传送门单元的第二输入端直接与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接，所述的外接电源传送门单元的第三输入端通过所述的外接电源传送门单元中的第二反相器接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的外接电源传送门单元的输出端与所述的数模转换器电路结构中对应的输入端相连接。

在上述实施例中，所述的比较结果处理模块包括N个输入端、N+1个输出端以及N+1个结果比较器单元；

其中，每个所述的结果比较器单元均具有N个输入端以及一个输出端；

所述的每个结果比较器单元的N个输入端与所述的比较结果处理模块中的对应输入端一一连接；

所述的每个所述的结果比较器单元的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接；

所述的比较结果处理模块的各个输入端分别接入所述的电压比较模块产生的对应比较结果；

所述的比较结果处理模块的各个输出端均输出所述的控制信号的一位信号，且比较结果处理模块的各个输出端均分别与所述的数据编码模块以及电压选择模块中对应的输入端相连接，由于在本实施例中，所述的参考电压产生模块所生成的一组恒定电压的预设数量N为三个，所述的比较结果处理模块包括三个输入端、四个输出端、第一结果比较器单元、第二结果比较器单元、第三结果比较器单元以及第四结果比较器单元；

所述的第一结果比较器单元由第一三输入与非门构成，所述的第一三输入与非门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，所述的三输入与非门的第一输入端、第二输入端以及第三输入端分别与所述的比较结果处理模块中的对应的输入端相连接，所述的第一三输入与非门的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接；

所述的第二结果比较器单元包括第二三输入与非门、第三反相器，所述的第二三输入与非门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，所述的第二三输入与非门的第一输入端经所述的第三反相器与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第二三输入与非门的第二输入端、第三输入端直接与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第二三输入与非门的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接；

所述的第三结果比较器单元包括第三三输入与非门、第四反相器以及第五反相器，所述的第三三输入与非门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，所述的第三三输入与非门的第一输入端经所述的第四反相器与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第三三输入与非门的第二输入端经所述的第五反相器与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第三三输入与非门的第三输入端直接与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第二三输入与非门的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接；

所述的第四结果比较器单元包括第四三输入与非门、第六反相器、第七反相器、第六反相器，所述的第四三输入与非门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，

所述的第四三输入与非门的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别通过对应的第六反相器、第七反相器、第八反相器与所述的比较结果处理模块中对应的输入端相连接，所述的第四三输入与非门的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接。

在上述实施例中，所述的数据编码模块包括第一数据选择器以及第二数据选择器，所述的第一数据选择器包括四个输入端口以及一个输出端口，所述的第二数据选择器包括四个输入端口以及一个输出端口，所述的第一数据选择器的四个输入端口分别与所述的比较结果处理模块中的对应的输出端相连接，所述的第二数据选择器的四个输入端口分别与所述的比较结果处理模块中的对应的输出端相连接，所述的第一数据选择器的输出端与所述的第二数据选择器的输出端相连接，且所述的第一数据选择器的输出端与所述的第二数据选择器的输出端均与所述的数据寄存器电路结构相连接。

将上述实施例中的参考电压自适应电路结构应用到本实用新型的一实施例的逐次逼近型模数转换装置中，其中，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括电压比较器电路结构、逐次逼近寄存器电路结构、所述的采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构；

所述的采样电路结构的输入端连接外部输入电压，所述的采样电路结构的输出端与所述的数模转换器电路结构相连接；

所述的数模转换器电路结构还分别与所述的逐次逼近寄存器电路结构以及电压比较器电路结构相连接；

所述的逐次逼近寄存器电路结构分别与所述的电压比较器电路结构以及数据寄存器电路结构相连接；所述的数据寄存器电路结构输出模数转换装置的转换结果。

在各种类型的模数转换装置(ADC模块中)，逐次逼近型模数转换装置(逐次逼近型ADC) 有着低成本、低功耗、结构简单等优点，是目前应用的最多的一种。逐次逼近型模数转换装置(或称为逐次比较型ADC)就是将输入的模拟信号和参考电压的不同倍数分压来做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入的模拟量，从原理上来看，一个n位的逐次逼近型模数转换装置(n位的的逐次逼近型ADC)，它的所以参考电压越小，分辨率越小，使得转换精度就越高，但是参考电压必须大于等于待转换的模拟电压，所以为了保证ADC的电压转换范围，在实际设计电路的时候，往往会把参考电压设计的很大，但这样的话就相当于降低了ADC的转换精度。

