TW483262B - Analog to digital converter and method using asynchronously swept thermometer codes - Google Patents

Description

483262 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明之詳細勃i •本發明係關於類比至數位（A/D)變換器，特別是關於其中 使用非同步掃描熱度計碼以完成A/D變換之一種A/D變換 器。 本發明之昔吾 ， 應用平行結構之習用A/D變換器例如快閃變換器，目前 已廣<使用於電子電路中，在此種變換器中，一類比輸入 信號被轉換成一數位二進熱度計碼，然後使用一轉換表將 該碼轉換咨成二進碼，該熱度計碼係用以產生一類比斜坡 電壓r，其値以與一類比輸入電壓比較，俾以可選擇方式決 疋何時類比至數位之變換發生。 正説明之該型習用A/D變換器有數項缺點，第一，該型 之習用變換器通常使用高速時脈，該時脈需有數時鐘週 期，及因而需較長之時間週期，在類比至數位變換發生前 以同步方式將擬予以數位化之信號取樣，第二，此種變換 器亦通常使用多個電壓比較器，以將類比輸入電壓與多數 間隔一致之基準電壓比較。此等比較器乃相當複雜，佔據 極大之表面積及消耗大量之電力。最後，各電壓比較器之 隨機偏移將非直線性引入A/D變換而阻礙該變換在一選擇 之類比輸入電壓時發生時之準確度。 本發明之概要 一A/D變換器使用一連串之緩衝器以產生一非同步掃描 熱度計碼，該碼係用以獲得與一輸入電壓比較之斜坡電壓 (ramp voltage)，俾能以可選擇方式決定d/a變換發生時之 電壓。當該斜坡電壓等於輸入電壓時，在此時存^之熱度 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---— Ill — — — — ΪΙΙΙΙΙ—^--I I ί I I I .« (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 止數70通過各緩衝器之傳播而予以凍結及(2) 产。 將孩碼轉譯成二進碼以確定數位化電壓之幅 】者 連♦緩衝器之使用能使該熱度計碼被低於習 一 A/D又換&所用頻率之_頻率掃描。更有利者，使用單 Γ之電壓比較器需要較習用A/D變換器爲少之電力，以及 、、不乂非、.泉性方式引人該A / D變換，故與習用之A / D變換 器比較，可得到改進之轉換分解度。 選^式之簡單説明 圖1顯示使用根據本發明之掃描熱度計碼之— A/D變換 器之第一示範實例。 · 圖2顯不使用根據本發明之掃描熱度計碼之一 a/d變換 器之第二示範實例。 本發明之詳細説明 圖1顯示根據本發明使用掃描之熱度計碼之一 A/D變換 器足第一示範實例。A/D變換器丨〇使用一連串i 2之緩衝 器14，16，18···η以產生逐漸增加之熱度計碼，一列二進 碼係從該熱度計碼獲得，此二進碼係用以產生一類比斜坡 電壓，該-電壓乃與擬予以數位化之類比輸入電壓vin作一 比較，VIN係跨加於一電阻器2〇。當該類比斜坡電壓等於 可選擇之VIN時，熱度計碼被停止，故該碼不再增加並係 轉變成表示已數位化電壓之幅度之二進碼，類比輸入電壓 則被轉換成該數位化電壓。 熱度計碼係由通過緩衝器鍵1 2傳送之1 s產生。在時鐘 -5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I-----------裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--- 483262 A7 B7 五、發明說明（ .3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 2所產生之每一複製脈波時，緩衝器14··.η被複製於零、 當複製脈波終止時，邏輯1係饋入緩衝器1 4及連續通過鍵 12中之其他緩衝器之傳送，以產生一熱度計碼，構成該熱 度計碼之緩衝器14，16，18···]!之輸入係經由引入線14，， 16f，18’.