一種基于σ-δ的模數(shù)轉換電路、adc芯片及數(shù)字天平的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于集成電路領域，提供了一種基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路、ADC芯片及數(shù)字天平，該電路包括：控制邏輯單元，用于生成電源使能信號、模數(shù)轉換使能信號和濾波控制使能信號；參考電壓單元，用于在電源使能信號有效時輸出參考電壓；Sigma-ADC調(diào)制器，用于將所述參考電壓作為工作電壓，并在模數(shù)轉換使能信號有效時將模擬電壓信號轉換成脈沖密度調(diào)制碼；濾波單元，用于在濾波控制使能信號有效時，對脈沖密度調(diào)制碼進行濾波，輸出數(shù)字信號。本發(fā)明通過控制邏輯單元控制參考電壓單元在Sigma-ADC調(diào)制器不工作的情況下，關斷參考電壓的輸出，有效降低了模數(shù)轉換電路的功耗。
【專利說明】—種基于Σ-Δ的模數(shù)轉換電路、ADC芯片及數(shù)字天平
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子領域,尤其涉及一種基于Sigma-Delta (Σ-Δ)結構的模數(shù)轉換電路、ADC芯片及數(shù)字天平。
【背景技術】
[0002]在數(shù)字產(chǎn)品日益增長的今天,模數(shù)轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)的角色越來越重要，而Sigma-Delta (又稱為Σ - Λ )結構的ADC又以其高分辨率、高集成度和低價格的優(yōu)勢被普遍應用于過程控制以及直流測量領域，尤其稱重領域的應用。
[0003]目前，數(shù)字天平中采用傳感器采集重量信息，并將該信息以模擬信號的形式通過Sigma-Delta ADC轉化為數(shù)字信號，以便進行進一步的數(shù)據(jù)處理,而Sigma-Delta ADC作為核心技術很大程度地影響到數(shù)字天平的精度以及功耗。
[0004]在測量時，由于參考電壓要同時提供給傳感器和ADC芯片，因此會造成幾mA到十幾mA的功耗，尤其以傳感器產(chǎn)生的功耗最大，其次是ADC的功耗，因此不符合節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展主流和市場需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路，旨在解決目前市場對于ADC以及數(shù)字天平的低功耗需求越來越高的問題。
[0006]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的,一種基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路,所述電路包括:
[0007]控制邏輯單元，用于生成電源使能信號、模數(shù)轉換使能信號和濾波控制使能信號;
[0008]參考電壓單元，用于在接收到的電源使能信號有效時輸出參考電壓，所述參考電壓單元的使能端與所述控制邏輯單元的電源使能輸出端連接，所述參考電壓單元的輸出端為所述電路的電壓輸出端；
[0009]Sigma-ADC調(diào)制器，用于將所述參考電壓作為工作電壓，并在接收到的模數(shù)轉換使能信號有效時，將模擬電壓信號轉換成脈沖密度調(diào)制碼(PDM碼)，所述Sigma-ADC調(diào)制器的電源端與所述參考電壓單元的輸出端連接，所述Sigma-ADC調(diào)制器的使能端與所述控制邏輯單元的模數(shù)轉換使能輸出端連接；
[0010]濾波單元，用于在接收到的濾波控制使能信號有效時，對所述脈沖密度調(diào)制碼進行濾波，輸出數(shù)字信號，所述濾波單元的使能端與所述控制邏輯單元的濾波控制使能輸出端連接，所述濾波單元的輸入端與所述Sigma-ADC調(diào)制器的輸出端連接，所述濾波單元的輸出端為所述電路的輸出端。
[0011]本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種采用上述基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的ADC芯片。
[0012]本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種采用上述ADC芯片的數(shù)字天平。[0013]本發(fā)明實施例通過控制邏輯單元控制參考電壓單元在Sigma-ADC調(diào)制器不工作的情況下，關斷參考電壓的輸出，有效降低了模數(shù)轉換電路的功耗，符合節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展主流和市場需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例提供的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的結構圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實施例提供的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的優(yōu)選示例電路圖；
