一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，提供了一個(gè)適合單周期工作的過采樣δ-σ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中,只有一個(gè)乘積累加處理器是呈現(xiàn)在數(shù)字濾波狀態(tài)，來抽取輸出序列R(I)。一個(gè)系統(tǒng)控制器產(chǎn)生精確定時(shí)的調(diào)制器使能信號(hào)(EnM)和數(shù)字濾波器使能信號(hào)(EnF)，協(xié)調(diào)激活某些電路元件并且管理系統(tǒng)的能量功耗。
【專利說明】一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。特別的，它關(guān)注的是適合執(zhí)行單周期轉(zhuǎn)換的δ -σ過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)是模擬信號(hào)，我們通常需要使用模數(shù)(A / D)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。電路設(shè)計(jì)人員有有目的地來執(zhí)行這種轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗且环N目前用于傳輸、存儲(chǔ)和處理數(shù)字信號(hào)的有效方法。例如，一個(gè)數(shù)字代表一個(gè)音頻信號(hào)，這就允許通過一個(gè)CD播放器幾乎沒有誤差的使用光盤儲(chǔ)存。復(fù)雜的信號(hào)處理可能也需要A / D轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵跀?shù)字域只使用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理器，這樣的信號(hào)處理是可行的。信號(hào)處理在數(shù)字域也特別有用，例如在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域，給磁共振成像(MRI)之類的任務(wù)提供需要的精度。
[0003]過采樣方法最近已成為流行的A / D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，它們避免了遇到的許多困難。這是因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換器有一定的屬性，很難在集成電路設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。其中最重要的是需要使用容易受到噪聲和干擾的模擬濾波器和高精度的模擬電路。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用一個(gè)相對(duì)較低的采樣頻率，通常輸入信號(hào)在奈奎斯特速率下(即信號(hào)帶寬的兩倍)。
[0004]傳統(tǒng)的A / D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)要求，當(dāng)采樣在奈奎斯特速率時(shí)，低通反混疊濾波器在其輸入，衰減高頻噪聲幅度和偽頻帶內(nèi)的頻帶外成分的信號(hào)。這種濾波器的頻率特性是由模擬元件制造精度所決定的。
[0005]另一方面，過采樣A / D轉(zhuǎn)換器可以使用簡(jiǎn)單和相對(duì)高容差的模擬元件，但是需要快速和相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理級(jí)。他們?cè)谝粋€(gè)頻率遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率下，調(diào)制模擬輸入成為一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字碼，通·常是單個(gè)位的字。這些調(diào)制器通過犧牲振幅的分辨率來換取及時(shí)的解決，所以可以使用不精確的模擬電路。使用高頻調(diào)制可以消除模擬反混疊濾波器到輸入A / D轉(zhuǎn)換器的突然切斷的需要。數(shù)字低通濾波器可以使數(shù)字調(diào)制器的輸出平滑，并且在奈奎斯特速率下重新采樣，在它們混入到信號(hào)的頻帶里之前，衰減噪聲、干擾和高頻成分的信號(hào)。另一個(gè)數(shù)字濾波器可用于在輸出端抽取單位編碼轉(zhuǎn)換為高字速率數(shù)字脈沖編碼調(diào)制的信號(hào)。
