CN210469275U - 模数转换器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种模数转换器，通过在模数转换器中设置数据处理模块，并将数据处理模块与采样模块和保持模块连接，使得数据处理模块对采样模块采集到的采样数据进行平滑处理，一方面，可以平滑采样数据中的噪声数据，减小采样数据的误差，提高ADC输出A/D转换曲线的准确性，另一方面，不需要进行大量数据处理，简单高效，易于实现，再一方面，在使用窗函数对采样数据进行平滑处理之后，选择与窗函数对应的校正函数对平滑处理后的采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理，能够消除窗函数为采样起点和采样终点的数据带来的误差，进一步提高了ADC输出A/D转换曲线的准确性。

Description

模数转换器

技术领域

本申请实施例涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种模数转换器。

背景技术

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件，其通常是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。

但是，由于电源噪声、模拟输入信号的噪声以及EMI(电磁干扰)导致的噪声的影响，A/D转换的数据通常会出现偏差，使得ADC无法输出准确的A/D转换曲线，因此，需要一种能够减小偏差，输出准确A/D转换曲线的ADC。

实用新型内容

本申请实施例提供一种模数转换器，用以减小采样数据的误差，提高输出A/D转换曲线的准确性。

本申请实施例提供的模数转换器，包括采样模块、保持模块、量化模块、编码模块和数据处理模块，其中所述数据处理模块分别与所述采样模块和所述保持模块连接；所述采样模块，用于对输入到所述模数转换器的模拟信号进行采样处理，获得第一采样数据；所述数据处理模块，用于对所述第一采样数据进行平滑处理，得到第二采样数据；所述保持模块，用于保存所述第二采样数据预设时长；所述量化模块，用于对所述第二采样数据进行量化处理；所述编码模块，用于对所述量化模块的量化结果进行转换处理，生成数字输出信号。

在一种实施方式中，所述采样模块、数据处理模块、保持模块、量化模块和编码模块集成在一块PCB板上。

在一种实施方式中，所述数据处理模块和所述采样模块集成在一个模块中。

在一种实施方式中，所述采样模块、保持模块、量化模块和编码模块集成在一块PCB板上，所述PCB板与所述数据处理模块通过通信总线连接。

在一种实施方式中，所述保持模块、量化模块和编码模块集成在一个模块中。

在一种实施方式中，所述数据处理模块，包括：

第一处理子模块，用于根据所述模拟信号的波形类型选择对应的窗函数对所述第一采样数据进行平滑处理。

在一种实施方式中，所述第一处理子模块，用于根据所述模拟信号的波形类型选择如下窗函数中的一种对所述第一采样数据进行平滑处理：

布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗。

在一种实施方式中，所述第一处理子模块，用于在所述模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，根据所述模拟信号的电压和时间之间的对应关系，选择布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗中的任意一种对所述第一采样数据进行平滑处理得到第三采样数据。

在一种实施方式中，所述第一处理子模块，用于在所述模拟信号为幅值离散，时间连续的电压信号时，选择矩形窗对所述第一采样数据进行平滑处理得到第二采样数据。

在一种实施方式中，所述数据处理模块，还包括：

第二处理子模块，用于当所述模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，采用与所选择的窗函数对应的校正函数，对平滑处理后的第三采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理得到第二采样数据。

在本申请实施例提供的模数转换器中，通过将数据处理模块与采样模块和保持模块连接，使得数据处理模块对采样模块采集到的采样数据进行平滑处理，一方面，可以平滑采样数据中的噪声数据，减小采样数据的误差，提高ADC输出A/D转换曲线的准确性，另一方面，不需要进行大量数据处理，简单高效，易于实现，再一方面，在使用窗函数对采样数据进行平滑处理之后，选择与窗函数对应的校正函数对平滑处理后的采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理，能够消除窗函数为采样起点和采样终点的数据带来的误差，进一步提高了ADC输出A/D转换曲线的准确性。

