TWI436598B - 類比數位轉換器、具有非線性解析度的類比數位轉換系統、資料讀取系統、處理類比輸入訊號的方法、將類比訊號轉換成數位訊號的方法及資料讀取方法 - Google Patents

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Description

類比數位轉換器、具有非線性解析度的類比數位轉換系統、資料讀取系統、處理類比輸入訊號的方法、將類比訊號轉換成數 位訊號的方法及資料讀取方法
本發明係有關於一種類比數位轉換器(analog－to－digital converter)，特別是關於一種用於資料讀取系統(data readout system)的類比數位轉換器。
由於時常需要將大量的訊息從類比訊號轉換成數位訊號，高速的類比數位轉換器在現今的電路設計中佔有相當重要的一席之地，例如快閃式類比數位轉換器(flash ADC)就常用於快速地將類比訊號轉換為數位訊號。快閃式類比數位轉換器係利用平行操作來達到高速轉換。一般n位元的快閃式類比數位轉換器需要同時使用2n －1個比較器來產生比較結果，再將該些比較結果編碼成n位元的數位輸出。然而，比較器所佔用的晶片面積龐大，且當需求的解析度越高時，所需要的晶片面積就越大。對資料讀取系統(例如一光碟機)而言，大量的資料需要快速且可靠地從光碟片中被讀取出來並轉換成數位格式，使用很多比較器固然可增加資料讀取系統的解析度及正確性，但亦會佔用晶片面積且提高成本，因此，發展可具備高正確性、高速度但維持小面積及低成本的類比數位轉換電路是有需要的。
本發明的目的之一即在於提供一種類比數位轉換之解析度為 非線性的資料讀取系統及其資料讀取方法，其中類比輸入訊號中載有大部分訊息的區間係以較高解析度進行量化，而載有較少訊息的區間則以較低解析度進行量化，以減少資料讀取系統中比較器的數量並同時維持正確度。
根據本發明之一實施例，其係提供一種資料讀取系統。該資料讀取系統包含有用來讀取儲存於一光碟片中的資料並產生一類比訊號的一讀取頭、用來產生複數個參考電壓準位的一參考電壓單元、用來將該類比訊號與該些參考電壓準位進行比較的複數個比較器，以及將該些比較器的比較結果編碼成一數位訊號的一編碼模組，其中參考電壓單元所產生的該些參考電壓準位中，至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種類比輸入訊號處理方法。該方法包含有提供複數個參考電壓準位，依其電壓準位排列成一鏈(chain)，其中至少兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同，接著比較類比輸入訊號與該些參考電壓準位以產生比較結果。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種將一類比訊號轉換成一數位訊號的方法。該方法包含有提供一非線性的數值轉換特性，存取一儲存裝置以產生一類比輸入訊號，根據該非線性的數值轉換特性將該類比輸入訊號轉換成一輸出訊號，以及將該輸出 訊號轉換成數位訊號。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種類比數位轉換器，包含有用來產生複數個參考電壓準位的一參考電壓單元，以及用來比較該些參考電壓準位以及一類比輸入訊號以產生複數個比較結果的複數個比較器，其中至少兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種讀取資料的方法。該方法包含有提供複數個參考電壓準位，依電壓準位排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同以定義出至少一對應於一第一轉換解析度的第一區間，以及對應於一第二轉換解析度的一第二區間，其中該第二轉換解析度係不同於該第一轉換解析度；經由存取一儲存裝置來產生一類比輸入訊號；調整該類比輸入訊號以使該類比輸入訊號的至少一部份落入該第一區間或該第二區間內；比較該類比輸入訊號以及該些參考電壓準位以產生複數個比較結果，以及根據該些比較結果產生一數位訊號。
