TW425772B - Improved successive approximation A/D converter - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 d2577 2 ΑΊ B7 一 一· - ~ 五、發明説明.（1 ) 發明背景 本發明一般相關於類比至數位（A/D)轉換技術，且更 特別的舆增進連蹟逼近式暫存器A/D轉換有關》 通常，A/D轉換器構成任何多種可用的方法，將量度 ,之類比量轉換為數位的形式，因此有關之董數位的表示法 ' 可為電腦所處理、或顯示、或儲存。所謂”連讀式逼近"為 許多不同技術中最為流行者。不像其它方法，連續遍近式 A/D轉換的轉換時間，亦即將類比量轉換為數位形式的時 間間隔為固定的。也就是說，不論所轉換類比量的值為何 ，轉換的期間均相同。 參考圈1中習知連績逼近式轉換器的方塊圖，A/D轉換 器10由三個基本元件所組成，稱之為數位至類比轉換器 (βΑ〇12、連績逼近暫存器（SAR)15、及比較器16 »比較器 16比較（DAC)12的輸出，它是提供給比較器的輸入之一， 相關的一個類比量，典型的一個類比輸入信號VIN供應至 其它的比較器輸入。 在圈1中習知技術轉換器的操作，SAR 15、DAC 12、 及比較器16在一個閉迴路系統中操作來決定施加類比信號 V[N之數位（二進位）等值。系統決定每一位元的值，由最 -高有效位元（MSB)至最低有效位元（LSB)，連續的將先前的 範圍劃分為一半，在其中可獲得類比輸入訊號。例如，一 +7.2伏特的類比電壓位於相關的〇至16伏特的範圍之内。 SAR系統將有效範圍（〇至16伏特）割分為半，並由4位元的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公楚） ------------^------'1T------r - (請先閱讀背而之注意事項戽填寫木寊) A7 425772 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) DAC提供8伏特的輸出（二進位值1000)至比較器。比較器的 輸出顯示SAR現行的二進位值過高（亦即8伏特大於7. 2伏特 )。MSB值現已知為邏輯0，且可獲得之新的類比輸入電壓 有效範園介於0至8伏特之間》其次，SAR將新的有效範圍 劃分為半，並由4位元的DAC提供4伏特的輸出（二進位值 ,0100)至比較器。此時比較器的輸出顯示SAR現行的二進位 V值過低（亦即4伏特小於7.2伏特）。第二MSB值現已知為邏 輯1 ’且可獲得介於4至8伏特之間新的類比輸入電壓有效 範圍。此程序繼續至下兩個位元，且SAR獲得0111的二進 位輸出。該數位值提供作連續逼近近式A/D轉換器的輸出 ，且SAR暫存器清除為〇供下一個取樣轉換週期。 在實際的運用上，傳統連續逼近式A/D轉換器所遭遇 的問題，比較器有時非常困難決定由DAC所施加的電壓是 莕大於或、小於類比輸入電壓VlN，諸如當v【N接近於DAC值， 或當有雜訊的時候。圖2的信號圖中說明一範例’在其中 電麼V1N因系統雜訊、不穩定等而波動β在這些狀況下， 比較器吁在高及低的輸出間波動，因而有可能在傳統的SAR 轉換器的數位轉換值產生誤差》 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 依此，本發明的主要目的為提供連續逼近式類比至數 位轉換一增進的技術。 本發明更為特定的目標為提供增進的連續逼近式類比 至數位轉換，有相當妤的再生轉換，即使是將要比較輸入 間差異無法容易的由比較器判別出來。 發明概述 4 « 本f張尺度適财關------ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明.（3 ) 依據本發明’使用一種方法及電路以獲致A/D轉換增 進的重複性及穩定性。特別的，每次要執行的是類比輸入 信號的取樣及轉換，而非在每一期間單次的VIN取樣，每 一期間將類比輸入信號多次的取樣舆DAC的輪出比較。SAR 與額外的鎖存器及位移暫存器級共同應用，以容納每一 -DAC輸入位元選取的取樣數，以及多數決議值邏輯電路。 