專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號處理系統(tǒng)，尤其涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法。
背景技術(shù)：
在數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用領(lǐng)域，可同時或并列獲取多個模擬信號，并將其在一定的時 間間隔中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
在一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個輸入通道需要一個采樣/保持模塊。對多個輸入通道
的所有模擬信號同時進行采樣，然后進入保持狀態(tài)。在保持階段，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 可用來將采樣的模擬信號依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，直到所有輸入通道的采樣信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號。這種結(jié)構(gòu)存在許多弊端。例如，多個通道需要多個采樣/保持模塊， 這些模塊對高頻率噪聲比較敏感且沒有低通濾波能力。
在另一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個輸入通道采用單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，具有多 個輸入通道的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。均型模數(shù)轉(zhuǎn)換器可用于這種結(jié) 構(gòu)來實現(xiàn)多個輸入通道的同步。然而，如果采用多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)獲取信號 系統(tǒng)的能量損耗、芯片面積和成本都會增加。另外，不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可導(dǎo)致多 個輸入通道之間的不匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，無需 多個采樣/保持模塊或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器就可實現(xiàn)對多個輸入通道的模擬信號進行 轉(zhuǎn)換，以減少功耗和降低成本。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù) 轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括輸入通道，與輸入通道相連的采樣電路，與采樣電路相 連的積分器，與積分器相連的反饋電路。輸入通道接收模擬信號。采樣電路對模 擬信號進行采樣。積分器接收采樣的模擬信號和反饋信號，并對兩者之和進行積 分。反饋電路根據(jù)積分器的輸出產(chǎn)生數(shù)字信號，并將表示數(shù)字信號的反饋信號傳送給積分器。
本發(fā)明還提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括采樣電路對模 擬信號進行采樣并產(chǎn)生采樣的模擬信號，對所述采樣模擬信號和反饋信號之和進 行積分，根據(jù)所述模擬信號和所述反饋信號之和的積分結(jié)果產(chǎn)生第一數(shù)字信號， 以及根據(jù)所述第一數(shù)字信號產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
本發(fā)明還提供了一種將多個模擬信號轉(zhuǎn)換成多個數(shù)字輸出信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括接收所述多個模擬信號的多個輸入通道，與所述多個 輸入通道相連的采樣電路，與所述采樣電路相連的積分器，與所述積分器相連的 反饋電路，以及與所述反饋電路相連的多個輸出通道。所述采樣電路對從多個輸 入通道中所選取的輸入通道的相應(yīng)模擬信號進行采樣，并產(chǎn)生采樣的模擬信號。 所述積分器接收所述采樣的模擬信號和反饋信號，并對所述采樣的模擬信號和所 述反饋信號之和進行積分。所述反饋電路根據(jù)所述積分器的輸出產(chǎn)生數(shù)字信號， 并將表示所述數(shù)字信號的所述反饋信號傳送給所述積分器。所述多個輸出通道產(chǎn) 生所述多個數(shù)字輸出信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換器無需多個采樣/保持模塊或多個模數(shù)轉(zhuǎn) 換器對多個輸入通道的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。因此，可降低電路的成本，提高電路 效率，也可以減少/避免多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的不匹配。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)的說明，以使本發(fā)明的 特性和優(yōu)點更為明顯。