··η’而輸入一轉換表24，該表將熱度計碼轉變成具 有六數元之二進碼，然後分別經由引入28，3〇，32，34， 3 6及3 8輸入一 D/A變換器26，該二進碼於該時由d/a變換 器26轉換成具有64之分解度，即由於該二進碼具有六數 元之2 6，幅度位準之一斜坡電壓。因此a / D變換器丨〇使用 64緩衝斋。該二進碼不需具有六個數元，而可代以具有能 使所用取大數目例如n之緩衝器產生該碼之任何可選擇數 之數元。 在D/A變換器26之輸出處之斜坡電壓係輸入於一運算放 大器42之反相輸入4〇。一電阻器44係耦合於放大器42之 反相輸入40與輸出電壓ν〇υτ46之間。然後Vin與在d/a變 換器2 6輸出處之斜坡電壓組合，俾於斜坡電壓之値與AN 之値相交時使放大器42之輸出46自負變爲正。耦合於放 大器42之輸出46之單一電壓比較器48於輸入4〇係小於零 或爲負時產生+1，並於輸入40係大於零或爲正時產生q。此 自+1至-1之改變發生於來自D/A變換器26之斜坡電壓與_ VIN之相人.基準私壓VREF供給VIN之最大振幅於D/A變換 器2 6 〇 電壓比較器48之輸出係分別耦合於緩衝器14, 16, i8. n 俾於比較器48之輸出改變至]時，緩衝器14, 16, ΐ8…^^被 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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IN A7 __B7___ 五、發明說明（」4 ) 停止，故1 s不致更向下傳送至緩衝器鏈1 2，在引入線 2 8，30，32，34，36及38上之各數元係耦合於一鎖定器 5 0之輸入及在次一時鐘脈衝時出現於鎖定器5 〇之輸出。 此等數元乃係VIN之所選數値之數位表示法，在vIN之該數 値時，D/A變換器26將類比信號轉換成數位信號。 A / D變換器1 0在以與習用A / D變換器相比擬之特定vIN 執行類比至數位變換時提供改良之分解度。不過在分解度 中之此項改良乃以完成變換所需時間上增加之代價獲得， 因爲必須使用更多之緩衝器以產生用於轉換之熱度計碼。 此外，僅用單一之電壓比較器4 8時，A / D變換器1 〇使用 較少之電力，且亦較習用之A/D變換器引入非直線性於 A / D之變換較少之。 圖2顯示根據本發明使用非同步掃描熱度計碼之一 a / d 變換器5 2之第二實例。A / D變換器5 2提供較習用A / D變 換器爲改良之分解度而無與A/D變換器1 0有關之在變換時 間上之相應增加。如同A/D變換器1 〇，假定a/d變換器 5 2使用六數元之二進碼。爲簡化起見，與圖1中所示a/d 變換器1 0有相同功用之圖2中所示A / D變換器5 2之各組件 被指定爲使用相同之編號。 A/D變換器52獲得改良之分解度乃因等分之最大振 幅，A/D變換器52係設計成在該振幅上操作進入零與所選 最大電壓間之一預定數之電壓範圍中。舉例而言，如若v 係在第三範圍中，可使用普通之比較器以提供電壓斜坡之 幅度已獲致至少如同變換可發生之第二範圍上限一樣大數 --------------------^----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483262

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（·5 ) 値之接近即時指示。因此，與裝置10不同，裝置52不要 求爲使變換發生，1 s須傳送通過緩衝器鏈1 2之所有緩衝 器。 ▽^1?供應¥^之最大振幅於〇/入變換器2 6並係施加於轉合 在VREF與地電位間之串聯電阻器54，56，58及60。如若此 等電阻器具有相等之數値，接點J1，J2及J3乃處於Vref之 25%，50%及75%，及D/A變換器52使用16緩衝器，即64數元/4 電壓範圍。接點】1，了2及了3係分別由引入線62,64及66 耦合於普通比較器68，70及72之輸入，第四個普通比較 器7 4之相當輸入係耦合於地。 