应当理解，上述实用新型内容部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本公申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种ADC实际采样曲线和理想采样曲线的对比图；

图2是本申请实施例提供的一种理想A/D转换曲线和实际A/D转换曲线的对比图；

图3是本申请实施例提供的一种对离散电压信号进行加窗处理的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种对连续电压信号进行加窗处理的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种模数转换器的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种模数转换器的结构示意图。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。

本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

ADC的模数转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。下面将详细介绍取样、保持、量化及编码这4个过程。

采样：以固定的时间间隔提取模拟信号的幅值，将采集到的模拟信号的幅值作为样本值，其中，提取模拟信号幅值的时间间隔(或者也可以称为采样间隔)越短越能够正确地重现信号。但是缩短采样间隔会导致数据量增加，因而在实际应用中可以根据需要对采样间隔进行设置。

保持：在实际中，将采样所得信号转换为数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，采样得到的信号的幅值必须保持一段时间，而在相关技术中采样和保持的过程一般是同时完成的。

量化：虽然通过采样将在时间轴上连续的信号转换成了不连续的(离散的)信号，但采样得到的信号的幅值仍然是连续的值(模拟量)。此时可以在振幅方向上以一定的间隔进行划分，决定每个样本值属于哪一区间，将记在其区间的值分配给其样本值，这样的操作称为量化。量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是保持。正是有了保持过程，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。

编码：将量化后的信号转换为二进制数，即将量化后的信号用0和1的组合来表示的处理过程称为编码，“1”表示有脉冲，“0”表示无脉冲。当量化级数取为64级时，表示这些数值的二进制的位数必须是6位；当量化级数取为256级时，则必须用8位二进制数表示。

经过以上四个过程就可以完成模拟信号到数字信号的转换了。

示例的，图1是本申请实施例提供的一种ADC实际采样曲线和理想采样曲线的对比图，如图1所示，理想采样曲线是斜率恒定的线段，具体的，对于某一固定的参考电压来说，起始电压到终止电压之间的理想采样曲线是一条连续的线性函数。然而，由于ADC自身存在的精度误差以及采样过程中存在噪声干扰，使得实际采样曲线是一条弯折波动的折线，大部分采样点分布在理想采样曲线的两侧，只有少数采样点落在了理想采样曲线上，从而，实际采样曲线不能完全反映模数转换的输入电压和采样时间之间的一一对应关系。

示例的，图2是本申请实施例提供的一种理想A/D转换曲线和实际A/D转换曲线的对比图，如图2所示，理想的A/D转换曲线是一条以理想采样曲线为中心围绕其上下起伏的阶梯状折线，实际的A/D转换曲线是一条以实际采样曲线为中心围绕其上下起伏的阶梯状折线。参照图1，实际采样曲线不与理想采样曲线重合，存在偏差E_T。结果，实际的A/D转换曲线不能完全反映模数转换的输入电压和转换后的二进制数的一一对应关系，影响了A/D转换精度，导致了A/D转换结果的不准确。

针对图1和图2展现的问题，本申请实施例提供了一种模数转换器，用以减小采样数据的误差，提高ADC输出A/D转换曲线的准确性。具体的，该模数转换器包括采样模块、保持模块、量化模块、编码模块和数据处理模块。其中，采样模块，用于对输入到模数转换器的模拟信号进行采样处理，得到第一采样数据。数据处理模块与采样模块和保持模块连接，用于对采样模块的第一采样数据进行平滑处理得到第二采样数据，以减小第一采样数据中由ADC精度和噪声干扰造成的误差，提高ADC输出A/D转换曲线的准确性。保持模块用于将数据处理模块输出的第二采样数据保存预设时长，为量化模块输入稳定的数据，量化模块用于对第二采样数据进行量化处理，编码模块对量化模块的量化结果转换成二进制数，生成数字输出信号。由于本申请实施例提供的模数转换器能够通过数据处理模块对采样数据进行平滑处理，消减采样数据的误差，因而基于平滑处理后的采样数据生成的A/D转换曲线受到采样误差的影响较小、准确性较高。