圖l所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方框圖。
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號的時序圖。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的流程圖。 圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電子系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式
以下將對本發(fā)明的實施例及其附圖給出詳細(xì)的說明。雖然本發(fā)明將結(jié)合實施例進行闡述，但應(yīng)理解為這并非意指將本發(fā)明限定于這些實施例。相反，本發(fā)明 意在涵蓋由后附權(quán)利要求項所界定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)所定義的各種可選項、 可修改項和等同項。此外，在以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述中，為了提供針對本發(fā)明 的完全的理解，闡明了大量的具體細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這 些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以實施。在另外的一些實施例中，對于大家熟知的方 案、流程、元件和電路未作詳細(xì)描述，以便于凸顯本發(fā)明之主旨。
這里描述的實施例包含各種形式的計算機使用媒介上的計算機可執(zhí)行指令的 內(nèi)容，如一個或多個計算機或其它裝置執(zhí)行的程序模塊。通常，程序模塊包括執(zhí) 行特定任務(wù)或執(zhí)行簡明數(shù)據(jù)類型的事務(wù)、程序、目標(biāo)、元件、數(shù)據(jù)指令等。在各 種實施例中，可合并或指定程序模塊的功能。
計算機使用的媒介可包括，但并不限于計算機存儲媒介和通信媒介。計算機 存儲媒介包括各種方式或技術(shù)中存儲信息如計算機可讀指令、數(shù)據(jù)指令、程序模 塊或其它數(shù)據(jù)的易揮發(fā)性和非易揮發(fā)性，可移除式和非移除式媒介。計算機存儲
媒介包括，但不限于隨機存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，電可擦除只讀存儲 器(EEPROM)，閃存或其它存儲技術(shù)，光盤存儲器(CD-ROM),磁帶，磁盤存儲或 其它磁盤存儲裝置，或其它可存儲所需信息的媒介。
本發(fā)明提供了一種多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在交叉模式下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將 來自多個輸入通道的多個模擬信號轉(zhuǎn)換成多個數(shù)字輸出信號，例如將多個模擬電 壓轉(zhuǎn)換成多個數(shù)字輸出電壓。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器可用于需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的各種數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)中，如視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、信號傳感器等。
圖l所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100 的方框圖。在一個實施例中，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100可以為一階S-o (delta-sigma)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在一個實施例中，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ioo具有多個輸入通道，如包括通道l、 通道2、通道3、通道4的四個輸入通道，以將模擬信號，如模擬電壓信號Vu V2、 V3和V4在交叉模式下分別轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。每個輸入通道與一個開關(guān)相連，如開關(guān) SlA與通道l相連，開關(guān)S2A與通道2相連，開關(guān)S3A與通道3相連，開關(guān)S4A與通道4 相連。在一個實施例中，系統(tǒng)時鐘信號SCLK控制開關(guān)SlA、 S2A、 S3A禾BS4A。在一個實 施例中，系統(tǒng)時鐘信號SCLK在一個時鐘周期內(nèi)選取一個輸入通道。在一個實施例中， 在這個時鐘周期內(nèi)，與所選取的輸入通道相連的開關(guān)閉合，其它開關(guān)斷開。