根據本發明之另一實施例，其係提供一種具有非線性解析度的類比數位轉換系統，包含有一非線性轉換電路與一類比數位轉換器。非線性轉換電路具有一非線性的數值轉換特性，用來將一類比輸入訊號轉換成一輸出訊號，其中該類比輸入訊號係經由存 取一儲存裝置所產生。類比數位轉換器，耦接於該非線性轉換電路，用來將該非線性轉換電路的該輸出訊號轉換成一數位訊號。
上述類比數位轉換器、具有非線性解析度的類比數位轉換系統、資料讀取系統、處理類比輸入訊號的方法、將類比訊號轉換成數位訊號的方法及資料讀取方法藉由比較參考電壓準位與類比輸入信號，將類比輸入信號中載有較多訊息的區間用較高解析度量化，從而達到了使類比數位轉換電路具備高正確性、高速度但維持小面積及低成本之效果。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請同時參考第1圖以及第2圖，第1圖係本發明資料讀取系 統10之一實施例的示意圖，而第2圖係第1圖中類比數位轉換器(analog－to－digital converter)18的一實施例的示意圖。資料讀取系統10包含有一讀取頭12、一訊號調整電路14、一轉換電路16、一非線性解析度的類比數位轉換器18，以及一處理器20，其中類比數位轉換器18係如第2圖所示，包含有一參考電壓單元183、複數個比較器182，以及耦接於各比較器182之輸出端185的一編碼模組184。參考電壓單元183產生複數個參考電壓準位，在本實施例中，參考電壓單元183係以包含有串接於一第一參考電壓準位V1 及一第二參考電壓準位V2 之間的複數個電阻的一參考電壓產生電路(reference ladder)來實作，然而在其他實施例中，參考電壓單元183亦可採用電阻以外的元件實作，例如以電容以及電阻來形成參考電壓單元183。每個比較器182均包含用來自轉換電路16接收一類比輸入訊號的一輸入端186、用來接收一參考電壓的一參考端187，以及用來輸出類比輸入訊號與參考電壓之比較結果的一輸出端185。該些電阻係分別耦接至比較器182的參考端187以產生不同的參考電壓，且該些電阻的阻抗值並不完全相同，因此可定義出至少一第一區間，對應於一第一轉換解析度，以及一第二區間，對應於與第一轉換解析度不同的一第二轉換解析度。編碼模組184則根據比較器182的比較結果來產生一數位訊號。
類比數位轉換器18中電阻鏈(resistor chain)的設計規則是要讓類比輸入訊號中載有較多訊息的區間在量化時可以具有較高的解析度，或載有較少訊息的區間在量化時具有較低的解析度。當資 料讀取系統10是一光碟機時，其係偵測輸入訊號的過零點(zero－crossing point)以輸出一二階(2－level)訊號，因此，過零點附近的解析度應較高，此時電阻鏈係設計成中心部份的電阻值小於外側部份的電阻值，以在過零點附近提供較小的量化級距(quantization level)並在遠離過零點的外部區間提供較大的量化級距，如第3圖所示(第3圖係顯示本實施例之具有非線性解析度的7位元類比數位轉換器的轉換函數)。而第2圖中的n1 及n2 係表示電阻的倍率大小，其中n1 及n2 的值與電阻值等於n1 R或n2 R的電阻數目係依系統的設計需求而定。
如此一來，外部區間的比較器182數目得以減少，因此資料讀取系統10的比較器182總數可以變少，舉例來說，7位元的類比數位轉換器只需要少於127個比較器就可以產生7位元的數位輸出。編碼模組184基本上與習知編碼器的運作相同，差別在於編碼模組184的一些輸入端可能耦接於同一個比較器182，這是由於比較器的數量減少了。比較器182與編碼模組184間較佳的耦接方式是將編碼模組184耦接於被省略之比較器的輸入端耦接至該被省略之比較器附近的比較器。由於編碼模組184的內部電路並沒有更動，編碼模組184之輸出碼的位元長度仍然是7位元，但輸出碼的種類少於127，與比較器182的數目有關，第4圖即表列出不具有以及具有非線性量化特性之7位元類比數位轉換器的輸出碼的一實施例。
請參考第5圖，第5圖係顯示訊號調整前後之類比數位轉換器的輸入範圍。由於儲存裝置(例如光碟機)的特性各有不同，讀取頭12存取儲存裝置所讀出的類比輸入訊號(圖中所示之虛線)可能不對稱，亦即類比輸入訊號的過零點可能不落在訊號的中央區域，故過零點可能不落在類比數位轉換器18預設的高解析度區間。當此情況發生時，第1圖中的訊號調整電路14可調整類比輸入訊號的增益(gain)或偏移量(offset)，以令類比輸入訊號的過零點落入預設的高解析度區間內，如第5圖中的實線所示。