实际应用中，考虑到窗函数可以用于对信号的波形进行平滑处理，消减噪声影响，因此，在一种可行的实施方式中，可以设置数据处理模块通过窗函数对ADC采集到的第一采样数据进行平滑处理。在该实施方式中窗函数的作用是减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。信号截断时，只能截取一定长度的信号，即使原始信号是无限长的，因此，好像是用一个“窗”(确切地说更像个“框”)去作这样的截取了。加窗实质是用一个窗函数与信号(该信号可以是时域信号，也可以是频域信号)作乘积的过程，使得相乘后的信号能够更好地满足信号变换(比如，傅里叶变换)的要求。不同的窗函数的时域形状和频域特征是不相同的。各种窗函数频谱特征的主要差别在于：主瓣宽度(也称为有效噪声带宽，ENBW)、幅值失真度、最高旁瓣高度和旁瓣衰减速率等参数。加窗的主要目的是用比较光滑的窗函数对截断后的信号进行不等计权，使被截断后的信号的突变变得平滑些，以此压低谱窗的旁瓣。因为旁瓣泄露量最大，旁瓣小了泄露也相应减少了。不同的窗函数具有不同的频谱特征。主瓣宽度主要影响信号能量分布和频率分辨能力。频率的实际分辨能力为有效噪声带宽乘以频率分辨率，因此，主瓣越宽，有效噪声带宽越宽，在频率分辨率相同的情况下，频率的分辨能力越差。旁瓣高低及其衰减率影响能量泄漏程度(频谱拖尾效应)。旁瓣越高，说明能量泄漏越严重，衰减越慢，频谱拖尾越严重。加窗函数时，应使窗函数频谱的主瓣宽度应尽量窄，以获得高的频率分辨能力；旁瓣衰减应尽量大，以减少频谱拖尾，但通常都不能同时满足这两个要求。各种窗函数的差别主要在于集中于主瓣的能量和分散在所有旁瓣的能量之比。窗函数的选择取决于分析的目标和被分析信号的类型。一般说，有效噪声频带越宽，频率分辨能力越差，越难于分清有相同幅值的邻近频率。选择性(即分辨出强分量频率邻近的弱分量的能力)的提高与旁瓣的衰减率有关。有效噪声带宽窄的窗函数，其旁瓣的衰减率较低，因此窗函数的选择是在二者中取折衷。

另外，考虑到实际应用中不同窗函数对不同波形类型的信号的平滑效果不同，因此，在一些可行的实施方式中，可以在数据处理模块中设置第一处理子模块，使得第一处理子模块能够根据输入到ADC的模拟信号的波形类型选择相应的窗函数对ADC采集得到的第一采样数据进行平滑处理，具体的，可以预先根据不同窗函数对不同波形类型的输入模拟信号的平滑效果，设置窗函数与波形类型的对应关系，在对采样数据进行平滑处理时，可以根据该对应关系选择相应的窗函数。其中，本实施例可选的窗函数包括但不局限于如下窗函数：布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗，也就是说，在根据模拟信号的波形类型选择窗函数时，可以从布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗中选择一个对采样数据进行平滑处理。比如，当模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，可以根据模拟信号的电压和时间之间的对应关系(电压和时间之间的对应关系，可以反映为波形的类型)，选择布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗中的任意一种对所述第一采样数据进行平滑处理得到第三采样数据，此时考虑到ADC的采样数据中采样起点和采样终点的数据是准确的，在采用窗函数对采样数据进行平滑后，可能为采样起点和采样终点的数据引入误差，为了保证采样起点和采样终点的数据的准确定，在这种情况下，还可以在数据处理模块中设置第二处理子模块，当模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，采用与所选择的窗函数对应的校正函数，对平滑处理后的第三采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理得到第二采样数据。再比如，当模拟信号为幅值离散，时间连续的电压信号时，第一处理子模块可以选择矩形窗对第一采样数据进行平滑处理直接得到第二采样数据，而不需要对采样起点和采样终点的数据进行校正。