當VIN係在最低之四分之一即25%範圍時，比較器7 4輸出 1及多個普通比較器6 8，7 〇及7 2輸出〇s。如若Vw超過在 任一接點J1，】2或〗3之電壓，則其連接之普通比較器輸 出1。因此舉例而言，如乂^係在乂1^之30%即在25%與50% 之間’比較器6 8及7 4輸出1 s及比較器7 0與7.2輸出0 s。 、曰’通比較器6 8，7 0，7 2及7 4之輸出係經由引入線68，， 70’ ’ 72’及74’轉合於一轉換表76及緩衝器14，16，18...n (缝1 2之輸出係經由引入線14,，16,，18，…n，耦合於轉換表 2 4。在時鐘之每脈衝，產生一複製脈衝。當該脈衝終止 時’债入一第一緩衝器14之邏輯1傳送通過緩衝器鏈12。 在本發明之可選替實例中（未示）可與A/D變換器52所用者 不同而使用不同數目之比較器及緩衝器。 轉換表76將普通比較器68，70，72及74之輸出及緩衝 器1 4 ’ 1 6，1 8 ··· η之輸出轉換成二進數位碼，該數位碼 -8 - 本紙張尺度適財@國家核平（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ------------裝--------訂----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483262 A7 B7_ .__ 五、發明說明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 係經由引入線28，30，32，34，36及3 8輸入於D/A變換 态26。當D/A變換器26輸出處之類比斜坡電壓於之電 壓時’主比較器4 4輸出-1，使緩衝器1 4，1 6，1 8…η停 止。引入線28，30，32，34，36及38係耦合於鎖定器 5〇，以及於次一時鐘脈衝時，在此等引入線上之電碼係轉 移至鎖定器5 0之輸出作爲VIN之二進數位碼。 爲進一步改良A/D變換之分解度，可使用多個a/d變換 器10或52疊接在一起製成之多級之a/d變換器。在此多 級之A/D變換器中’來自第一級之ν〇υτ被放大及輸入相同 之第一級’或另一方式’ V0UT並不先予以放大即輸入具有 較小VREF之弟二級及因而有較第一級爲彳圭之分解彦。因爲 一 A / D變換器之複雜性隨擬轉換之數元數之增加而以指數 方式增加’即需要大量之緩衝器以轉換大量之數元，使用 多級結構之一種A/D變換器以轉換大量之數元殊屬有利， 在該多級結構中，每一級轉換擬予以轉換數元之全部數量 之一部分。此使一裝置得以較迅速完成及可使用較單一級 裝置之A/D變換器爲少之電力轉換各數元。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 鑒於上文之説明，熟諳本技藝者對於本發明之許多修正 及各可代替實例乃係顯然可知。因此，前列説明乃可解釋 爲僅屬例示及爲了敎導熟諳本技藝者以最佳方式將本發明 付諸貫施、結構之細郎可在貫體上有所改變而不背離本發 明之精神，並保留在所附專利請求範圍内之所有修正之獨 享使用。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 483262 第89120466號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(90年12月) A BCD 1-I正充修補 4 年 六、申請專利範圍 1. 一種類比至數位（A/D)變換器，包含 一電碼產生器，用以產生一種遞增之熱度計碼，該電 碼產生器包括一連串之緩衝器； 一翻澤器’將該熱度計碼轉變成斜坡電壓；以及 一比較器，用以將該斜坡電壓與一類比輸入電壓比 較，並於該斜坡電壓等於一特定類比輸入電壓時供給 一仏號’该#號使熱度计碼被停止，其中被停止之熱 度计碼表TF該類比電廢之數位化振幅。 2 ·如申凊專利範圍第1項之A / D變換器，另包含一控制器， 響應於該特定之類比輸入電壓以停止該熱度計碼。 3 ·如申請專利範圍第1項之A/D變換器，其中該翻譯器包括 一轉換表，用以將熱度計碼成二進碼，以及耦合於該轉 換表之一 D/A變換器乃用以將該二進碼轉換成斜坡電 壓。 