虽然现有技术中有各种各样的逐次逼近型模数转换装置，但其基本结构非常简单，模拟输入电压由采样/保持电路保持，为了实现二进制搜索算法，N位寄存器首先设置中间刻度，这样，强行数字/模拟转换器(DAC)输出(VDAC)为VREF/2，其中，VREF(即参考电压)是提供给ADC的基准电压。然后确定模拟输入电压是小于还是大于VDAC。如果模拟输入电压大于VDAC，则输出高电平，N位寄存器的最高有效位(MSB)保持高电平；相反，如果模拟输入电压小于VDAC，比较器输出逻辑低电平，N位寄存器的MSB清零。随后，SAR 控制逻辑移至下一位，并将该位置输出为高电平，同时使该过程一直持续到最低有效位(LSB)。上述操作结束后，也就完成了转换(模数转换装置的转换)，N位转换结果储存在寄存器内(详情可参阅《国外电子元器件》2003年第2期2003年2月出版的“解析逐次逼近ADC”)。可见参考电压的提供在逐次逼近型模数转换装置中至关重要。

本实用新型提出了一种用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构(ADC 参考电压自适应模块)。该电路结构的基本原理是利用逐次逼近型模数转换装置外部的产生恒定大小的电压的带隙基准模块产生的恒定大小的电压V_C(基准电压)产生一组从小到大的电压V1，V2…Vn。在逐次逼近型模数转换装置(ADC)工作时，参考电压自适应电路结构(参考电压自适应模块)会判断待转换电压，并通过硬件计算后在V1，V2…Vn，VDD中选择一个合适的参考电压作为转换参考电压并且输出给逐次逼近型模数转换装置(ADC)。与此同时参考电压自适应电路结构(参考电压自适应模块)将参考电压选择值(即比较结果处理模块输出的由所述的数据编码模块处理得到的数据)存入数据寄存器电路结构，待转换完成，读取数据寄存器电路结构，可以得到参考电压选择值(即比较结果处理模块输出的由所述的数据编码模块处理得到的数据)和逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换结果，参考电压选择值的作用就是表明本次逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换结果对应的参考电压的电压值。

以下结合图2至图9分别具体描述本实用新型的运用及实用新型中各个电路结构以及电路结构所包括的各个模块的电路即原理(图2至图9并非是同一个实施例的图片)。

图2为本实用新型的参考电压自适应电路结构及相应装置的逐次逼近型模数转换器原理图。参考电压自适应电路结构(参考电压自适应模块)，作用是判断待转换电压Vin的值，然后通过硬件计算选择最合适的参考电压VREF输出给逐次逼近型模数转换装置(ADC)，同时输出参考电压选择值，参考电压选择值表明了该次转换使用的参考电压VREF的大小，结合转换结果Dout一起计算就可得到待转换电压Vin的电压值。

图3为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的逐次逼近型模数转换装置的功能模块连接关系图。如图3所示，该实施例为一个n位的逐次逼近型模数转换装置(ADC)的例子，在加入了参考电压自适应模块后，逐次逼近型ADC电路由采样电路结构(采样电路模块)，参考电压自适应电路结构(参考电压自适应模块)，数模转换器电路结构(D/A转换器)，电压比较器电路结构(电压比较器)，逐次逼近寄存器电路结构(逐次逼近寄存器SAR)，数据寄存器电路结构(数据寄存器)这六大功能模块构成，其中，采样电路结构(采样电路模块)，数模转换器电路结构(D/A转换器)，电压比较器电路结构 (电压比较器)，逐次逼近寄存器电路结构(逐次逼近寄存器SAR)，数据寄存器电路结构(数据寄存器)这五个模块采用常规结构，其具体工作原理请参阅后文中的详述。

所述的参考电压自适应电路结构分别与该参考电压自适应电路结构外部的采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构相连接。

