TWI590591B - 類比數位轉換裝置 - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters

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Description

類比數位轉換裝置
本發明係指一種類比數位轉換裝置，尤指一種具高動態操作範圍與高線性度之類比數位轉換裝置。
傳統上，類比數位轉換裝置可用來計算一最高有效位元與一最低有效位元的累積操作，並於一可量測範圍內將接收之類比訊號線性地以數位方式來表示，例如以2的冪次(即二進位方式)表示。然而，當類比數位轉換裝置進行最高有效位元累積操作時，將伴隨進行一重置操作，而導致有效積分時間的損失，進而讓類比數位轉換裝置的線性度越來越差；此外，部分習知類比數位轉換裝置會採用多組比較模組來進行最低有效位元的累積操作，在此情況下，其硬體架構需耗費較多的電流面積，同時由於不同比較模組間的對稱性難以達成，其亦將使差動非線性(Differential nonlinearity)更差。
因此，提供一種具高動態操作範圍與高線性度的類比數位轉換裝置，已成為本領域之重要課題。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種具高動態操作範圍與高線 性度的類比數位轉換裝置。
本發明揭露一種類比數位轉換裝置，包含有一輸入模組，包含有一可充電單元，用來根據一控制訊號來輸出一輸入電壓，該輸入電壓具有至少一電壓值，該至少一電壓值包含一參考電壓與一預設電壓的總和；一積分模組，耦接該輸入模組，包含有一積分單元與一運算放大器，該運算放大器用來接收該輸入電壓與該參考電壓，以讓該積分單元累積一類比輸入訊號，進而輸出一積分電壓；一比較模組，耦接該積分模組，用來接收該積分電壓，且比較該積分電壓與該參考電壓，當該積分電壓與該參考電壓之差值的絕對值超過該預設電壓的絕對值時，該比較模組輸出該控制訊號；以及一第一計數模組，耦接該比較模組與該輸入模組，該第一計數模組係接收並根據該控制訊號，累積一有效位元；其中，該比較模組還輸出該控制訊號至該輸入模組，以切換該可充電單元來進行一充電操作或一放電操作。
1、2‧‧‧類比數位轉換裝置
10‧‧‧輸入模組
100‧‧‧二極體單元
102‧‧‧第一切換模組
102_S1、102_S2‧‧‧開關單元
104‧‧‧可充電單元
12‧‧‧積分模組
120‧‧‧積分單元
122‧‧‧運算放大器
14‧‧‧比較模組
14_S1、S_LSB‧‧‧切換模組
16‧‧‧第一計數模組
28‧‧‧第二計數模組
C1、C2‧‧‧類比轉換數位輸出曲線
LSB‧‧‧時脈訊號
S_C‧‧‧控制訊號
VREF‧‧‧參考電壓
VREF+V1、VREF+V1/N‧‧‧導通電壓
第1圖為本發明實施例一類比數位轉換裝置之示意圖。
第2A、2B圖為本發明實施例另一類比數位轉換裝置之示意圖。
第3圖為本發明實施例一類比數位轉換裝置之輸出訊號的示意圖。
第4圖為本發明實施例之類比數位轉換裝置與習知技術之類比數位轉換裝置的類比轉換數位輸出比較圖。
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，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。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別元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區別的基準。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」。此外，「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連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一類比數位轉換裝置1之示意圖。如第1圖所示，本實施例的類比數位轉換裝置1包含有一輸入模組10、一積分模組12、一比較模組14與一第一計數模組16。較佳地，本實施例中的類比數位轉換裝置1可應用於一環境光感測裝置或一距離感測裝置，並透過一二極體單元100實現並取得一類比輸入訊號，據此，本實施例所提供的類比數位轉換裝置1將用以轉換該類比輸入訊號為一數位訊號，並進行一有效位元的累積操作。