對一個赢得決議值的特別位元，取樣中二進位值的多數， 〇或1，為輸入至DAC的該位元位置的值。基於此原因， 任何給予位元的取樣數必需為一奇數（為達到多數），且最 小為3以計算重複及穩定性的需求而不會不當的降低連續 逼近法轉換的速度。 如果需要的話’多數的檢測方法可限定為在那些比較 器輸出顯示出波動之時。此可能在類比信號轉換為12位 λ 元數位值期間發生一或兩次。雖然如此，仍保持此需求使 得轉換處理較為可重複》例如，如果V1N將在稍為高於VDD 一半處執行轉換（例如高於一半2微伏（#V))，本發明增 進的SAR轉換器將仍獲致相同的轉換值，遠較習知技術Sar A/D轉換器為頻繁。轉換的重複性隨著輸入至多數決議值 邏輯電路數漸進的增加·» 依據本發明在執行可變類比輸入信號連續逼近A/D轉 換的較佳方法中’選取一參考範圍其上限包含類比輸入信 號的數位值’參考範圍的上限與預定期間類比輸入信號的 值比較’以獲得轉換的數位值最高有效位元（MSB)，將參 考範圍連續的劃分為一半，與該大小比較以從MSB獲得每 小 本紙—張尺度適用中国國家榇CNS ) Λ4規格{ 210X297公犮) (請先閱讀背面之注意审項再填寫本頁) 訂 1

五、發明説明_( 4 ) —連續有效位元至轉換數位值的最低有效位元（LSB)，參 考範圍刻分之次數視轉換數位值由MSB至LSB的位元數而 定，且在選取的時間内類比輸入信號的大小由在預定的期 間内快速的將類比輸入信號取樣奇數次獲得，並將取樣的 一致性作為其大小。奇數次至少為3 »由MSB至LSB的數 .位值於是為在預定的期間内類比輸入信號大小的轉換值。 敘述上多少有所不同，依據本發明，可變類比輸入信 號連續逼近式A/D轉換包括在預定的期間内快速的將類比 輸入信號大小取樣奇數次，至少3次，將每一取樣值與估 算為範圍内最大的第一預定參考值比較，在該處類比輸入 信號振幅位於預定的時間期間，以獲得二進位值表示取樣 值是否高於或低於第一參考值，並使用奇數次取樣對應二 進位值之多數為數位轉換的MSB二進位值。接著將參考值 ΐ半並與每一取樣比較，且由比較獲得的多數二進位值用 作次高有效位元。此參考值取半、比較及取多數二進位值 為每一後續位元的處理，持續至獲得數位轉換的LSB為 止。 經濟部十央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 依據本發明之連續逼近式A/D轉換器，包括產生一種二 進位值連讀形式的數位輪出的SAR，對應於連續的輸入， 範圍由2η最高有效位元(MSB)至2G最低有效位元(LSB)，其 中11十1為轉換中的有效位元數;基於該類比輸入信號的瞬間 大小與參考信號大小的比較，供應輸入至該SAR的比較器 ;當參考信號至比較器時，將連讀二進位值轉換為類比值 的裝置，以及執行關連於每一該連續二進位值之每一該奇 本紙張尺度適用中囤國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 425772 __________________ B7 五、發明説明（5) 數二進位值多數決議值的裝置，以提供修訂之連續二進位 值至該轉換裝置。在預定的期間内將類比輸入信號的大小 快速取樣作為比較器之輸入，以分別提供使用於執行多數 決議值時相對於傳送至該SAR之參考信號值，該奇數次二 進位值為該取樣奇數次之每一連績分別的值e SAR包含產 ,生一參考信號大小範園數位格式最上限的裝置，作為比較 V 用之參考信號。 本發明連績逼近式類比至數位(A/D)轉換器也可視為 包括供應與參考範圍最大值相關在預定期間類比輸入信號 大小的取樣’作為連磧逼近暫存器（SAR)二進位輸入的 裝置，該SAR配合將二進位連續輸入為基礎的參考範圍， 調整為較緊密包含用來改善於期間内類比輸入信號取樣的 大小代表較佳數位輸出之類比輸入信號；以及將在期間内 資二進位輸入多數決議所建立基準值不同之二進位值取樣 放棄，以進一步調整該參考範圍的裝置。其中對參考範圍 的數位表示法之每一有效位元，供應取樣以提供一至少為 3的奇數次二進位輸入至SAR，包括連續調整範圍，以決 定在預定期間每一有效位元數位表示之多數值。