4 .如申請專利範圍第1項之A/D變換器，另包括用以定期複 製該電碼產生器之複製裝置。 5 ·如申請專利範圍第1項之A/D變換器，其中該電碼產生器 包括一信號指示器，用以指示多數電壓範圍中之何種範 圍為該類比電壓所超過。 6·如申請專利範圍第5項之A/D變換器，其中該信號指示器 包含： 一電壓除法器，耦合於類比電壓之最大可能數值與該 類比電壓之最小可能數值之間，該電壓除法器具有多 數之輸出；及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 483262 8 8 8 8 A BCD 六、申請專利範圍 多個比較器，以其第一輸入耦合於類比輸入電廛所施 加之一終端，及以第二輸入耦合於電壓除法器之輸出。 7 ·如申請專利範圍第1項之A/D變換器，其該類比電壓之 最小可能數值為地電位。 8 ·如申請專利範圍第1項之A/D變換器，其中該比較器包 含： 一運算放大器，具有一反相輸入，一非反相輸入及一 輸出，該類比電壓與斜坡電壓之組合係施加於該反相輸 入；以及 一主比較器，耦合於該運算放大器之輸出。 9· 一種類比至數位（A/D)變換器，包含： 一運算放大器，具有一反相輸入，一非反相輸入及一 輸出； 一第一電阻器，耦合於擬予數位化一類比輸入電壓所 施加之一終端與該非反相輸入之間； 一第二電阻器，耦合於該反相輸入及運算放大器之輸 出間； 一比較器，耦合於該放大器之輸出； 一連串緩衝器，其中邏輯/被饋入該緩衝器鏈之第一 緩衝器； 複製裝置，用以複製該鏈之緩衝器於邏輯〇輸出； 一轉換表，耦合於各緩衝器之輸出，以將在各緩衝器 中之邏輯1轉變成二進數位碼；以及 一 D/A變換器，耦合於該轉換表，以接收及將該二進 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公*) --------D8 _ 六、申請專利範圍 數位碼轉換為一斜坡電壓，該斜坡電壓係輸入運算放 大器之反相輸入，以產生輸出電壓之數位化表示法。 10· —種類比至數位（A/D)變換器，包含： 用以產生遞增之熱度計碼之裝置，該熱度計碼之產生 裝置包括一連串之緩衝器； 用以將該熱度計碼轉變成一斜坡電壓之裝置；以及 用以將該斜坡電壓與一類比輸入電壓相比較並於該斜 坡電壓等於一特定類比輸入電壓時提供一信號之裝 置，該信號使熱度計碼停止，其中被停止之熱度計碼 表示該類比電壓之振幅。 11· 一種類比至數位（A/D)變換器，包含： 指示裝置，用以指示多數連續之電壓範圍中何者為一 類比輸入電壓所超過； 一連串緩衝器； 加載裝置，用以將邏輯1饋入在緩衝器鏈一端之一緩 衝器中， 複製裝置，用以定期複製各緩衝器，故邏輯〇乃從各 緩衝器輸出並使邏輯1能饋入該緩衝器，以傳送通過在 緩衝器鏈中之其他緩衝器； 斜坡電壓產生裝置，響應於該指示裝置及該缓衝器輸 出中邏輯1之存在而產生一斜坡電壓； 比較裝置，用以將該斜坡電壓之振幅與一所選之類比 輸入電壓比較； 控制裝置’用以於該斜坡電壓之振幅等於所遽之類比 -3- 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 483262 A B c D 六、申請專利範圍 輸入電壓時，停止邏輯1通過該串緩衝器之傳送；以及 電碼產生裝置用以於各緩衝器被停止時產生相當於該 斜坡電壓振幅之一數位碼。 12· —種類比至數位（A/D)變換器，包含： 信號裝置，用以指示多數連績之電壓範圍中為一類比 輸出電壓所超過之最高範圍； 電碼產生裝置包括一連串之緩衝器及該信號裝置，用 以產生一熱度計碼，該碼具有相當於多數電壓範圍中 為該類比輸入電壓所超過之一最低範圍之一起始值， 數值從該起始值起遞增； 電壓產生裝置，用以產生相當於該熱度計碼之一斜坡 電壓； 比較裝置，用以將該斜坡電壓與類比輸入電壓比較， 並於該兩電壓相等時產生一信號；以及 控制裝置，響應於該信號使熱度計碼停止，被停止之 熱度計碼為在該時之類比輸入電壓振幅之數位化表示 法。 