詳細來說，輸入模組10包含有一第一切換模組102與一可充電單元104，其中，第一切換模組102還包含有兩個開關單元102_S1、102_S2，開關單元102_S1用來切換導通電壓的數值，例如本實施例中的一導通電壓VREF+V1；開關單元102_S2耦接可充電單元104，可用來根據一控制訊號S_C，以切換可充電單元104之工作模式；至於本實施例中的可充電單元104為一電容單元。在此情況下，經由控制訊號S_C與開關單元102_S1、102_S2之切換操作，可充電單元104將對應進行一充電操作或一放電操作，並對應輸出一輸入電壓至積分模組12。
再者，積分模組12還包含有一積分單元120與一運算放大器122，其 中，積分單元120為一電容單元，且包含有兩端分別耦接於運算放大器122之一負輸入端與一輸出端，而運算放大器122之一正輸入端係耦接一參考電壓VREF。據此，運算放大器122係接收可充電單元104之輸入電壓與參考電壓VREF，以讓積分單元120累積該類比輸入訊號，進而輸出一積分電壓至比較模組14。另外，比較模組14為一運算放大器(於其他實施例中，比較模組14也可為一比較器單元，而非限本發明的範疇)，其一正輸入端耦接至運算放大器122之輸出端與積分單元120之一端且接收積分電壓，而比較模組14一負輸入端耦接有另一切換模組14_S1，且根據切換模組14_S1之切換操作，比較模組14之負輸入端可對應接收導通電壓VREF+V1。據此，比較模組14可判斷正輸入端與負輸入端的輸入電壓是否相同，即比較正輸入端之積分電壓與負輸入端之導通電壓間的差值是否超過一預設電壓，並對應輸出控制訊號S_C。
至於本實施例中的第一計數模組16在此僅以簡單方塊圖表示，其係耦接比較模組14之輸出端與輸入模組10之第一切換模組102，且包含有一邏輯控制元件與一計數器，並對應接收一致能訊號與比較模組14之控制訊號S_C，在此情況下，當積分電壓與參考電壓之差值超過預設電壓(例如電壓V1)時，第一計數模組16可根據該控制訊號S_C來累積一有效位元，同時，第一計數模組16還反饋控制訊號S_C至第一切換模組102，以重設可充電單元104的相關操作，例如將可充電單元104由放電操作改為進行充電操作。
除此之外，於類比數位轉換裝置1用來進行有效位元的累積操作之前，可充電單元104已先切換耦接至導通電壓VREF+V1並累積相同電壓為VREF+V1，且當類比數位轉換裝置1進行有效位元的累積操作時，可充電單元104被切換來耦接至積分模組12，同時可充電單元104係進行放電操作來對積分單元 120充電，而比較模組的負輸入端也切換耦接至導通電壓VREF+V1，據此，可充電單元104將動態地放電直到可充電單元104的電壓降至為參考電壓VREF，此時，積分模組12的積分電壓已達到電壓VREF+V1，且積分電壓VREF+V1與一參考電壓VREF之差值已滿足為預設電壓V1，在此情況下，比較模組14將對應輸出控制訊號S_C來控制第一計數模組16將有效位元累積加一，同時控制訊號S_C還反饋至開關單元102_S2，以切換可充電單元104來進行充電操作並耦接至導通電壓VREF+V1，進而完成重置輸入模組10與積分模組12之相關操作。
換言之，本實施例中的類比數位轉換裝置1可根據環境光感測裝置或距離感測裝置(即二極體單元100)所量測之類比輸入訊號，依序切換輸入模組10與積分模組12之操作模式，再透過比較模組14來比較積分單元120所累積的積分電壓(例如VREF+V1)扣除參考電壓(例如VREF)是否已為預設電壓(例如V1)，在此情況下，比較模組14將控制第一計數模組16來累積一次有效位元，並反饋控制訊號S_C來重設輸入模組10與積分模組12，如此形成之迴圈操作，將於一預設時間內重複計算積分電壓超過參考電壓的次數，進而取得有效位元。
另外，當比較模組14判斷積分電壓與參考電壓之差值未超過預設電壓時(此時積分電壓仍大於參考電壓)，類比數位轉換裝置還可增設其他的切換模組，並對應進行另一有效位元的累積操作。請參考第2A、2B圖，第2A、2B圖為本發明實施例另一類比數位轉換裝置2之示意圖，其中，第2A圖為類比數位轉換裝置2進行一最高有效位元(Most significant bit，MSB)的累積操作，而第2B圖為類比數位轉換裝置2進行一最低有效位元(Least significant bit，LSB)的累積操作。如第2A、2B圖所示，類似第1圖的類比數位轉換裝置1，類比數位轉換裝置2也包含有輸入模組10、積分模組12、比較模組14與第一計數模組16，不 同之處在於，第2A、2B圖的類比數位轉換裝置2還包含有一第二計數模組28與一切換模組S_LSB，其中，第二計數模組28耦接至比較模組14之輸出端來並聯第一計數模組16，而切換模組S_LSB係耦接於第二計數模組28與輸入模組10之間。據此，當類比數位轉換裝置2進行最高有效位元的累積操作(如第2A圖所示)，第二計數模組28將接收另一致能訊號來關閉其相關操作，至於第一計數模組16則接受另一致能訊號來開啟其相關操作，同時切換模組S_LSB切換來讓控制訊號S_C反饋至輸入模組10之開關單元102_S2，以重置可充電單元104之相關操作，至於類比數位轉換裝置2進行最高有效位元的其他相關操作，可參考第1圖的類比數位轉換裝置1，在此不贅述。