在本实用新型的另一具体实施例中，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括电压比较器电路结构、逐次逼近寄存器电路结构、所述的采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构；所述的采样电路结构的输入端连接外部输入电压，所述的采样电路结构的输出端与所述的数模转换器电路结构相连接；所述的数模转换器电路结构还分别与所述的逐次逼近寄存器电路结构以及电压比较器电路结构相连接；所述的逐次逼近寄存器电路结构分别与所述的电压比较器电路结构以及数据寄存器电路结构相连接；所述的数据寄存器电路结构输出模数转换装置的转换结果。

如图4所示，参考电压自适应电路结构可按功能分为参考电压产生模块、电压比较模块、比较结果处理模块、数据编码模块和电压选择模块这五个部分，所述的电压比较模块的输入端输入待转换电压Vin，并与参考电压产生模块相连接，所述的电压比较模块的输出端与所述的比较结果处理模块的输入端相连接；所述的比较结果处理模块的输出端分别与所述的数据编码模块的输入端以及所述的电压选择模块的输入端相连接；所述的电压选择模块的输入端还与所述的参考电压产生模块相连接；

参考电压产生模块，用于生成预设数量N的一组不同恒定值的恒定电压；

电压比较模块，用于将所述的采样电路结构输入的待转换电压分别与所述的不同恒定值的恒定电压作比较并输出N个比较结果；

比较结果处理模块，用于处理所述的电压比较模块的比较结果，生成一个N+1位的控制信号；

数据编码模块，用于对所述的控制信号进行编码，得到一个预设位数的数据，并将所述的预设位数的数据传输至所述的数据寄存器电路结构，所述的数据寄存器电路结构用于存储参考电压自适应电路结构的传输数据；

电压选择模块，用于以所述的控制信号为依据，在所述的一组不同恒定值的恒定电压及外部电源电压中的比所述的待转换电压大的所有电压中选取电压最小的一个电压作为参考电压，将该参考电压输出至所述的数模转换器电路结构；

参考电压产生模块：作用是用于生成预设数量N的一组不同恒定值的恒定电压，V₁，V₂， V₃…Vn，并且将这些电压输出给电压比较模块和电压选择模块。

图5为本实用新型的一具体实施例的参考电压自适应电路结构及相应装置中的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构中的参考电压产生模块电路结构图。如图5 所示，采用电压反馈放大器结构(参考电压产生模块包含但不局限于该种结构)产生三个不同恒定值的恒定电压V₁、V₂和V₃的例子，利用带隙基准模块产生的恒定大小的电压(恒定电压Vc)，通过电压-电压反馈的方式产生V₁、V₂、V₃三个稳定的电压值，大小由电阻R₁～R₅的比例决定，

其中，V₁为第一恒定电压、V₂为第二恒定电压、V₃为第三恒定电压、R₂为第二电阻的阻值、R₃为第三电阻的阻值、R₄为第四电阻的阻值、R₅为第五电阻的阻值、V_C为所述的逐次逼近型模数转换装置外部的产生恒定电压的带隙基准模块产生的电压。

电压比较模块：结构如图6所示(电压比较模块包含但不局限于该种结构)，作用是将待转换电压Vin与参考电压V₁，V₂，V₃…Vn作比较并输出比较结果。注意其中每个电压的比较过程应设计成并行，若做成依次比较会增加转换时间。举个电压比较模块的简单例子。待转换电压和参考电压V₁，V₂，V₃…Vn进行比较，输出比较结果S<n:1>。

比较结果处理模块：其结构如图7所示，由于逐次逼近型模数转换装置(ADC)的参考电压需要在V₁，V₂，V₃…Vn和VDD这n+1个电压值内进行选择，但是比较结果却是一个 n位的信号，为了方便数字电路进行选择，所以通过比较结果处理模块对S<n:1>这组数据进行处理，产生一组n+1位的信号，将这个n+1位的信号命名为Con<n+1:1>，该模块的作用与译码器的作用相似。

如图7所示，举个将S<3:1>(不同恒定值的恒定电压分别与待转换电压的比较结果)转换为Con<4:1>(比较结果处理模块生成的一个N+1位的控制信号)的例子(比较结果处理模块包含但不局限于该种结构)，图7就是一个三位的比较器结果处理的结构实例。工作过程如下：