耦合至 SAR的邏輯裝置檢測或決定在數位表示的每一個有效位元 的多數二進位值》SAR具有一效率的數位内容，在決定預 定期間參考範圍之每一有效位元數位表示的多數二進位值 後，構成在該預定期間可變輸入信號的數位輸出表示。 本發明之另一目標，是在信號有雜訊或波動之週期期 間，將要轉換的類比信號以多重高速取樣來改進迷續逼近 本紙張尺度賴中關家標♦ ( CNS ) Λ4祕（21GX297公楚> (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、π 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 425772 A? A7 B7 五、發明説明（6) 式A/D轉換之重複性、準確性及可靠度。 ffl式簡述 經由考量本發明包含於較佳方法及實施例之實際應 用，下列現行顇期最佳模式之詳細描述連同附圖，本發明 上述及進一步的目的、目標、觀點、特性及隨之而來的優 ,點將會很明顯，其中： * ·*. 圖1為上述習知技術連續逼近法A/D轉換器的方塊 1¾¾ * OT， 圖2為上述連續逼近法A/D轉換器輸入至比較器的 類比輸入信號的信號圖，經過一包括取樣週期的時間後轉 換為數位形式。 圖3為一取樣及A/D轉換圖，描述本發明之多數檢 測概要範例結果。 "圖4為依據本發明SAR部份及連硪逼近法A/D轉換 器之相關邏輯的較佳實施例方塊圖。 較佳方法及實施例之詳細說明 參考圖3，在如本發明圖2中連續逼近A/D轉換器的 類比輸入信號VIN，為在預定之非常短時間内高速率多次 取樣，緊密的對應於在標準連硪逼近A/D轉換器典型取樣 的預定時間。此多次取樣因此是在信號可能相對快速的波 動或游逸下進行，在傳統的連續逼近A/D轉換器甲，將產 生單一的取樣，而可能無法由比較器造成一準確的轉換輪 出位元。例如，如果取五個樣本，分別標示為圖3中的S1、 S2、S3、S4及S5，將分別產生1、0、1、1及0 »大多數 本紙張尺度適用中國國家栋準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） —.—-------0------II------I (請先閲讀背而之注意事項再填寫本頁) A? 425772 五、發明説明（7) 的這些取樣為1(5個中的3個值為二進位ι)，因此一個 二進位的1構成由轉換處理的這個部份導出的值。 ----------0------1T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在傳統的SAR15 A/D轉換器1〇(圈1)令，多個單獨暫 存器級中的每一個包含單獨鎖存及移位暫存器，在每一比 較後對其供應取樣。依據本發明在SAR的A/D轉換器範例 :上提供相同的基本配置。除了取樣率明顯的增加外，基於 多數的決議值或同意，檢視多重取樣達一個適當的值，而 非使用每一單獨取樣為轉換處理的基礎。高取樣率將快速 變化類比輸入的改變考量在内來準確的描述這些波動。奇 數的多個級形成連續逼近暫存器的基本單元因而接受多個 在一預定期間内獲得的取樣，且類比信號此期間的連續取 樣之多數二進位值用來決定這些期間轉換處理的數位輸 出。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 " 從比較器來之輸出位元中的取樣結果，與圖3所敘述 之類似，除了在本發明SAR的較佳實施例中之外，對·-特 別有效位元（用作一給予之DAC輸入位元）決定SAR内容所 採用的重複取樣數為一最小值3〇將這些位元餚入移位暫 存器的三個連續級，以相關的鎖存器在整個取樣期間保存 儲存的位元》應瞭解取樣在應用至比較器之前執行，或將 比較器時計輸出至SAR内的效應》在後者的這項安排中當 比較器的參考信號值保持為常數時，如果類比輸入信號振 幅在該期間内有足夠的改變量，比較器的輸出在選取的時 間區間内將會改變。在每一時鐘信號時為所關注的有效位 元將比較器輸出之差異置入SAR的暫存器級。 