[0016]圖3為本發(fā)明實施例提供的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的工作時序原理圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明實施例通過控制邏輯單元控制參考電壓單元在Sigma-ADC調(diào)制器不工作的情況下，關斷參考電壓的輸出，有效降低了模數(shù)轉換電路的功耗，符合節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展主流和市場需求。
[0019]以下結合具體實施例對本發(fā)明的實現(xiàn)進行詳細描述:
[0020]圖1示出了本發(fā)明實施例提供的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關的部分。
[0021]作為本發(fā)明一實施例，該基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路可以應用于各種ADC芯片以及數(shù)字天平中，當該基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路I應用于數(shù)字天平中時，該基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路I的參考電壓輸出端與傳感器2連接，包括:
[0022]控制邏輯單元11，用于生成電源使能信號、模數(shù)轉換使能信號和濾波控制使能信號;
[0023]參考電壓單元12，用于在接收到的電源使能信號有效時輸出參考電壓，參考電壓單元12的使能端與控制邏輯單元11的電源使能輸出端連接，參考電壓單元12的輸出端為基于Sigma-Delta的模數(shù)轉換電路I的參考電壓輸出端；
[0024]Sigma-ADC調(diào)制器13，用于將參考電壓作為工作電壓，并在接收到的模數(shù)轉換使能信號有效時，將模擬電壓信號轉換成脈沖密度調(diào)制碼(PDM碼)，Sigma-ADC調(diào)制器13的電源端與參考電壓單元12的輸出端連接，Sigma-ADC調(diào)制器13的使能端與控制邏輯單元11的模數(shù)轉換使能輸出端連接；
[0025]濾波單元14，用于在接收到的濾波控制使能信號有效時，對脈沖密度調(diào)制碼進行濾波，輸出數(shù)字信號，濾波單元14的使能端與控制邏輯單元11的濾波控制使能輸出端連接，濾波單元14的輸入端與Sigma-ADC調(diào)制器13的輸出端連接，濾波單元14的輸出端為基于Sigma-Delta的模數(shù)轉換電路I的輸出端。
[0026]在本發(fā)明實施例中，Sigma-ADC調(diào)制器13上電后將模擬電壓信號轉換成脈沖密度調(diào)制碼，并通過濾波單元14對脈沖密度調(diào)制碼進行濾波，輸出數(shù)字信號。[0027]參考電壓單元12為Sigma-ADC調(diào)制器13以及外部電路提供使其正常工作的參考電壓，該參考電壓單元12可以通過使能開關實現(xiàn)選擇性輸出，在收到控制邏輯單元11生成的電源使能信號有效時，閉合開關，輸出參考電壓，為Sigma-ADC調(diào)制器13供電，當電源使能信號無效時，斷開開關，停止輸出參考電壓。
[0028]控制邏輯單元11可以輸出電源使能信號、模數(shù)轉換使能信號和濾波控制使能信號，以對參考電壓單元12、Sigma-ADC調(diào)制器13和濾波單元14進行使能控制，控制邏輯單元11控制Sigma-ADC調(diào)制器13工作后，控制參考電壓單元12向Sigma-ADC調(diào)制器13提供電源，避免在Sigma-ADC調(diào)制器13不工作時輸出參考電壓造成的高能耗。
[0029]本發(fā)明實施例通過控制邏輯單元控制參考電壓單元在Sigma-ADC調(diào)制器不工作的情況下，關斷參考電壓的輸出，有效降低了模數(shù)轉換電路的功耗，符合節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展主流和市場需求。
[0030]圖2示出了本發(fā)明實施例提供的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路的優(yōu)選示例電路結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關的部分。
[0031]作為本發(fā)明一實施例，參考電壓單元12包括:
[0032]參考電壓生成單元121，用于生成參考電壓；
[0033]使能開關SI，用于在接收到的電源使能信號有效時輸出參考電壓，使能開關SI的使能端為參考電壓單元12的使能端，使能開關SI的一導通端與參考電壓生成單元121的輸出端連接，使能開關SI的另一導通端為參考電壓單元12的輸出端。