[0006]過采樣A/D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用數(shù)字處理，利用了這樣的事實(shí)，即集成電路技術(shù)相比用于提供精確模擬電路更適合用于提供快速數(shù)字電路。因?yàn)樗麄兊牟蓸勇释ǔＰ枰蟠蟾哂谀慰固厮俾?、傳統(tǒng)的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器通常用于中速數(shù)字應(yīng)用，如數(shù)字音頻、數(shù)字電話和數(shù)據(jù)通信。這樣的應(yīng)用需要從一個(gè)單一的輸入源連續(xù)生產(chǎn)A / D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的A / D轉(zhuǎn)換器來說，一個(gè)定義良好的建立時(shí)間并不重要。此外，傳統(tǒng)的過采樣A /D轉(zhuǎn)換器的電力消費(fèi)往往是相對(duì)較高的，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器電路必須保持激活，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0007]然而，由于其特殊的分辨率和精度，過采樣A / D轉(zhuǎn)換器也可用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制和測(cè)試測(cè)量?jī)x器等任務(wù)中。在許多這樣的應(yīng)用中，如果理想的話，源于一個(gè)給定的輸入源，僅有一個(gè)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。例如，一個(gè)模擬輸入信號(hào)可以從許多不相關(guān)的不同來源中選擇，這些來源于一個(gè)輸入多路復(fù)用器或可能是在不相關(guān)的時(shí)間間隔根據(jù)所需的功能的采樣。在這種應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)新的輸入信號(hào)被提供之前，A / D轉(zhuǎn)換器只能為一個(gè)給定的輸入信號(hào)完成轉(zhuǎn)換。因此，在單一轉(zhuǎn)換或“單循環(huán)轉(zhuǎn)換”應(yīng)用中，輸出數(shù)據(jù)過采樣和強(qiáng)大的時(shí)間連續(xù)轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的相關(guān)性是不重要的。
[0008]傳統(tǒng)的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器不適合執(zhí)行單A / D轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗麄兪菫榱酥貜?fù)地取樣給定的模擬輸入信號(hào)，來延長(zhǎng)一段時(shí)間，在高于輸入信號(hào)帶寬的兩倍的速率下來產(chǎn)生多個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣的A / D轉(zhuǎn)換器有復(fù)雜的數(shù)字濾波級(jí)，缺乏定義的建立時(shí)間也會(huì)使得輸入多路傳輸困難。此外，由于傳統(tǒng)的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器通常連續(xù)操作來延長(zhǎng)時(shí)間，它們不包含在不使用時(shí)關(guān)閉部分轉(zhuǎn)換器的節(jié)電電路，這種情況是經(jīng)常發(fā)生在單周期工作中的。
[0009]鑒于上述，因此需要提供一個(gè)適合提供單A / D轉(zhuǎn)換的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器。
[0010]提供一個(gè)包括當(dāng)不需要轉(zhuǎn)換時(shí)電路選擇性地打開和關(guān)閉部分轉(zhuǎn)換器，來最小化電路功率的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器，也是可取的。
[0011]提供一個(gè)包括復(fù)雜性降低的數(shù)字濾波電路的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器，也是可取的。
[0012]提供一個(gè)具有定義良好的建立時(shí)間，以方便輸入多路復(fù)用過采樣的A/D轉(zhuǎn)換器，將會(huì)是另外所期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此本發(fā)明的對(duì)象提供一個(gè)適合進(jìn)行單循環(huán)A / D轉(zhuǎn)換的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)包括最小化電路功率A / D轉(zhuǎn)換器。