此外，在一實施例中，轉換電路16係一具有對數(log)數值轉換特性的對數濾波器(log filter)，用來放大訊號調整電路14的輸出以特別放大類比輸入訊號過零點附近的範圍，如此一來，類比數位轉換器18的量化結果可以更為精確。請注意，轉換電路16並不是資料讀取系統10的必要元件，亦即，即使省略轉換電路16，資料讀取系統10仍可因類比數位轉換器18而具有非線性的解析度。
在類比訊號經類比數位轉換器18轉換成數位訊號後，處理器20，例如一數位訊號處理器(DSP)，接著處理該數位訊號以從該數位訊號中解碼出資料，並控制訊號調整電路14及轉換電路16來根據數位訊號的處理結果調整類比輸入訊號。此外，處理器20更根據數位訊號的處理結果來調整類比數位轉換器18的取樣時脈，使數位轉換器18的取樣時脈與解碼資料同步。
第6圖係上述實施例從儲存裝置中讀取出資料的方法的流程圖，包含有以下步驟： 步驟602：提供複數個參考電壓準位，依電壓準位排列成一鏈，其中相鄰的參考電壓準位間的電壓差並非完全相同，因此可定義出至少一對應於一第一轉換解析度的第一區間，以及對應於與第一轉換解析度不同之一第二轉換解析度的一第二區間。
步驟604：存取一儲存裝置以產生一類比輸入訊號。
步驟606：調整類比輸入訊號的增益或偏移量以使類比輸入訊號的至少一部分落入第一區間或第二區間中。
步驟608：以具有非線性數值轉換特性的一轉換電路放大類比輸入訊號。
步驟610：比較該類比輸入訊號與該些參考電壓準位以產生複數個比較結果。
步驟612：根據該些比較結果產生一數位訊號。
步驟614：處理該數位訊號，並根據數位訊號的處理結果控制步驟606以調整該類比輸入訊號。
由於一般熟知此項技藝之人士可於閱讀完上述揭露後明瞭第6圖所示之操作步驟，故詳細說明便在此省略，不再贅述。
第7圖係本發明資料讀取系統70的另一實施例的示意圖。如第7圖所示，具有非線性解析度之資料讀取系統70包含一讀取頭71、一訊號調整電路72、一類比數位轉換系統74，以及一處理器76，其中類比數位轉換系統74包含有具有非線性之數值轉換特性的一非線性轉換電路742以及一快閃式類比數位轉換器744。讀取頭71、訊號調整電路72、類比數位轉換系統74中的非線性轉換電路742以及處理器76實質上係分別等同於第1圖中的讀取頭12、訊號調整電路14、轉換電路16以及處理器20，資料讀取系統10與資料讀取系統70間的主要差異在於資料讀取系統10中的類比數位轉換器係以習知的快閃式類比數位轉換器744取代，而非線性轉換電路742為資料讀取系統70的必要元件。由於非線性轉換電路742具有非線性的數值轉換特性，例如非線性轉換電路742係以一對數濾波器來加以實作，因此可定義出至少一對應於一第一斜率的第一輸入範圍，以及對應於與第一斜率不同的一第二斜率的第二輸入範圍，而類比訊號中載有大部分訊息的範圍在經過訊號調整電路72的調整後係落入第一及第二輸入範圍中具有較大斜率的一輸入範圍中而被放大，故快閃式類比數位轉換器744的量化動作可視為非線性的量化，類比數位轉換系統74的準確度因此獲得提昇。
舉例來說，當資料讀取系統70係一光碟機時，一光碟片被存取而產生該類比輸入訊號，而非線性轉換電路742係設計成具有對數(log)函數的數值轉換特性以放大類比輸入訊號在過零點附近的區間。雖然習知快閃式類比數位轉換器744的量化級距都一樣，但由於過零點附近的區間先經非線性轉換電路742放大，所以此區間的量化結果會較其他區間更為靈敏，而後續處理器76的解碼結果會更加準確。
第8圖係上述實施例從儲存裝置中讀取出資料的方法的流程圖，包含有以下步驟： 步驟802：提供一非線性的數值轉換特性以定義出至少一對應於一第一斜率的第一輸入範圍，以及對應於與第一斜率不同之一第二斜率的一第二輸入範圍。
步驟804：存取一儲存裝置以產生一類比輸入訊號。
步驟806：調整類比輸入訊號的增益或偏移量以使類比輸入訊號的至少一部分落入第一輸入範圍或第二輸入範圍中。
步驟808：根據該非線性數值轉換特性放大該類比輸入訊號以產生一輸出訊號。
步驟810：將該輸出訊號轉換成一數位訊號。
步驟812：處理該數位訊號，並根據數位訊號的處理結果控制步驟806以調整該類比輸入訊號。
由於一般熟知此項技藝之人士可於閱讀完上述揭露後明瞭第8圖所示之操作步驟，故詳細說明便在此省略，不再贅述。