[0034]在本發(fā)明實施例中，參考電壓生成單元121可以采用電源轉換電路，將外部電源轉換為Sigma-ADC調(diào)制器13和傳感器2使用的工作電壓，而當Sigma-ADC調(diào)制器13與傳感器2的工作電壓不同時，也可以通過兩路分別輸出。
[0035]作為本發(fā)明一實施例，使能開關SI可以采用半導體開關或其他可控開關，例如單刀單擲開關，當使能開關Si為半導體開關時，該半導體開關的控制端為使能開關SI的使能端，半導體開關的電流輸入端為使能開關SI的一導通端,半導體開關的電流輸出端為使能開關SI的另一導通端。例如，若使能開關SI采用P型MOS管實現(xiàn)時，該P型MOS管的源極為半導體開關的電流輸入端，P型MOS管的漏極為半導體開關的電流輸出端，P型MOS管的柵極為半導體開關的控制端。
[0036]作為本發(fā)明一實施例，濾波單元14包括:
[0037]第一數(shù)字濾波器141，用于在接收到的濾波控制使能信號有效時，濾除脈沖密度調(diào)制碼中高頻部分的噪聲，輸出j位數(shù)字信號，第一數(shù)字濾波器141的使能端為濾波單元14的使能端，第一數(shù)字濾波器141的輸入端為濾波單元14的輸入端；
[0038]第二數(shù)字濾波器142，用于在第一數(shù)字濾波器141輸出k個j位的數(shù)字信號后，對k個j位的數(shù)字信號進行高頻濾波，輸出j位的數(shù)字信號，第二數(shù)字濾波器142的輸入端與第一數(shù)字濾波器141的輸出端連接，第二數(shù)字濾波器142的輸出端為濾波單元14的輸出端；
[0039]所述j、k均為自然數(shù)。
[0040]作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，第一數(shù)字濾波器可以采用為L階數(shù)字濾波器。
[0041]作為本發(fā)明一實施例，該基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路I還可以包括接口單元15，用于將數(shù)字信號輸出到電路外部，接口單元15的輸入端與第二數(shù)字濾波器142的輸出端連接，接口單元15的輸出端為基于Sigma-Delta的模數(shù)轉換電路I的輸出端。[0042]在本發(fā)明實施例中，傳感器2將測量信號轉換為模擬電壓信號，通過Sigma-ADC調(diào)制器13進行模數(shù)轉換，再通過濾波單元14高頻慮噪，輸出數(shù)字信號。
[0043]參考電壓單元12為Sigma-ADC調(diào)制器13和傳感器2供電，將參考電壓單元12集成到ADC芯片中，在數(shù)字天平不測量時，控制邏輯單元11通過電源使能信號控制其使能開關SI斷開，停止對Sigma-ADC調(diào)制器13和傳感器2供電，大大降低了模數(shù)轉換電路和傳感器的能耗。
[0044]控制邏輯單元11同時控制Sigma-ADC調(diào)制器13以及L階數(shù)字濾波器141的工作狀態(tài)，L階數(shù)字濾波器141在接收到的濾波控制使能信號有效時，濾除脈沖密度調(diào)制碼中高頻部分的噪聲，輸出j位數(shù)字信號，L階數(shù)字濾波器141每輸出k個j位的數(shù)字信號時，第二數(shù)字濾波器142對L階數(shù)字濾波器141輸出的k個j位的數(shù)字信號進行信號處理，進一步濾除掉高頻部分的噪聲，轉換成j位的數(shù)字信號。
[0045]當ADC芯片的DRDY引腳輸出低電平的數(shù)據(jù)準備標志信號時，說明ADC的輸出數(shù)據(jù)DA已經(jīng)準備好，外部微控制器可以對該模數(shù)轉換電路發(fā)送時鐘信號以逐位從接口單元15讀取模數(shù)轉換的值，當ADC芯片將模數(shù)轉換的值發(fā)送完畢時，ADC芯片的DRDY引腳輸出高電平的數(shù)據(jù)準備標志信號，參見圖3。
[0046]在本發(fā)明實施例中，當ADC數(shù)據(jù)轉換完成時，ADC芯片的DRDY引腳拉低，在ADC轉換的數(shù)據(jù)被讀取之后，DRDY引腳拉高，控制邏輯單元11控制參考電壓單元12輸出參考電壓，同時控制Sigma-ADC調(diào)制器13和濾波單元14工作；在L階數(shù)字濾波器141輸出k個j位的數(shù)字信號Dl-Dk后，控制邏輯單元11控制關閉Sigma-ADC調(diào)制器13、關閉參考電壓單元12、關閉L階數(shù)字濾波器141輸出，直到下一個數(shù)據(jù)準備標志信號被拉高時重新輸出。
[0047]在直流測量中ADC的轉換速率一般是幾赫茲到幾十赫茲，現(xiàn)在將轉換速率成倍的提高。假設提高速率之前的轉換速率是η赫茲，提高后的轉換速率是m赫茲。L階數(shù)字濾波器不同的階數(shù)，輸出數(shù)字信號的建立時間是不同的。如果第一數(shù)字濾波器為L階數(shù)字濾波器，那么第L個模數(shù)轉換電路的模數(shù)轉換輸出數(shù)據(jù)才是正確的值。在本發(fā)明實施例中，在內(nèi)部提高模數(shù)轉換電路的轉換速率之后，每I/η秒取k個數(shù)字信號Dl-Dk，放棄之前L-1個數(shù)字信號(例如，當L為3時，放棄數(shù)字信號Dl、D2)，對后面的數(shù)據(jù)(D3-Dk)進行求平均，將平均值作為信號輸出，然后迅速關斷參考電壓單元12，并將Sigma-ADC調(diào)制器13以及濾波單元14關閉。這樣從外部看同樣是η赫茲的輸出速率，但是功耗已經(jīng)有極大的降低。如果之前的功耗是P，新的功耗只有(k*n/m).ρ。如果之前傳感器加上模數(shù)轉換電路的功耗是15mA，模數(shù)轉換電路轉換速率是10Hz，第一數(shù)字濾波器是4階的，則，該模數(shù)轉換電路的內(nèi)部轉換速率提高為2KHz，每次輸出取32個數(shù)據(jù)的平均值，那么改進后的功耗實際只有大約