本紙張尺度適用中國囤家榡準（〇^)六4規格（2丨0，；<297公尨） '4 25 7 / ：_ at B7 五、發明说明( 8 ) 例如，圖4所顯示實施例SAR 25的一部份，三個位 元組成三個取樣的比較結果其值為1、0及1，取代習知 技術SAR中的傳統單次取樣^暫存器的内容以多數檢測邏 輯電路27並聯檢測，決定多數或一致的值並傳送該位元 值至DAC 12作為下一個比較轉換為類比值之比較器（曲4 -中未顯示）所使用之位元數β對SAR的每一個有效位元， 奇數級得以為該位元決定一多數的二進位值。在圖4的範 例中，三級SAR 25的第一個内容由邏輯27檢測為多數二 進位值1，提供DAC位元7的值。如果將傳統配置中sar 第一取樣（第一級）的内容用作DAC位元值，將與圖4配置 中多重取樣所收到具有相同的值，但前者的轉換處理將不 如本發明方法之多數規則/數位濾波可靠。 經濟部中央標牟局員工消費合作社印製 多極的每一級依循相同的程序，以其多數或一致的内 容建立下一 MC位元的值等。以該方式決定的每一位元可 在一鎖存器（未顯示）中獲取《SAR可以且較佳的使用多級 位移暫存器及多數檢測邏輯以及相關的邏輯來發展每一 DAC位元《或者，一適當的SAR可包含並聯位移暫存器， 多級及單級各一個，當類比信號特性保註時，具有可切換 的輪入’得以將一些比較位元施加於多級暫存器，以多數 檢測邏輯決定下一 DAC位元，以及其它將施加至單級作為 直接輪出至可使用DAC位元輸入的比較位元等。 本發明速續逼近A/D轉換器的典型應用為一具非常高 解析度之12位元系統40伏特4096個狀態，且下降至3/4 毫伏（250微伏）。在如此之應用中，V+及V—間（如圖2所 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（〇~5)六4規格（210\297公髮） A7 五、發明説明.（9) 一~" " 〜 述之信號）些微差異的狀況下，可能常遭遇到檢測的困難， 因此多級SAR提供的準確度、解析度及重複力，以及本發 明之多數規則為高度需求的特性。 在需要監督電池充電狀態電子裝置的應用中，諸如揭 帶式個人電腦的電池，當電池完全充滿時將顯示電壓的偏 二移。當電池上的電壓開始些微的下降如ί/4毫伏時，達到 適當的充電狀態β充電位準的監視器，通常稱之為"燃料 計"’在該等位準必須足夠準確以確保電池不會過度的充 電’且因此’ 一旦達到完全的充電，將充電電路關閉。如 果A/D轉換處理不可重複且達高度精確的話，可能造成電 池之充電不足’對裝置該電池的系統造成有害的效應。 雖然已在此以相關速之某些較佳方法及實施例，討論 f行本發明現行意圖之最佳模式，那些熟知本發明技術的 人士將瞭解’可對本發明之方法及實施例作變更及修訂而 不會偏離本發明之真實精神與範圍。因此之意圖，本發明 將僅受限於附錄專利申請範圍及適用法律之規定及原則。 •11- ^本纸張尺度.¾家料（

Claims (1)

1. 425772 a8 C8 D8 7T、申請專利範圍 1. 〜種執行可變類比輸入信號以連續逼近類比至數位轉 換的方法，包括為該類比輸入信號選取一數位值的參 考範圍，在一預定的期間將該參考範園的上限與該類 比輸入信號的大小比較，以獲得該轉換數位值的最高 有效位元(MSB)，將該參考範園連續的劃分為一半與 該大小作比較，由該轉換數位值之MSB至最低有效位 元(LSB)獲得每一連續有效位元，其中將該參考範圍劃 分的次數視該轉換數位值由MSB至LSB的位元數而定 ，且在該預定期間獲得該類比輸入信號的大小，是由 在該預定期間對類比輸入信號作一奇數次快速的取樣 ，且將該取樣的一致為該大小。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將該類比輸入 > 信號在該預定時間内取樣奇數次的最小次數為3。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，包括由MSB至LSB 輸出數位值作為在該預定時間内類比輪入信號轉換值 的大小。 經濟部中央揉準局員X消費合作社印裝 ----------^------,订 (請先H讀背面之注意^項再填寫本頁) 4. 