具体的，本实施例中对于所有需要对模拟信号的采样数据进行平滑去噪的情况，均可以通过窗函数进行平滑处理，所加窗函数的类型可根据需要处理的信号波形的类型选择。例如在进行A/D转换参数测量时，需要对A/D转换的波形进行采样，该采样得到的采样点与理论值有偏差，可以通过对采样数据加窗函数平滑噪声得到与理论值接近的测量结果。加窗实质是利用一个窗函数与采样数据作乘积的过程。对于一个频谱周期内的每一段采样数据设置相应的窗函数进行截断处理，窗函数可以在采样数据中按照预设的步长移动确保每一段采样数据均经过窗函数去噪。由于每一小段采样数据内的噪声分布理论上被认为是均匀的，窗函数可平滑每一小段采样数据内的误差数据。

对于离散的有规律的电压信号波形，通常使用矩形窗进行处理，此时不需要对采样起点和采样终点的数据进行校正。示例的，图3是本申请实施例提供的一种对离散电压信号进行加窗处理的示意图，如图3所示，对信号发生设备发出的离散电压信号进行采样时，可以对采样的点数和采样电压值进行控制，信号发生设备边发送电压值，模数转换器边进行采样，按照预设的采样点每采完一个电压值之后，再控制信号发生设备发送下一个电压值，模数转换器随之进行采样，由此得到较为理想的采样数据，再通过窗函数对采样数据进行处理以平滑采样波形的噪声，此窗限定为矩形窗，可以明显的得出采样数据经ADC转换后得到的转换曲线的判决电平，以得出转换曲线的上升沿，由此得到较为理想的A/D转换曲线。

对于连续的线性信号波形，可根据连续的线性电压信号波形的类型选择相应的窗函数对采样数据进行处理，所加窗函数可选择布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平定窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗等等。加窗处理后，在一个采样周期内，由于采样起点和采样终点不存在误差，加窗处理后反而出现偏差，需要根据窗函数的类型选择相应的校正函数对采样起点和采样终点的数据进行校正。从而基于平滑和校正后的采样数据就可以得到较为准确的A/D转换曲线。示例的，图4是本申请实施例提供的一种对连续电压信号进行加窗处理的示意图，如图4所示，对信号发生设备发出的连续电压信号进行采样时，信号发生设备一次发送完整的电压信号波形，模数转换器随之进行采样得到采样数据，由于存在噪声干扰对连续电压信号采样所得的采样数据无法唯一确定采样点对应的电压值，需要通过窗函数对采样数据进行平滑以去除大部分的噪声，得到较为准确的采样数据。加窗处理后，在一个采样周期内，由于加窗处理采样起点和采样终点时窗函数自身会引入部分误差，需要再根据窗函数的类型选择相应的校正函数对采样起点和采样终点的数据进行校正，由平滑和校正处理后的采样数据，可以明显的得出采样数据经ADC转换后得到的转换曲线的判决电平，以得出转换曲线的上升沿，最终得出与理论值接近的A/D转换曲线。

图5是本申请实施例提供的一种模数转换器的结构示意图，如图5所示，模数转换器300包括集成在一块PCB板上的采样模块30、保持模块31、量化模块32、数据处理模块33、编码模块34。在本实施例中采样模块30、保持模块31、量化模块32、数据处理模块33、编码模块34的作用，以及采样模块30、保持模块31、量化模块32、数据处理模块33、编码模块34之间的连接关系与前述实施例类似，在这里不再赘述，在本实施例中通过将采样模块30、保持模块31、量化模块32、数据处理模块33、编码模块34集成在一块PCB板上能够提高模数转换器内部器件的集成度。

实际应用中，考虑到模数转换器中采样和保持，量化和编码的过程可以同时执行，因此，在一些实施方式中，可以将可同时实现的模块集成在同一模块中，比如，可以将采样模块30、保持模块31、数据处理模块33集成在同一模块中，再比如，可以将采样模块30和数据处理模块33集成在一个模块中，还比如，可以将保持模块31、量化模块32和编码模块34集成在一个模块中。当然这里仅为示例说明而不是对本申请的唯一限定。