2.63mA。
[0048]本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種采用上述基于Sigma-Delta的模數(shù)轉換電路的ADC芯片。
[0049]本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種采用上述ADC芯片的數(shù)字天平。
[0050]本發(fā)明實施例在不進行測量時，通過控制邏輯單元關斷參考電壓單元的參考電源輸出，降低了模數(shù)轉換電路和傳感器的能耗，符合節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展主流和市場需求，并且在L-1個數(shù)字信號后，對后面的數(shù)據(jù)進行求平均，將平均值作為信號輸出，然后迅速關斷參考電壓單元及模數(shù)轉換電路，大幅提高了模數(shù)轉換電路的轉換效率。[0051 ] 以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路,所述電路包括: 控制邏輯單元，用于生成電源使能信號、模數(shù)轉換使能信號和濾波控制使能信號； 參考電壓單元，用于在接收到的電源使能信號有效時輸出參考電壓，所述參考電壓單元的使能端與所述控制邏輯單元的電源使能輸出端連接，所述參考電壓單元的輸出端為所述電路的參考電壓輸出端； Sigma-ADC調(diào)制器，用于將所述參考電壓作為工作電壓，并在接收到的模數(shù)轉換使能信號有效時，將模擬電壓信號轉換成脈沖密度調(diào)制碼，所述Sigma-ADC調(diào)制器的電源端與所述參考電壓單元的輸出端連接，所述Sigma-ADC調(diào)制器的使能端與所述控制邏輯單元的模數(shù)轉換使能輸出端連接； 濾波單元，用于在接收到的濾波控制使能信號有效時，對所述脈沖密度調(diào)制碼進行濾波，輸出數(shù)字信號，所述濾波單元的使能端與所述控制邏輯單元的濾波控制使能輸出端連接，所述濾波單元的輸入端與所述Sigma-ADC調(diào)制器的輸出端連接，所述濾波單元的輸出端為所述電路的輸出端。
2.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述參考電壓單元包括: 參考電壓生成單元，用于生成參考電壓； 使能開關，用于在接收到的電源使能信號有效時輸出參考電壓，所述使能開關的使能端為所述參考電壓單元的使能端，所述使能開關的一導通端與所述參考電壓生成單元的輸出端連接，所述使能開關的另一導通端為所述參考電壓單元的輸出端。
3.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述使能開關為半導體開關，所述半導體開關的控制端為所述使能開關的使能端，所述半導體開關的電流輸入端為所述使能開關的一導通端，所述半 導體開關的電流輸出端為所述使能開關的另一導通端。
4.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述濾波單元包括: 第一數(shù)字濾波器，用于在接收到的濾波控制使能信號有效時，濾除所述脈沖密度調(diào)制碼中高頻部分的噪聲，輸出j位數(shù)字信號，所述第一數(shù)字濾波器的使能端為所述濾波單元的使能端，所述第一數(shù)字濾波器的輸入端為所述濾波單元的輸入端； 第二數(shù)字濾波器，用于在所述第一數(shù)字濾波器輸出k個j位的數(shù)字信號后，對所述k個j位的數(shù)字信號進行高頻濾波，輸出j位的數(shù)字信號，所述第二數(shù)字濾波器的輸入端與所述第一數(shù)字濾波器的輸出端連接，所述第二數(shù)字濾波器的輸出端為所述濾波單元的輸出端； 所述j、k均為自然數(shù)。
5.如權利要求4所述的電路，其特征在于，所述第一數(shù)字濾波器為L階數(shù)字濾波器。
6.如權利要求4所述的電路，其特征在于，所述電路還包括接口單元，用于將所述數(shù)字信號輸出到所述電路外部，所述接口單元的輸入端與所述第二數(shù)字濾波器的輸出端連接，所述接口單元的輸出端為所述電路的輸出端。
7.一種ADC芯片，其特征在于，所述ADC芯片包括如權利要求1至6任一項所述的基于Sigma-Delta結構的模數(shù)轉換電路。
8.一種數(shù)字天平，其特征在于，所述數(shù)字天平包括如權利要求7所述的ADC芯片。
【文檔編號】H03M1/12GK103607203SQ201310602040
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權日:2013年11月25日
【發(fā)明者】喬愛國 申請人:深圳市芯?？萍加邢薰?br>