1.电压比较模块输出一组数据给比较结果处理模块，分别为S1，S2，S3(待转换电压与不同恒定值的恒定电压的比较结果)。

2.S1，S2，S3三个信号输入给一个三输入的NAND(与非门)，输出信号Con<1>；

3.S1经过一个NOT(反相器)取反之后和S2，S3一起输入给一个三输入的NAND(与非门)，输出信号Con<2>；

4.S1和S2分别经过一个NOT(反相器)取反后和S3一起输入给一个三输入的NAND(与非门)，输出信号Con<3>；

5.S1，S2，S3三个信号都分别经过一个NOT(反相器)后输入给一个三输入的NAND(与非门)，输出信号Con<4>；

6.产生四个数据Con<1>，Con<2>，Con<3>，Con<4>给电压选择模块和数据编码模块。

S1，S2，S3和Con<1>，Con<2>，Con<3>的对应关系如下表(二进制)：

S3	S2	S1	Con<1>	Con<2>	Con<3>	Con<4>
							0	0	0	1	1	1	0
0	0	1	1	1	0	1
							0	1	1	1	0	1	1
1	1	1	0	1	1	1

上表仅仅是对三个数据S1，S2，S3举例，若有n个数据S1，S2…Sn，也可采用类似结果完成。

数据编码模块：下面举一个将Con<4:0>(比较结果处理模块输出的控制信号)编码成 D<1:0>(预设位数的数据)的例子，采用多路选择器实现，结构如图8所示，(数据编码模块包含但不局限于该种结构)，图8中的MUX为数据选择器(multiplexer)，也称多路复用器或多路选择器，作用是用控制信号来选择输出信号。数据选择器(multiplexer)的个数与比较结果处理模块输出的控制信号的位的数量有关，设数据选择器(multiplexer)的个数为W，比较结果处理模块生成一个N+1位的控制信号，二者关系为W大于等于log₂ ^(N+1)，以下是对一个四位的 Con信号Con<4:1>进行编码的实例，Con<4:1>信号输入给两个MUX，然后产生D<1>和D<0> 这两个信号，并输出。

真值表如下：

Con<1>	Con<2>	Con<3>	Con<4>	D<1>	D<0>
						1	1	1	0	0	0
1	1	0	1	0	1
						1	0	1	1	1	0
0	1	1	1	1	1

利用数据编码模块减短数据的长度，把四位的Con<4:1>数据压缩成了两位的D<1:0>。

通过对Con<n+1:1>这组数据(即比较结果处理模块输出的N+1位的控制信号)进行编码，得到一个X位的数据D<X-1:0>(X≥log₂(N+1)且X为整数)，并且将这个数据输出给逐次逼近型模数转换装置(ADC模块)的数据寄存器电路结构(数据寄存器)，在转换完成后，读取这个D<X-1:0>数据就可以知道该次模数转换(ADC转换)采用的参考电压值，从而计算得到待转换电压Vin的值。该模块的作用是减短了传输给数据寄存器的数据长度，有效减少占用的寄存器位。

电压选择模块：利用控制信号Con<n+1:1>从V₁、V₂、V₃……Vn、VDD中选择一个电压来作为参考电压VREF输出，有很多种数字结构可以实现该功能，以采用传输门作为选择开关为例，如图9所示(电压比较模块包含但不局限于该种结构)，V₁、V₂、V₃……Vn，VDD 这些电压通过恒定电压传输门单元及外接电源传送门单元连接到VREF，两种传送门都可以理解为是起一个开关的作用。若Con<n>为0，那么对应的传输门导通，相当于开关闭合，VREF 就等于这个传输门另一端的电压Vn。在同一时间，有且仅有一个传输门导通(理解为只有一个开关闭合，其他都是不通的)即Con<n+1:1>这一组数据有且仅有一个为0，其余都为1，图9中的传输门可以视作为一个开关，这种传送门可由单个的开关构成，在本实施例中由一个PMOS管和一个NMOS管构成，其中接反相器的为PMOS管。

以上为结合具体实例对参考电压自适应电路结构(参考电压自适应模块)的详细介绍，整个模块的电压比较、电压选择和数据编码等功能都是采用硬件并行完成，消耗的时间相对于ADC转换一次的时间几乎可以忽略。