8多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器IOO包括將模擬信號，如模擬電壓信號VK V2、 V3或V4，
轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的調(diào)制器110。根據(jù)不同應(yīng)用的要求，調(diào)制器IIO可以是一階5-o (delta-sigma)調(diào)制器或二階調(diào)制器。
調(diào)制器IIO接收所選取的輸入通道的模擬信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號傳送 給與輸入通道相對應(yīng)的濾波器，如數(shù)字濾波器FK F2、 F3或F4。模擬信號可以是 各種信號，如電流或電壓信號。
調(diào)制器110以預(yù)定的采樣頻率對接收的模擬信號進行采樣。例如采樣頻率可以 等于Fs*OSR，其中Fs為耐奎斯特(Nyquist)頻率、OSR為耐奎斯特頻率的過采樣比。 例如，當(dāng)Fs為16Hz、 0SR為4096時，采樣頻率為65536Hz。調(diào)制器110以采樣頻率
將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在一個實施例中，數(shù)字信號可以是以取決于采樣頻率的 速率輸出的包括邏輯1或邏輯0連續(xù)的1位數(shù)據(jù)流。
在一個實施例中，調(diào)制器110包括對模擬信號進行采樣的采樣電路130。采樣電 路130包括與所選取的輸入通道相連的能量存儲單元(如采樣電容)120，用來存儲 來自所選取的輸入通道的電荷。采樣電路130包括由開關(guān)122、 124、 126和128組成 的開關(guān)陣列，用來控制能量存儲單元120。信號PH2控制開關(guān)122和124，信號PHi 控制開關(guān)126和128。在一個實施例中，信號PHi和PH2為非重疊時鐘信號。例如， 當(dāng)信號PH2為高電位時且信號PHi為低電位時，開關(guān)122和124閉合，開關(guān)126和128 斷開。當(dāng)信號Pm為高電位且信號PH2為低電位時，開關(guān)122和124斷開，開關(guān)126 和128閉合。
調(diào)制器110還包括與采樣電路130相連的積分器150，用來接收采樣的模擬 信號和反饋信號lll，且對兩者之和進行積分并產(chǎn)生輸出。在圖l所示的例子中， 積分器150包括誤差放大器102和一組積分電容，如積分電容Cii、 Ci2、 Ci3和Ci4。
積分電容Cil、 Ci2、 Ci3和Ci4相并聯(lián)。積分電容Cil、 Ci2、 Ci3和Ci4分別積累
來自通道l、通道2、通道3和通道4的電荷。每個積分電容Cii、 Ci2、 Ci3或d4
與一個開關(guān)相串聯(lián)，如積分電容Cil與開關(guān)SlB相連、積分電容Ci2與開關(guān)S2B相連、 積分電容Ci3與開關(guān)S3B相連以及積分電容Ci4與開關(guān)S4B相連。
在一個實施例中，在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，調(diào)制器iio依次完成每個輸入通道的
模數(shù)轉(zhuǎn)換。在一個實施例中，在轉(zhuǎn)換周期開始的時候，積分電容可任意分配給輸
入通道。例如，積分電容Cii存儲來自通道2的電荷，積分電容Ci2存儲來自通道 3的電荷，積分電容Ci3存儲來自通道4的電荷，積分電容Ci4存儲來自通道1的電荷等。輸入通道和積分電容的靈活配置可減少不同通道之間的不匹配，這種不匹配是
由積分電容之間的不匹配引起的。在一個實施例中，積分器150的輸出包括相應(yīng)積分
電容在上一個轉(zhuǎn)換周期中存儲的電荷以及采樣的模擬信號和反饋信號111之和的積 分結(jié)果。
在一個實施例中，誤差放大器102具有兩個輸入端(如反向輸入端和正向輸 入端)和一個輸出端。誤差放大器102的反向輸入端接收輸入信號，其正向輸入 端接收第一參考信號。在一個實施例中，輸入信號為輸入通道采樣的模擬信號和 反饋信號lll之和。在一個實施例中，正向輸入端與地相連，由此第一參考信號 的電壓值基本上等于零。誤差放大器102根據(jù)輸入信號(如采樣的模擬信號和反 饋信號lll之和)與第一參考信號的差值產(chǎn)生誤差信號。在一個實施例中，誤差 信號為電壓信號。
調(diào)制器110還包括反饋電路，用來根據(jù)積分器150的輸出產(chǎn)生數(shù)字信號并將 表示該數(shù)字信號的反饋信號傳送給積分器150。在圖1所示的例子中，反饋電路 包括比較器104、多路復(fù)用器(multiplexer) 108和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 106。換 句話說，積分器150，比較器104，多路復(fù)用器108和數(shù)模轉(zhuǎn)換器106共同構(gòu)成反 饋回路。反饋回路包括由積分器150、比較器104和多路復(fù)用器108構(gòu)成的前向 通路和由數(shù)模轉(zhuǎn)換器106形成的反向通路。