綜上所述，本發明利用類比數位轉換的非線性量化特性使資料讀取系統可在維持，甚至是增進效能的同時減少所需的比較器數目，由於資料讀取系統的電路尺寸(晶片尺寸)係取決於比較器的面積大小，本發明可成功地降低系統尺寸以及比較器的功率消耗。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、70‧‧‧資料讀取系統
12、71‧‧‧讀取頭
14、72‧‧‧訊號調整電路
16‧‧‧轉換電路
18‧‧‧類比數位轉換器
182‧‧‧比較器
183‧‧‧參考電壓單元
184‧‧‧編碼模組
185‧‧‧輸出端
186‧‧‧輸入端
187‧‧‧參考端
20、76‧‧‧處理器
74‧‧‧類比數位轉換系統
742 ‧‧‧非線性轉換電路
744‧‧‧快閃式類比數位轉換器
第1圖係本發明資料讀取系統之一實施例的示意圖。
第2圖係第1圖所示之類比數位轉換器的一實施例的示意圖。
第3圖係本發明具有非線性解析度之7位元類比數位轉換器的轉換函數的一實施例示意圖。
第4圖係顯示具有以及不具有非線性量化特性之7位元類比數位轉換器的輸出碼的一實施例。
第5圖係顯示訊號調整前後之類比數位轉換器的輸入範圍。
第6圖係本發明從一儲存裝置讀取資料之一實施例的流程圖。
第7圖係本發明資料讀取系統之另一實施例的示意圖。
第8圖係本發明從一儲存裝置讀取資料之另一實施例的流程圖。
10‧‧‧資料讀取系統
12‧‧‧讀取頭
14‧‧‧訊號調整電路
16‧‧‧轉換電路
18‧‧‧類比數位轉換器
20‧‧‧處理器

Claims (22)

  1. 一種類比數位轉換器，包含有：一參考電壓單元，用來產生複數個參考電壓準位，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同，該參考電壓單元包含有一阻抗串，且該阻抗串中位於中心部份之阻抗元件的阻抗值係小於該阻抗串中位於外側部份之阻抗元件的阻抗值；複數個比較器，用來比較該些參考電壓準位以及一類比輸入訊號以產生複數個比較結果；以及一編碼模組，耦接於該些比較器，用來根據該些比較器的比較結果產生一數位訊號；其中該類比數位轉換器具有一實質上線性的轉換曲線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之類比數位轉換器，其係一N位元的類比數位轉換器，該些比較器的總數係少於2N -1，且至少一比較器係耦接至該編碼模組的複數個輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之類比數位轉換器，其中該類比輸入訊號係經由存取一儲存裝置所產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之類比數位轉換器，其中該轉換曲線係相應於該阻抗串中各阻抗元件之配置。
  5. 一種資料讀取系統，透過一讀取頭自一光碟片讀取資料，包含有：一參考電壓單元，用來產生複數個參考電壓準位，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同，該參考電壓單元包含有一阻抗串，且該阻抗串中位於中心部份之阻抗元件的阻抗值係小於該阻抗串中位於外側部份之阻抗元件的阻抗值；複數個比較器，用來比較該些參考電壓準位以及該讀取頭所輸出之一類比輸入訊號以產生複數個比較結果；以及一編碼模組，用來將該些比較結果編碼成一數位訊號；其中該資料讀取系統具有一實質上線性的轉換曲線。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之資料讀取系統，其中至少一比較器係耦接至該編碼模組的複數個輸入端。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之資料讀取系統，更包含有：一濾波器，耦接於該讀取頭與該些比較器之間，該濾波器具有一非線性的數值轉換特性，用來將該類比輸入訊號轉換成一輸出訊號；其中該些比較器係根據該濾波器的該輸出訊號來產生該些比較結果。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之資料讀取系統，其中該轉換曲線 係相應於該阻抗串中各阻抗元件之配置。