在加入了参考电压自适应模块之后，逐次逼近型模数转换装置(ADC)可以根据待转换电压的大小自动选择参考电压。对于逐次逼近型模数转换装置(ADC)电路本身来讲，基本不影响成本、功耗和转换时间，也不需要软件程序来控制。对于逐次逼近型模数转换装置(ADC) 可以转换的电压范围来讲拓展到了最大，只要满足0≤转换电压≤电源电压就可以。对于逐次逼近型模数转换装置(ADC)转换结果的精度来讲，参考电压自适应电路结构产生的参考电压(自适应参考电压)可以提高转换分辨率，相当于提高了精度。

与现有技术相比，本实用新型中判断转换电压和选择参考电压全部通过硬件方式实现，简单可靠，不需额外的程序和算法，节省了电路的存储空间的特点以及采用硬件并行完成时判断待转换电压和选择参考电压基本不耗费时间，而采用软件的方式判断的话需要耗费较长时间，相对已知技术减小了转换一次耗费的时间，提高了转换效率的特点。

逐次逼近型模数转换装置中其余部分的电路结构的具体功能如下：

采样电路结构的作用是对目标模拟量进行采样，并且在采样完成后输出一个待转换电压 Vin；

电压比较器电路结构：作用就是对两个电压值进行比较，一般采用多个运放级联的结构；

逐次逼近寄存器电路结构、数模转换器电路结构(D/A转换器)：由于这两个模块是共同作用于逐次逼近型模数转换装置中，故将这2个模块的功能及工作过程结合进行描述，这两个电路结构的作用就是将待转换电压和参考电压的1/2，1/4，1/8……1/2ⁿ进行逐次比较，并将每一次比较的结果出给数据寄存器电路结构，其工作过程就是先把待转换电压和1/2的参考电压作比较，若待转换电压小于1/2的参考电压，则继续将待转换电压和参考电压的1/4 作比较。若待转换电压大于1/2的参考电压，则将待转换电压减去1/2的参考电压后再和1/4 的参考电压作比较。

具体工作过程如图10所示：其中ADC_IN指的是待转换电压Vin，VREF指的是参考电压，斜线上1的含义是前一级式子的结果大于0，斜线上0的含义是前一级式子的结果小于0。图中只写了三级，对于一个n位的逐次逼近型模数转换装置(ADC模块)，需要比较n次。

数据寄存器电路结构：储存逐次逼近型模数转换装置(ADC)的转换结果。

本实用新型在常规的逐次逼近型模数转换装置中运用一种用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，通过硬件结构对待转换电压进行判断，并通过硬件结构选择出一个合适的电压作为参考电压，并将该参考电压输出给该逐次逼近型模数转换装置的其它模块，同时，所述的参考电压自适应电路结构将参考电压选择值(即比较结果处理模块输出的由所述的数据编码模块处理得到的数据)存入逐次逼近型模数转换装置(ADC)中的数据寄存器电路结构，最后可得到参考电压选择值和ADC转换结构转换结果，参考电压选择值表明了该次转换使用的参考电压的大小，结合转换结果(逐次逼近型模数转换装置的转换结果，即ADC的转换结果)一起计算就可得到待转换电压的电压值，该电路结构提高转换精度的同时也扩大了转换范围，可过硬件直接判断转换电压，提高转换效率。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括采样电路结构、数模转换器电路结构以及数据寄存器电路结构，其特征在于，所述的参考电压自适应电路结构包括：

参考电压产生模块，用于输出预设数量N的一组不同恒定值的恒定电压；

电压比较模块，用于接收所述的采样电路结构输入的待转换电压分别与所述的不同恒定值的恒定电压作比较并输出N个比较结果；

比较结果处理模块，用于接收所述的电压比较模块所输出的比较结果，并输出一个N+1位的控制信号；

数据编码模块，用于接收所述的控制信号并输出一个预设位数的数据，并将所述的预设位数的数据传输至所述的数据寄存器电路结构；

电压选择模块，用于接收所述的控制信号，在所述的一组不同恒定值的恒定电压及外部电源电压中的比所述的待转换电压大的所有电压中选取电压最小的一个电压作为参考电压，将所述的参考电压输出至所述的数模转换器电路结构；