[0015]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)包括復(fù)雜性降低的數(shù)字濾波電路的過采樣A / D轉(zhuǎn)換器。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一個(gè)具有定義好的建立時(shí)間，以方便輸入多路復(fù)用過米樣A / D轉(zhuǎn)換器。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
根據(jù)本發(fā)明的這些和其他目的，描述了適合單循環(huán)工作的過采樣“A / D轉(zhuǎn)換器。A / D轉(zhuǎn)換器可能包括一個(gè)δ-σ調(diào)制器、數(shù)字抽取濾波器和系統(tǒng)控制器。當(dāng)收到一個(gè)轉(zhuǎn)換起始信號(hào)，系統(tǒng)控制器可以引導(dǎo)S-σ調(diào)制器采樣和量化模擬輸入信號(hào)，來產(chǎn)生一系列脈沖密度調(diào)制輸出信號(hào)Y(k)。輸出信號(hào)Y(k)被數(shù)字濾波器過濾和抽取，來產(chǎn)生一個(gè)輸出字R(/)，這是一個(gè)表示被采樣的輸入信號(hào)的數(shù)字。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中，只有一個(gè)乘積累加處理器是呈現(xiàn)在數(shù)字濾波狀態(tài)，來抽取輸出信號(hào)Y(k)。系統(tǒng)控制器會(huì)產(chǎn)生精確定時(shí)的調(diào)制器使能信號(hào)(EnM)和數(shù)字濾波器使能信號(hào)(EnF)，協(xié)調(diào)激活和斷開A / D轉(zhuǎn)換電路中的元件并且最小化系統(tǒng)的能量功耗。
[0018]對(duì)比專利文獻(xiàn):CN202111690U —種數(shù)模轉(zhuǎn)換器201120185263.6。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0019]本發(fā)明的上述和其他目的在下面的詳細(xì)描述下、結(jié)合附帶的圖紙很清晰，參考字符所指示的為相同的元件或結(jié)構(gòu)，貫穿始終: 圖1a是一個(gè)先前技術(shù)過采樣δ - σ A/D轉(zhuǎn)換器的組成模塊；
圖1b是一個(gè)說明輸入斜坡信號(hào)激勵(lì)下的一位δ-σ調(diào)制器的響應(yīng)圖；
圖1c是一個(gè)說明輸入斜坡信號(hào)激勵(lì)下的兩位δ-σ調(diào)制器的響應(yīng)圖；
圖2是一個(gè)先前技術(shù)的乘積累加處理器的原理圖；
圖3是一個(gè)先前技術(shù)的四個(gè)乘積累加處理器并行工作的原理圖；
圖4是另一個(gè)先前技術(shù)的四個(gè)乘積累加處理器并行工作的原理圖；
圖5是一個(gè)與本發(fā)明的原則一致而構(gòu)造的過采樣A/D轉(zhuǎn)換器框圖；
圖6是一個(gè)與本發(fā)明的原則一致而構(gòu)造的部分三階δ-σ調(diào)制器的原理圖；
圖7是一個(gè)可能用于本發(fā)明的數(shù)字抽取濾波器的單乘積累加處理器裝置的原理圖。
[0020]【具體實(shí)施方式】:
圖1a顯示的是一個(gè)傳統(tǒng)的過采樣δ-σΑ /D轉(zhuǎn)換器10的組成模塊，A /D轉(zhuǎn)換器10由3個(gè)基本的模塊組成:δ-σ調(diào)制器20，有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器30和系統(tǒng)控制器40。在圖1a中，δ-σ調(diào)制器20在系統(tǒng)控制器40產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)CAif的引導(dǎo)下，以一個(gè)很高的速率(奈奎斯特速率的許多倍)連續(xù)采樣模擬輸入信號(hào)V (t)，調(diào)制器20產(chǎn)生一系列的、取決于輸入信號(hào)V(t)大小，并且在邏輯“高”電平和“低”電平之間震蕩的I位輸出樣本Y(k)。這引起模擬輸入信號(hào)V(t)脈沖密度調(diào)制，即在同一時(shí)間，調(diào)制器20輸出的數(shù)字信號(hào)Y(k)的平均水平約等于模擬輸入信號(hào)V(t)的平均級(jí)。圖1 b說明了斜坡輸入信號(hào)V(t)激勵(lì)下的一階δ-σ調(diào)制器20的響應(yīng)。隨著V(t)數(shù)量的增加，數(shù)字脈沖信號(hào)Y(k)邏輯高電平的數(shù)量也增加了，所以這些脈沖的平均值匹配了當(dāng)前的V(t)值。反之，隨著V(t)數(shù)量減少，數(shù)字脈沖信號(hào)Y(k)的邏輯高電平的數(shù)量也減少，來反映V(t)的值。