當類比數位轉換裝置2進行最低有效位元的累積操作(如第2B圖所示)，第一計數模組16可接收致能訊號來關閉其相關操作，而第二計數模組28則接受致能訊號來開啟其相關操作，同時，切換模組S_LSB切換來讓一時脈訊號LSB反饋至輸入模組10之開關單元102_S2，此外，開關單元102_S1還切換讓導通電壓VREF+V1/N來對可充電單元104進行充電操作，而切換模組14_S1係讓比較模組14之負輸入端耦接參考電壓VREF。在此情況下，於每一個時脈訊號LSB之高位準訊號的驅動下，可充電單元104可透過放電操作來對積分單元120進行電荷累積，並由比較模組14判斷積分單元120輸出之積分電壓是否超過參考電壓VREF，若積分電壓係超過參考電壓VREF，則比較模組對應輸出控制訊號S_C來讓第二計數模組28進行最低有效位元的累積操作(即對最低有效位元累積加一)，並重複進行積分電壓與參考電壓VREF之比較操作以及累積最低有效位元，直到積分單元120輸出之積分電壓小於參考電壓VREF時，此時，類比數位轉換裝置2將結束最低有效位元的累積操作，而第二計數模組28係結束最低有效位元之更新/累加操作。最後，使用者可透過類比數位轉換裝置2之第一計數模組16與第二計數 模組28來分別取得最高有效位元與最低有效位元，並對應取得該類比輸入訊號之類比數位轉換結果，例如第一計數模組16取得最高有效位元為M位元，而第二計數模組28取得最低有效位元為N位元，則類比數位轉換裝置2可對應輸出M+N位元的類比數位轉換結果，當然，以上數值僅為示範性說明，非用以限制本發明的範疇。
請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一類比數位轉換裝置之輸出訊號的示意圖。如第3圖所示，本實施例中的參考電壓設定為1.5伏特，而預設電壓設定為0.2伏特，使得本實施例中的類比數位轉換裝置可於充電單元之放電過程中，由積分模組對應累積積分電壓；一旦積分電壓從1.5伏特累積達到1.7伏特(即1.5+0.2=1.7)時，此時比較模組將輸出控制訊號來讓第一計數模組累加最高有效位元一個單位，同時，控制訊號將重置可充電單元由放電操作切換為充電操作，而積分單元的電壓也降至參考電壓1.5伏特左右；接著，只要類比輸入訊號可滿足積分單元所輸出之積分電壓可超過參考電壓一預設電壓時，以上的迴圈操作將被重複進行。如第3圖所示，本實施例中的第一計數模組將累加最高有效位元共12次，並取得最高有效位元為12位元。另外，當積分模組輸出之積分電壓超過參考電壓1.5伏特但未超過1.7伏特時，此時，類比數位轉換裝置將進行最低有效位元的累積操作，且於每一時脈訊號為高位準訊號時，比較模組判斷積分電壓是否超過標準電壓1.5伏特；一旦積分電壓係超過標準電壓1.5伏特，則比較模組將對應輸出控制訊號來讓第二計數模組累加最低有效位元一個單位，直到積分單元輸出之積分電壓小於參考電壓。在此情況下，比較模組係對應輸出一低位準訊號，而第二計數模組將結束最低有效位元的累積操作。如第3圖所示，本實施例中的第二計數模組將累加最高有效位元共4次，並取得最高有效位元為2位元。
請參考第4圖，第4圖為本發明實施例之類比數位轉換裝置與習知技術之類比數位轉換裝置的類比轉換數位輸出比較圖。如第4圖所示，假設橫軸為類比輸入訊號，而縱軸為累積之最高有效位元與最低有效位元的加總數值，在此情況下，根據不同的類比輸入訊號，習知技術的類比數位轉換裝置可對應為一類比轉換數位輸出曲線C1，而本發明實施例所提供類比數位轉換裝置可對應為一類比轉換數位輸出曲線C2。將兩條類比轉換數位輸出曲線相互比較下，不難發現習知技術的類比轉換數位輸出曲線C1難以形成一線性結果，特別是類比輸入訊號較小或較大時，對比之下，本發明實施例的類比轉換數位輸出曲線C2則容易形成線性的轉換結果，此將讓本發明實施例的類比數位轉換裝置可用於較大範圍的類比輸入訊號。