图6是本申请实施例提供的一种模数转换器的结构示意图，如图6所示，模数转换器400包括采样模块40、保持模块41、量化模块42、数据处理模块43、编码模块44。其中，采样模块40、保持模块41、量化模块42和编码模块44集成在一块PCB板上，数据处理模块43通过通信总线与该PCB版连接。在本实施例中采样模块40、保持模块41、量化模块42、数据处理模块43、编码模块44的作用，以及采样模块40、保持模块41、量化模块42、数据处理模块43、编码模块44之间的连接关系与前述实施例类似，在这里不再赘述。

在本申请实施例提供的模数转换器中，通过将数据处理模块与采样模块和保持模块连接，使得数据处理模块对采样模块采集到的采样数据进行平滑处理，一方面，可以平滑采样数据中的噪声数据，减小采样数据的误差，提高ADC输出A/D转换曲线的准确性，另一方面，不需要进行大量数据处理，简单高效，易于实现，再一方面，在使用窗函数对采样数据进行平滑处理之后，选择与窗函数对应的校正函数对平滑处理后的采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理，能够消除窗函数为采样起点和采样终点的数据带来的误差，进一步提高了ADC输出A/D转换曲线的准确性。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (10)

1.一种模数转换器，包括采样模块、保持模块、量化模块和编码模块，其特征在于，还包括：数据处理模块，所述数据处理模块分别与所述采样模块和所述保持模块连接；

所述采样模块，用于对输入到所述模数转换器的模拟信号进行采样处理，获得第一采样数据；

所述数据处理模块，用于对所述第一采样数据进行平滑处理，得到第二采样数据；

所述保持模块，用于保存所述第二采样数据预设时长；

所述量化模块，用于对所述第二采样数据进行量化处理；

所述编码模块，用于对所述量化模块的量化结果进行转换处理，生成数字输出信号。

2.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述采样模块、数据处理模块、保持模块、量化模块和编码模块集成在一块PCB板上。

3.根据权利要求2所述的模数转换器，其特征在于，所述数据处理模块和所述采样模块集成在一个模块中。

4.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述采样模块、保持模块、量化模块和编码模块集成在一块PCB板上，所述PCB板与所述数据处理模块通过通信总线连接。

5.根据权利要求2或4所述的模数转换器，其特征在于，所述保持模块、量化模块和编码模块集成在一个模块中。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的模数转换器，其特征在于，所述数据处理模块，包括：

第一处理子模块，用于根据所述模拟信号的波形类型选择对应的窗函数对所述第一采样数据进行平滑处理。

7.根据权利要求6所述的模数转换器，其特征在于，所述第一处理子模块，用于根据所述模拟信号的波形类型选择如下窗函数中的一种对所述第一采样数据进行平滑处理：

布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗。

8.根据权利要求7所述的模数转换器，其特征在于，所述第一处理子模块，用于在所述模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，根据所述模拟信号的电压和时间之间的对应关系，选择布莱克曼窗、汉宁窗、汉明窗、平顶窗、凯塞窗、三角窗、矩形窗中的任意一种对所述第一采样数据进行平滑处理得到第三采样数据。

9.根据权利要求7所述的模数转换器，其特征在于，所述第一处理子模块，用于在所述模拟信号为幅值离散，时间连续的电压信号时，选择矩形窗对所述第一采样数据进行平滑处理得到第二采样数据。

10.根据权利要求8所述的模数转换器，其特征在于，所述数据处理模块，还包括：

第二处理子模块，用于当所述模拟信号为幅值连续、时间连续的线性电压信号时，采用与所选择的窗函数对应的校正函数，对平滑处理后的第三采样数据中的采样起点和采样终点的数据进行校正处理得到第二采样数据。

Images