  9. 一種處理類比輸入訊號的方法，包含有：提供由一阻抗串產生之複數個參考電壓準位，依電壓準位排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同，該阻抗串中位於中心部份之阻抗元件的阻抗值係小於該阻抗串中位於外側部份之阻抗元件的阻抗值；將該類比輸入訊號與該些參考電壓準位比較以產生複數個比較結果；以及藉由編碼該些比較結果產生一數位訊號；其中該類比輸入訊號以及該數位訊號間的一轉換曲線實質上為一線性轉換曲線。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之處理類比輸入訊號的方法，其中位於該鏈中心部份之參考電壓準位間的電壓差係小於位於該鏈外側部份之參考電壓準位間的電壓差。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之處理類比輸入訊號的方法，更包含有經由存取一儲存裝置來產生該類比輸入訊號。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之處理類比輸入訊號的方法，其中該轉換曲線係相應於該阻抗串中各阻抗元件之配置。
  13. 一種讀取資料的方法，包含有：提供複數個參考電壓準位，依電壓準位排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同以定義出至少一對應於一第一轉換解析度的第一區間，以及對應於一第二轉換解析度的一第二區間，其中該第二轉換解析度係不同於該第一轉換解析度；經由存取一儲存裝置來產生一類比輸入訊號；調整該類比輸入訊號以使該類比輸入訊號的至少一部份落入該第一區間或該第二區間內；比較該類比輸入訊號以及該些參考電壓準位以產生複數個比較結果；以及根據該些比較結果產生一數位訊號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，更包含有：處理該數位訊號，並根據處理該數位訊號的結果控制所述調整該類比輸入訊號的步驟。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，其中所述調整該類比輸入訊號的步驟包含有調整該類比輸入訊號的增益或偏移量以使該類比輸入訊號的該部份落入該第一區間或該第二區間內。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，其中位於該 鏈中心部份之參考電壓準位間的電壓差係小於位於該鏈外側部份之參考電壓準位間的電壓差。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，其中該類比輸入訊號的該部份包含有該類比輸入訊號的多個過零點。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，其中該儲存裝置係一光碟片。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之讀取資料的方法，更包含有：利用具有一非線性數值轉換特性的一濾波器來放大該類比輸入訊號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之讀取資料的方法，其中該濾波器係一對數濾波器。
  21. 一種資料讀取系統，用於藉由一讀取頭讀取儲存於一光碟片中之資料，該資料讀取系統包含有：一參考電壓單元，用來產生複數個參考電壓準位，其中至少有兩個相鄰參考電壓準位間的電壓差係不相同，該參考電壓單元包含有一具有不同電阻值之電阻鏈，且該電阻鏈中位於中心部份之電阻的阻抗值係小於該阻抗串中位於外側部份之電阻的阻抗值； 複數個比較器，用來比較該些參考電壓準位以及一類比輸入訊號以產生複數個比較結果；以及一編碼模組，用來將該些比較結果編碼成一數位訊號；其中，當該讀取資料具有較多訊息時，該電阻鏈之不同電阻值使能該編碼模組具有較高的解析度來將該些比較結果編碼成該數位訊號，以及當該讀取資料具有較少訊息時，該電阻鏈之不同電阻值使能該編碼模組具有較低的解析度來將該些比較結果編碼成該數位訊號。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之資料讀取系統，其中該數位訊號與該類比輸入訊號具有一實質上線性關係。
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