與積分器150相連的比較器104將積分器150的輸出與第二參考信號進行比 較，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生比較器輸出信號。在一個實施例中，積分器150的輸出 包括相應(yīng)積分電容在前一轉(zhuǎn)換周期中存儲的電荷以及采樣的模擬信號和反饋信號 111之和的積分結(jié)果。
信號PH2控制比較器104且當(dāng)信號PH2為高電位時，比較器104工作。在一個 實施例中，比較器104的正輸入端與地相連。由此，第二參考信號的電壓值基本 為零。比較器104根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生l位數(shù)字信號(如邏輯1或邏輯0)。比較器 輸出信號，如l位數(shù)字信號，傳送給多路復(fù)用器108。
在一個實施例中，多路復(fù)用器108為由系統(tǒng)時鐘信號SaK控制的桶式移位寄 存器。多路復(fù)用器108根據(jù)系統(tǒng)時鐘信號SaK將來自比較器104的數(shù)字信號，如 1位數(shù)字信號傳送給輸出通道，如與所選取的輸入通道相對應(yīng)的數(shù)字濾波器。輸 出通道包括數(shù)字濾波器Fi、 F2、 F3和F4，如抽取濾波器，將數(shù)字信號(如來自比 較器104的1位數(shù)字信號)抽取成多位數(shù)字輸出信號。因此，數(shù)字濾波器(如FkF2、 F3和F4)可分別輸出與多個輸入通道相對應(yīng)的多個數(shù)字輸出信號。
另外，多路復(fù)用器108可將每個輸入通道所對應(yīng)的來自比較器104的1位數(shù) 字信號鎖住。因此，在當(dāng)前的轉(zhuǎn)換周期中，多路復(fù)用器108將前一轉(zhuǎn)換周期中產(chǎn) 生的每個輸入通道的l位數(shù)字信號鎖住，直到新的l位數(shù)字信號產(chǎn)生。在當(dāng)前的
轉(zhuǎn)換周期中根據(jù)系統(tǒng)時鐘信號sclk選取一個輸入通道時，多路復(fù)用器108將前一
轉(zhuǎn)換周期中產(chǎn)生的所選取的輸入通道的1位數(shù)字信號傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器106。在 一個實施例中，在第一個轉(zhuǎn)換周期中，多路復(fù)用器108將l位數(shù)字信號，如邏輯 0，傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器106。
在一個實施例中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器106為l位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器106接收
來自多路復(fù)用器108的1位數(shù)字信號，并根據(jù)參考電壓vref將其轉(zhuǎn)換成模擬信號
(如電壓信號)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器106產(chǎn)生的模擬信號可作為傳送給積分器150的反饋 信號111。在一個實施例中，當(dāng)1位數(shù)字信號為邏輯1時，數(shù)模轉(zhuǎn)換器106將反 饋信號設(shè)置為-Vref，當(dāng)1位數(shù)字信號為邏輯0時，數(shù)模轉(zhuǎn)換器106將反饋信號設(shè) 置為Vref。信號PHi和PH2控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器106。由此，根據(jù)多路復(fù)用器108的1 位數(shù)字信號來設(shè)置反饋信號111的值。
更具體地說，在當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期的一個時鐘周期內(nèi)根據(jù)系統(tǒng)時鐘信號sclk選取 通道1時，調(diào)制器110接收通道1的模擬信號(如模擬電壓信號Vi)和來自數(shù)模 轉(zhuǎn)換器106的反饋信號111，并產(chǎn)生l位數(shù)字信號。在一個實施例中，數(shù)模轉(zhuǎn)換
器106根據(jù)前一個轉(zhuǎn)換周期產(chǎn)生的對應(yīng)通道1的1位數(shù)字信號和參考信號vref產(chǎn)
生反饋信號lll。比較器104產(chǎn)生1位數(shù)字信號并傳送給多路復(fù)用器108。由此， 多路復(fù)用器108中與通道1對應(yīng)的前一個1位數(shù)字信號由當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期產(chǎn)生的新 的1位數(shù)字信號替換。多路復(fù)用器108將當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期產(chǎn)生的1位數(shù)字信號傳送