所述的电压比较模块的输入端分别与所述的采样电路结构的输出端以及所述的参考电压产生模块相连接，所述的电压比较模块的输出端与所述的比较结果处理模块的输入端相连接；

所述的比较结果处理模块的输出端分别与所述的数据编码模块的输入端以及所述的电压选择模块的输入端相连接；

所述的电压选择模块的输入端还与所述的参考电压产生模块相连接。

2.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的参考电压产生模块包括第一放大器和晶体管；

所述的晶体管的基极与所述的第一放大器的输出端相连接，该晶体管的集电极与电源相连接，且该晶体管的发射极依次通过N+2个串联的电阻接地；

第i个所述的电阻与第i+1个所述的电阻之间输出第i恒定电压，分别至所述的电压比较模块和电压选择模块；

所述的第一放大器的第二输入端接入第N+1所述的电阻与第N+2所述的电阻之间；

所述的第一放大器的第一输入端与所述的逐次逼近型模数转换装置外部的产生恒定大小的电压的带隙基准模块相连接；

其中，i为1到N中的任一整数。

3.根据权利要求2所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的第i恒定电压的大小由所述的N+2个电阻之间的相互之间的比例所决定，具体关系如下：

其中，V_i为第i恒定电压，n＝N+2，R_n为第n电阻的阻值，R_j为第j电阻的阻值，i，j为1到N中的任一整数，V_C为所述的带隙基准模块产生的恒定大小的电压。

4.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的电压比较模块包括N个比较器，其中，每个所述的比较器均包括第一输入端、第二输入端以及输出端；

每个所述的比较器的第一输入端均与所述的采样电路结构的输出端对应相连接；

每个所述的比较器的第二输入端均接入所述的参考电压产生模块产生的一组不同恒定值的恒定电压中的对应恒定电压；

每个所述的比较器的输出端均与所述的比较结果处理模块中的对应输入端口相连接，由所述的比较器的输出端输出比较结果。

5.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的电压选择模块具有N个恒定电压传输门电路单元，以及一个外接电源传送门单元；

其中，每个所述的恒定电压传输门电路单元均包括一个恒定电压传送门以及一个第一反相器，所述的恒定电压传送门包括第一输入端、第二输入端、第三输入端以及一个输出端，所述的恒定电压传送门的第一输入端接入对应的恒定电压，所述的恒定电压传送门的第二输入端直接接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的恒定电压传送门的第三输入端均通过所述的恒定电压传输门电路单元中的第一反相器接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的恒定电压传送门的输出端与所述的数模转换器电路结构中对应的输入端相连接；

所述的外接电源传送门单元包括第二反相器、第一输入端，第二输入端、第三输入端及一个输出端，所述的外接电源传送门单元的第一输入端与外接电源端相连接，所述的外接电源传送门单元的第二输入端直接与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接，所述的外接电源传送门单元的第三输入端通过所述的外接电源传送门单元中的第二反相器接所述的比较结果处理模块中对应的输出端，所述的外接电源传送门单元的输出端与所述的数模转换器电路结构中对应的输入端相连接。

6.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的比较结果处理模块包括N个输入端、N+1个输出端以及N+1个结果比较器单元；

其中，每个所述的结果比较器单元均具有N个输入端以及一个输出端；

所述的每个结果比较器单元的N个输入端与所述的比较结果处理模块中的对应输入端一一连接；

所述的每个所述的结果比较器单元的输出端与所述的比较结果处理模块中对应的输出端相连接；

所述的比较结果处理模块的各个输入端分别接入所述的电压比较模块产生的对应比较结果；

所述的比较结果处理模块的各个输出端均输出所述的控制信号的一位信号，且比较结果处理模块的各个输出端均分别与所述的数据编码模块以及电压选择模块中对应的输入端相连接。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的用于逐次逼近型模数转换装置的参考电压自适应电路结构，其特征在于，所述的预设数量N为3。

8.一种具有权利要求1～6中任一项所述的参考电压自适应电路结构的逐次逼近型模数转换装置，所述的采样电路结构的输入端连接外部输入电压，其特征在于，所述的逐次逼近型模数转换装置还包括电压比较器电路结构和逐次逼近寄存器电路结构；

所述的采样电路结构的输出端与所述的数模转换器电路结构相连接；

所述的数模转换器电路结构还分别与所述的逐次逼近寄存器电路结构以及电压比较器电路结构相连接；

所述的逐次逼近寄存器电路结构分别与所述的电压比较器电路结构以及数据寄存器电路结构相连接；所述的数据寄存器电路结构输出模数转换装置的转换结果。