一種可變類比輸入信號迷續逼近式類比至數位轉換的 方法，包括將類比輸入信號的裱幅在預定時間内快速 取樣奇數次，將每一取樣值與估算為一範圍最大值的 第一預定參考值比較，其中該類比輸入信號的振幅位 於該預定期間内以獲得代表該取樣值是否在第一參考 值之上或之下的二進位值，並使用奇數次取樣對應二 進位值的多數為最高有效位元(MSB)二進位值作數位 -12- 參紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ~ " Αδ 68 C8 D8 425772 六、申請專利範圍 轉換；將參考值取半且將每一取樣值與取半的參考值 此較，且使兩由比較獲得之多數的二進位值作為次二 MSB ;持續此參考值取半的處理，比較並以多數二進 位值為每一後讀位元的值，直到數位轉換的最低有效 位元為止。 :5.如申請專利範圍第4項所述之方法，其中在該預定期間 該類比輸入信號奇數次快速取樣至少為3次。 6.如申請專利範圍第5項所述之方法，包括連績取樣的重 複處理，將每一次取樣與連續取半的參考值比較，並 將相關於每一預定時間，分别取半參考值之每一組取 樣，取多數的二進位值，以獲得類比輸入信號的瞬間 振幅由MSB至LSB連硪轉換為數位的格式β 7. 一種連續逼近式類比至數位(A/D)轉換器將可變類比輪 入信號轉換成大小表示為數位的形式，包括： 連續逼近暫存器（SAR)產生一種二進位值連續形式的 數位輪出，對應於連續的輸入，範面由2»最高有效位 元(MSB)至20最低有效位元(LSB)，其中n+1為轉換中 的有效位元數， 經濟部央標隼局員工消奢合作社印製 供應輸入至該SAR的比較器，基於該類比輸入信號的 鱗間大小與參考信號大小的比較， 當該參考信號至該比較器時，將連續二進位值轉換為 類比值的裝置，以及 執行關連於每一該連續二進位值之每一該奇數二進位 值多數決議的裝置，以提供修訂之速續二進位值至該 -13 t紙張尺度適财關家標準（CNS) A4規格（2ι{)χ297公舞） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 425772 鉍 C8 ____ D8 '' ' _ - . ~ ~ | 六、申請專利範圍 轉換裝置。 8.如申請專利範園第7項所述之A/D轉換器，包括： 在預定的期間内將該類比輸入信號的大小快速取樣作 為該比較器之輸入，以分別提供使用於執行該多數決 議時相對於傳送至該SAR之該參考信號值，該奇數次 :, 二進位值為該取樣奇數次之每一連續分別的值。 9·如申請專利範圍第7項所述之A/D轉換器，其中： 該SAR包含產生該參考信號大小範圍數位格式最上限 的裝置，供該比較器與該類比輸入信號比較之用。 10·—種連續逼近式類比至數位(A/D)轉換器，產生代表可 變類比輪入信號的數位輸出，包括： 供應與參考範圍最大值相關之在預定期間類比輸入信 號大小的取樣，作為連績逼近暫存器（SAR)二進位輪 入的裝置； 該SAR配合適用於將以該二進位連續輸入為基礎的參 考範圍，調整為較緊密包含用來改善代表較佳數位輸 出之該類比輸入信號於該期間内類比輸入信號取樣的 . 大小；以及 將在該期間内與二進位輪入多數決議所建立基準值之 不同二進位值之取樣放棄，以進一步調整該參考範圍 的裝置》 11.如申請專利範圍第10項所述之A/D轉換器，其中對參 考範圍的數位表示法之每一有效位元，供應該取樣以 提供一至少為3的奇數次的二進位輸八至該SAR，包括 14 ^ 本紙張尺度通用中國國家&準（CNS ) Λ4現格（210X297^7^--------- H ~~裝 I n n il ^ (請先Μ讀背面之注項再填寫本頁) ABCD 425772 六、申請專利範圍 連續調整該範園，以決定在該預定期間該數位表示之 每一有效位元的該多數。 12.如申請專利範圍第η項所述之Α/〇轉換器，包括耦合 至該SAR的邏輯裝置，以決定在該預定期間該參考範 園之該數位表示令每一有效位元的多數二進位值。 13·如申請專利範面第12項所述之A/D轉換器，其令該SAR 具有一效率的數位内容，在決定該預定期間該參考範 圍之該數位表示中每一有效位元的多數二進位值.後’ 構成在該預定期間可變輸入信號的該數位輸出表示》 請 先 聞 A 之 注 I 本 f 經濟部中央榡準局員工消費合作钍印製 15-