給相應(yīng)的數(shù)字濾波器Fl。在系統(tǒng)時鐘信號sclk的下一個時鐘周期選取下一個輸入
通道，如通道2，對應(yīng)的濾波器接收相應(yīng)的l位數(shù)字信號。例如，依次選取通道l、 通道2、通道3和通道4，數(shù)字濾波器Fi、數(shù)字濾波器F2、數(shù)字濾波器F3和數(shù)字 濾波器F4依次接收與各通道相對應(yīng)的l位數(shù)字信號。數(shù)字濾波器(如Fi、 F2、 F3 和F4)累積相應(yīng)輸入通道的多個轉(zhuǎn)換周期的l位數(shù)字信號，并產(chǎn)生多位數(shù)字輸出 信號。
雖然圖1所示為多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100，本發(fā)明卻并不限于此。例如，調(diào)制 器IIO也可以應(yīng)用于單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
11多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100的操作參考圖2的時序圖進行描述。在一個實施例中， 圖2所示為多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100工作時的系統(tǒng)時鐘信號Sclk的波形，開關(guān)Su、
S2A、 S3A、 S4A、 SlB、 S2B、 SSB和S4B的狀態(tài)的波形，以及信號PH2和信號PHl的波形。
圖2僅用于說明，本發(fā)明并不限于此。在圖2所示的例子中，當(dāng)相應(yīng)的狀態(tài)波形
為高電位時，開關(guān)閉合，而當(dāng)相應(yīng)的狀態(tài)波形為低電位時開關(guān)斷開。
在圖2所示的例子中，系統(tǒng)時鐘信號SCLK的時鐘周期分為兩個階段，即當(dāng)系 統(tǒng)時鐘信號SCLK為低電位時的階段Sl和當(dāng)系統(tǒng)時鐘信號SCLK為高電位時的階段S2。 例如，每個時鐘周期，如Tl、 T2、 T3、 T4、 T5等包括階段Sl和階段S2。在每個時
鐘周期的階段Si中，信號PHi設(shè)為高電位，而信號PH2設(shè)為低電位。類似地，在 每個時鐘周期的階段S2中，信號PHi設(shè)為低電位，而信號PH2設(shè)為高電位。在一 個實施例中，由于信號Pm和信號PH2為非重疊時鐘信號，信號PHi和信號PH2的
脈沖寬度小于系統(tǒng)時鐘信號SCLK的脈沖寬度，從而避免重疊。
在一個實施例中，在時鐘周期Ti期間，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器IOO通電后首先選 取通道1。與通道1相關(guān)的開關(guān)SlA和SlB閉合，而與其它輸入通道(如通道2、 通道3和通道4)相關(guān)的開關(guān)斷開。在一個實施例中，經(jīng)過半個時鐘周期的延遲后，開關(guān)SiB閉合，如時鐘周期Tl期間開關(guān)SlA閉合、在時鐘周期Tl的階段S2和 時鐘周期T2的階段Si期間開關(guān)SlB閉合。在時鐘周期Tl的階段S2期間，根據(jù)信號
PH2的高電位，開關(guān)122和124閉合。同時，在時鐘周期Ti的階段S2期間，根據(jù) 信號PHi的低電位，開關(guān)126和128斷開。因此，通道l的模擬信號(如模擬電 壓信號Vi)經(jīng)由閉合的開關(guān)SiA、 124和122傳送給采樣電容120，并進行采樣。 通道1上與模擬信號Vi對應(yīng)的電荷存儲在采樣電容120上。
在時鐘周期T2的階段Si期間，根據(jù)信號PH2的低電位，開關(guān)122和124斷開， 而根據(jù)PHi的高電位，開關(guān)126和128閉合。因此，存儲在采樣電容120上的電 荷經(jīng)由閉合的開關(guān)126、 128和SiB傳送給積分電容Cii。
另外，數(shù)模轉(zhuǎn)換器106根據(jù)前一轉(zhuǎn)換周期中通道1的1位數(shù)字信號產(chǎn)生反饋 信號111并傳送給積分器150。時鐘周期T2的階段S2期間，信號PH2為高電位， 比較器104將積分器150的輸出與第二參考信號進行比較。比較器104產(chǎn)生通道 l的l位數(shù)字信號，該信號由多路復(fù)用器108鎖存。數(shù)字濾波器Fi接收該l位數(shù) 字信號。
時鐘周期T2期間選取通道2。通道2的操作順序類似于通道1的操作順序。根據(jù)時鐘周期T2的階段S2期間，信號PH2為高電位，開關(guān)S2A、 122和124閉合， 開關(guān)126和128斷開。通道2的模擬信號(如模擬電壓信號V2)傳送給采樣電容 120，并進行采樣。在時鐘周期T3的階段Si期間，根據(jù)信號PHi的高電位，開關(guān) 122和124斷開，而開關(guān)126和128閉合。由于時鐘周期T2的階段Si之后，開關(guān)
SlB斷開，時鐘周期T2的階段S2和時鐘周期T3的階段Sl期間，開關(guān)S2B閉合，存