除此之外，由於部分習知類比數位轉換裝置還須採用多組比較模組之平行設置，方可完成最低有效位元的累積操作，其將耗費較多的電流面積，且不同比較模組間的非對稱性將造成更差的差動非線性。對比之下，本發明實施例不論是進行最高有效位元或最低有效位元皆使用相同的硬體規格，僅於操作過程適性改變耦接至可充電單元的導通電壓，且該導通電壓VREF+V1/N中的N亦為任意選擇的正整數。如此一來，根據不同需求來對應調整N值，本發明實施例即可提供不同轉換精準需求之最低有效位元的累積操作，而避免使用多組比較模組的累積操作，進而改善習知技術的缺點。
綜上所述，本發明實施例提供一種類比數位轉換裝置，透過增設切換模組來適性切換不同之導通電壓，並對應切換可充電單元的充電操作或放電操作，再透過積分模組與比較模組間之電壓比較，本發明實施例即可適性進行 最高有效位元或最低有效位元的累積操作。相較於習知技術，本發明實施例所提供的類比數位轉換裝置不但無須改變硬體規格，亦可根據不同需求來對應調整其中所用的導通電壓值，除了可對應減少整體設計所需之電流面積外，還可提供較佳的線性轉換曲線與差動非線性成果，來大幅提高類比數位轉換裝置的操作範圍。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。
1‧‧‧類比數位轉換裝置
10‧‧‧輸入模組
100‧‧‧二極體單元
102‧‧‧第一切換模組
102_S1、102_S2‧‧‧開關單元
104‧‧‧可充電單元
12‧‧‧積分模組
120‧‧‧積分單元
122‧‧‧運算放大器
14‧‧‧比較模組
14_S1‧‧‧切換模組
16‧‧‧第一計數模組
S_C‧‧‧控制訊號
VREF‧‧‧參考電壓
VREF+V1、VREF+V1/N‧‧‧導通電壓

Claims (9)

  1. 一種類比數位轉換裝置，包含有：一輸入模組，包含有一可充電單元，用來根據一控制訊號來輸出一輸入電壓，該輸入電壓具有至少一電壓值，該至少一電壓值包含一參考電壓與一預設電壓的總和；一積分模組，耦接該輸入模組，包含有一積分單元與一運算放大器，該運算放大器用來接收該輸入電壓與該參考電壓，以讓該積分單元累積一類比輸入訊號，進而輸出一積分電壓；一比較模組，耦接該積分模組，用來接收該積分電壓，且比較該積分電壓與該參考電壓，當該積分電壓與該參考電壓之差值的絕對值超過該預設電壓的絕對值時，該比較模組輸出該控制訊號；以及一第一計數模組，耦接該比較模組與該輸入模組，該第一計數模組係接收並根據該控制訊號累積一有效位元；其中，該比較模組還輸出該控制訊號至該輸入模組，以切換該可充電單元來進行一充電操作或一放電操作。
  2. 如請求項1所述之類比數位轉換裝置，其中該輸入模組包含有一第一切換模組，耦接該比較模組與該可充電單元，該第一切換模組係根據該控制訊號，以切換該可充電單元來進行該放電操作或該充電操作。
  3. 如請求項1所述之類比數位轉換裝置，其中該充電操作係提供一第一充電數值或一第二充電數值至該可充電單元，使該充電單元能夠輸出電壓值為該第一充電數值或該第二充電數值的輸入電壓，該第一充電數值係該參考電壓加總該預設電壓，該第二充電數值係該預設電壓之N分之一加總該參 考電壓，而N為任一正整數。
  4. 如請求項3所述之類比數位轉換裝置，其包含有一第二切換模組且耦接該比較模組，該第二切換模組係根據該控制訊號，以讓該比較模組接收該第一充電數值或該參考電壓。
  5. 如請求項3所述之類比數位轉換裝置，其中當該積分電壓與該參考電壓之差值超過該預設電壓時，該類比數位轉換裝置進行一最高有效位元累積操作，且該比較模組選擇該第一充電數值來對該可充電單元進行該充電操作，當該積分電壓與該參考電壓之差值未超過該預設電壓時，該類比數位轉換裝置進行一最低有效位元累積操作，且該比較模組選擇該第二充電數值來對該可充電單元進行該充電操作。
  6. 如請求項5所述之類比數位轉換裝置，其還包含有一第二計數模組與一第三切換模組，該第三切換模組之一端耦接該輸入模組，該第三切換模組之另一端耦接該比較模組與該第二計數模組，當該積分訊號大於該參考訊號且該積分訊號與該參考訊號之差值未超過該預設電壓時，該第二計數模組根據一時脈訊號來累積一最低有效位元。
  7. 如請求項6所述之類比數位轉換裝置，其中當該積分訊號小於該參考電壓時，結束該第二計數模組之累積操作。
  8. 如請求項1所述之類比數位轉換裝置，其中該可充電單元與該積分單元係為一電容單元。
  9. 如請求項8所述之類比數位轉換裝置，其中，該積分單元包含有兩端分別耦接於該運算放大器之一負輸入端與一輸出端，該負輸入端耦接該可充電單元以接收該輸入電壓，且該運算放大器之一正輸入端係接收該參考電壓。
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