[0021]雖然一位量化是常見的，可能多位量化更適合某些應(yīng)用。在這種應(yīng)用中，數(shù)字信號(hào)Y(k)的分辨率隨提供的量化水平的數(shù)量是可變的，圖1c說明了斜坡輸入信號(hào)V(t)激勵(lì)下的二階(兩位)δ-σ調(diào)制器20的響應(yīng)。輸出的二階δ-σ調(diào)制器20主要在四個(gè)可用的水平中的三個(gè)水平下震蕩，這樣數(shù)字信號(hào)Y(k)的局部平均值等于模擬輸入V(t)的平均值。盡管多位調(diào)節(jié)器比單位調(diào)制器更復(fù)雜，但是它們?cè)谀承?yīng)用中是可取的，因?yàn)樗麄儽苊饬水?dāng)輸入信號(hào)的平均幅度V(t)大于Y(k)最大密度時(shí)，發(fā)生在單位調(diào)節(jié)器中量化器的飽和問題。如果需要的話，這樣的問題還可以通過縮放輸入信號(hào)V(t)來匹配調(diào)制器20的最大分辨率來避免。
【權(quán)利要求】
1.一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是:一個(gè)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路包括:一個(gè)S-O調(diào)制器電路，它接收模擬輸入信號(hào)并且將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成調(diào)制過的數(shù)字樣本，S-ο調(diào)制器電路有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，一個(gè)濾波電路耦合到所述的調(diào)制器電路的輸出端，從所述的調(diào)制器電路接收調(diào)制過的數(shù)字樣本，并且轉(zhuǎn)換調(diào)制過的數(shù)字樣本成為一個(gè)數(shù)字輸出字；一個(gè)系統(tǒng)控制器電路，它耦合到調(diào)制器電路和濾波電路，選擇性地啟用和禁用調(diào)制器電路和濾波電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是:系統(tǒng)控制器電路被配置用來接收轉(zhuǎn)換起始信號(hào)，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)換起始信號(hào)是有效時(shí)，系統(tǒng)控制器電路指示模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出字；當(dāng)數(shù)字輸出字產(chǎn)生，系統(tǒng)控制器電路被配置用來禁用所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路；調(diào)制器電路被配置用來從系統(tǒng)控制器電路接收一個(gè)調(diào)制器使能信號(hào)；當(dāng)調(diào)制器使能信號(hào)為有效時(shí)，啟用調(diào)制器電路；當(dāng)調(diào)制器使能信號(hào)為非有效時(shí)，禁用調(diào)制器電路；當(dāng)調(diào)制器使能信號(hào)為有效時(shí)，調(diào)制器電路是啟用的；系統(tǒng)控制器電路保持調(diào)制器使能信號(hào)在一段必要的時(shí)間為有效，通過所要求的數(shù)字濾波器電路生成數(shù)字輸出字，讓調(diào)制器電路產(chǎn)生一定數(shù)量的數(shù)字樣本；濾波電路被配置用來從所述的系統(tǒng)控制器電路中接收濾波器使能信號(hào)；當(dāng)濾波器電路使能信號(hào)為有效時(shí)，啟用濾波器電路；當(dāng)濾波器電路使能信號(hào)為非有效時(shí)，禁用濾波器電路；當(dāng)濾波器電路使能信號(hào)為有效時(shí)，濾波器電路啟用；系統(tǒng)控制器電路保持濾波器電路使能信號(hào)在一段必要的時(shí)間為有效,通過所要求的數(shù)字濾波器電路生成數(shù)字輸出字,讓濾波電路過濾數(shù)字輸出樣本；其中調(diào)制器電路是一個(gè)三階S-ο調(diào)制器；其中調(diào)制器電路進(jìn)一步包括時(shí)鐘發(fā)生器電路；其中調(diào)制器電路進(jìn)一步包括一個(gè)初始化控制器；其中調(diào)制器電路進(jìn)一步包括積分電路，其中的初始化控制器能夠選擇性地重置積分電路組預(yù)定義的初始條件；其中調(diào)制器進(jìn)一步包括比較器電路，其中的初始化控制器能夠選擇性地重置積分電路組預(yù)定義的初始條件；濾波電路是一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器；數(shù)字濾波電路進(jìn)一步包括一個(gè)系數(shù)發(fā)生器；系數(shù)發(fā)生器配置用來從系統(tǒng)控制器電路接收濾波器使能信號(hào)；當(dāng)模擬輸入信號(hào)同步應(yīng)用到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，有一個(gè)m + η + P的建立時(shí)間；當(dāng)模擬輸入信號(hào)同步，應(yīng)用一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，有一個(gè)2 * n + m + P -1的建立時(shí)間；數(shù)字濾波電路進(jìn)一步包括一個(gè)乘積累加處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是:一個(gè)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)的方法包括:調(diào)制`模擬信號(hào)來創(chuàng)建調(diào)制數(shù)字樣本；通過數(shù)字濾波器來過濾調(diào)制數(shù)字樣本，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字輸出字；并提供控制信號(hào)，選擇性地啟用和禁用負(fù)責(zé)調(diào)制和濾波的電路的工作；其中提供這一步驟進(jìn)一步包括:使調(diào)制器開啟一段時(shí)間，通過所要求的數(shù)字濾波器電路生成數(shù)字輸出字，讓調(diào)制器電路產(chǎn)生一定數(shù)量的數(shù)字樣本；在一定數(shù)量的數(shù)字樣品產(chǎn)生后，立即禁用調(diào)制器；當(dāng)?shù)谝粩?shù)字樣本被提供后，啟用數(shù)字濾波器；產(chǎn)生數(shù)字輸出字后，立即禁用數(shù)字濾波器；所述調(diào)制的特點(diǎn)是使用一個(gè)S-σ調(diào)制器；所述過濾的特點(diǎn)是使用一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換的特征是當(dāng)模擬信號(hào)同步轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出字，有一個(gè)m + η + P的建立時(shí)間；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換的特征是當(dāng)模擬信號(hào)同步轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出字時(shí)，有一個(gè)2 * n + m + P -1的建立時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單循環(huán)過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征是:一個(gè)達(dá)成單循環(huán)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法包括:指示調(diào)制器電路調(diào)節(jié)模擬輸入信號(hào)，來產(chǎn)生調(diào)制數(shù)字樣本；提供控制信號(hào)，選擇性地啟用和禁用調(diào)制器電路，選擇性地初始化調(diào)制器電路；方法進(jìn)一步包括:指示數(shù)字濾波電路過濾調(diào)制數(shù)字樣本，來產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字輸出字；提供控制信號(hào)，選擇性地啟用和禁用指示濾波電路和選擇性地初始化濾波電路；其中提供這一步驟進(jìn)一步包括:啟用調(diào)制器電路的調(diào)制器指示一段必要的時(shí)間，通過所要求的數(shù)字濾波器電路生成數(shù)字輸出字，讓調(diào)制器電路產(chǎn)生一定數(shù)量的數(shù)字樣本；當(dāng)一定數(shù)量的數(shù)字樣品產(chǎn)生后，立即禁用調(diào)制指示步驟；當(dāng)一定數(shù)量的數(shù)字樣品產(chǎn)生后，初始化所述控制器電路；當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制過的數(shù)字樣本被提供后，啟用數(shù)字濾波器指示；當(dāng)數(shù)字輸出字產(chǎn)生后，立即禁用所述濾波器指示；當(dāng)數(shù)字輸出字產(chǎn)生后，初始化所述數(shù)字濾波電路；其中初始化步驟進(jìn)一步包括:設(shè)置積分電路到一組預(yù)定義的初始條件；當(dāng)數(shù)字輸出字產(chǎn)生后，初始化所述數(shù)字濾波電路；其中調(diào)制器指示步驟的 特點(diǎn)是使用一個(gè)S-O調(diào)制器；其中濾波器指示步驟的特點(diǎn)是使用一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器。
【文檔編號(hào)】H03M1/12GK103795412SQ201310606857
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:蘇州貝克微電子有限公司