13· —種用以將一類比電壓轉換成其數位表示法之方法，包 含下列之各步驟： 使用一連串緩衝器產生一熱度計碼； 產生相當於該熱度計碼之一斜坡電壓，其中當該熱度 计碼增加時該斜坡電壓增加； 將該斜坡電壓之振幅，與一類比輸入電壓之振幅比 較； -4- 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS) A4規格(210X297公釐) 當該類比電壓及斜坡電壓具有相同之振幅時產生一第 一信號； 響應於該第-信號，使該斜坡電壓之振幅停止’·以及 在所述之V止時間，將熱度計碼轉換成該類比輸入電 壓之數位表示法。 如申請專利範圍第13項之方法，其中該熱度計碼係以下 列之步驟產生： 提供多個時鐘脈衝； 提供在每一時鐘脈衝時發生之類比輸入電壓之一樣品； 提供一基準電壓； 將該基準電壓分成至少兩個連續之範圍； 獲得指示各電壓範圍已為該電壓樣品超過之一第二信 號；以及 " 使用一連_之緩衝器，以在每一連續之時鐘脈衝時供 給一第三信號。 K如申請專利範圍第14項之方法，其中該斜坡電壓係以下 列之步驟產生之： 將第一及第二“號镇合於一轉換表，提供代表該第一 與第三信號之數值和之一數位信號；以及 將該數位信號施加於一 D / A變換器。 16·如申請專利範圍第15項之方法，其中該斜坡電壓係以下 列之步驟停止之： 當該斜坡電壓超過類比輸入電壓時提供一第四電譽. 及 -5- 阳262

   κ、申請專利範圍 響應於該第四電壓，使各緩衝器停止作用。 17· —種用以產生斜坡電麼俾與擬予數位化之類比電恩比 較之裝置，包含： 至少一比較器，具有擬予以數位化之類比輸入電壓所 施加之一輸入及一輸出； 一連串之緩衝器； 加載裝置，用以將邏輯1饋入緩衝器鏈中之第一緩衝器； 啟動裝置’用以啟動該加載裝置，其中邏輯1傳送通 過一連事之緩衝器； 一轉換表，耦合於該比較器之輸出及該鏈之各緩衝 器，用以產生表示該比較器與各緩衝器所指出範圍總 和之幅度之二進數位碼，此二進數位碼係該類比輸入 電壓之數位表示法，以及 一D/A變換器，镇合於該轉換表之輸出，以產生一斜 坡電壓。 18· —種用以產生一斜坡電壓俾與擬予以數位化之一類比電 壓比較之方法，包含下列之各步驟： 將一類比輸入電壓之最大振幅分成為多個電壓範圍； 確定在一指定時間該類比電壓所超過之各電屢範圍； 發起邏輯1在該指定時間通過該鏈緩衝器之傳送；以及 獲得相當於該類比電壓及邏輯1已傳送通過之各緩衝 器所超過最高電壓範圍總和之一斜坡電壓。 19·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該類比電壓：係以下 列各步驟分成多電壓範圍： -6 - 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 483262

   使用具有在每一電壓範圍最大一端之輸出電壓之一電 壓除法器，·及 將各輸出電壓與該類比電壓比較以確定該類比輸入電 壓所超過之電壓範圍。 20·如申請專利範圍第丨8項之方法，其中該斜坡電壓乃以下 列各步驟獲得： 將S類比輸入電壓及邏輯1已傳送通過之各緩衝器所 超過最高電壓範圍之和施加於一轉換表，該表將上述 之和轉換成一種二進數位碼；以及 施加該數位碼於一 D/A變換器。 21· —種用以獲得表示一類比電壓振幅之電碼之方法，包含 下列之各步驟： 獲得一斜坡電壓； 將一類比電壓及該斜坡電壓施加於一運算放大器，俾 於该斜坡電壓超過該類比電壓時其輸出改變正負號； 當該斜坡電壓係小於該類比電壓之振幅時產生邏輯 1 ;及當該斜坡電壓之振幅大於類比電壓之振幅時產生 邏輯-1 ; 響應於邏輯-1，停止邏輯1之通過一連事緩衝器；以及 將該類比電壓所超過之電壓範圍及所述停止發生時邏 輯1已傳送通過之緩衝器轉變成表示該類比電壓幅度之 一數位碼。 22.如申請專利範圍第2 1項之方法’其中該碼為二進之數 位碼。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4规格(21〇 χ 297公董)

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