儲在采樣電容120上的電荷在時鐘周期T3的階段Si期間傳送給積分電容Ci2。接 著，在時鐘周期T3的階段S2期間，比較器104開始工作、并產(chǎn)生通道2的1位數(shù) 字信號傳送給多路復(fù)用器108。數(shù)字濾波器F2接收該1位數(shù)字信號。
同樣，在時鐘周期T3期間選取通道3，并在時鐘周期T4的階段S2期間產(chǎn)生1 位數(shù)字信號。在時鐘周期T4期間選取通道4，并在時鐘周期T5的階段S2期間產(chǎn)生
1位數(shù)字信號。如果有多個輸入通道，在連續(xù)的時鐘周期期間可依次選取這些輸 入通道。由此，多個輸入通道的多個模擬信號可依次周期性地的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 例如，如果有四個輸入通道，至少需要四個時鐘周期(如Ti、T2、 T3和TO來完 成所有輸入通道的一個轉(zhuǎn)換周期。在每個轉(zhuǎn)換周期期間，數(shù)字濾波器(如Fi、 F2、 F3或F4)接收相關(guān)輸入通道(如通道1、通道2、通道3或通道4)的l位數(shù)字信 號。接著，下一個轉(zhuǎn)換周期從時鐘周期T5開始。同樣，依次選取每個輸入通道， 并依次對每個模擬信號進行采樣。因此，在多個轉(zhuǎn)換周期期間，每個數(shù)字濾波器 累積相關(guān)輸入通道的l位數(shù)字信號，對這些信號以預(yù)定速率，如耐奎斯特頻率Fs， 進行抽取、并產(chǎn)生多位數(shù)字輸出信號。
假設(shè)在一個實施例中，過采樣比為0SR， 一個轉(zhuǎn)換周期所用的時間為N*0SR 個時鐘，其中N表示輸入通道的總數(shù)目。有利的是，在一個實施例中，在一個轉(zhuǎn) 換周期內(nèi)，依次對各個輸入通道的模擬信號進行采樣、并轉(zhuǎn)換成l位數(shù)字信號。 由此，可同步在多個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)獲取多輸入通道的多位數(shù)字輸出信號。在一個實 施例中，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100的效率得到改善、其能耗降低。
另外，為了加速轉(zhuǎn)換，可通過增加具有輔助控制時鐘信號(如pm和ra2)的
另一開關(guān)陣列(如類似于開關(guān)122、 124、 126和128)和采樣電容(如類似于采 樣電容120)來采用雙重采樣技術(shù)。在這種結(jié)構(gòu)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可增 加一倍，而并不增大靜態(tài)能量損耗。其它采樣技術(shù)，如三重采樣技術(shù)也可用來加 速模數(shù)轉(zhuǎn)換器100的轉(zhuǎn)換。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法流程圖300。圖3結(jié)合圖1進行描述。在系統(tǒng) 時鐘信號S(M的一個時鐘周期內(nèi)，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100選取一個輸入通道(如 通道l、通道2、通道3或通道4)來接收模擬信號。在步驟310中，在上述時鐘 周期內(nèi)，開關(guān)陣列控制采樣電路130對所選取的輸入通道的模擬信號進行采樣。
在步驟320中，在相關(guān)開關(guān)(如SlB、 S2B、 S3B或S4B)的控制下，采樣電容120上 的電荷傳送給對應(yīng)的積分電容(如Cil、 Ci2、 Ci3或Ci4)。積分器150對采樣的模
擬信號和反饋信號之和進行積分。積分器150根據(jù)相應(yīng)積分電容上先前存儲的電 荷以及采樣的模擬信號和反饋信號的積分結(jié)果產(chǎn)生積分輸出。在轉(zhuǎn)換周期開始之 前，積分電容可任意分配給輸入通道。有利地是，輸入通道和積分電容的自由分 配可減少由積分電容的不匹配引起的不同通道之間的不匹配。
在步驟330中，比較器(如比較器104)根據(jù)模擬信號和反饋信號之和的積 分結(jié)果產(chǎn)生l位數(shù)字信號。更具體地說，比較器104將積分輸出與參考信號(如 電壓值零)進行比較，產(chǎn)生1位數(shù)字信號，并將其傳送給多路復(fù)用器108。在步 驟340中，多路復(fù)用器108輸出1位數(shù)字信號并傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器106和相應(yīng)的 數(shù)字濾波器(如Fi、 F2、 F3或FO。因此，反饋信號lll可表示l位數(shù)字信號。在 步驟350中，相應(yīng)的數(shù)字濾波器根據(jù)l位數(shù)字信號產(chǎn)生多位數(shù)字輸出信號。更具 體地說，相應(yīng)的數(shù)字濾波器累積相應(yīng)輸入通道的數(shù)個轉(zhuǎn)換周期期間的l位數(shù)字信 號，并產(chǎn)生該多位數(shù)字輸出信號。
有利地是，在步驟310中，依次選取多個輸入通道，并對其相應(yīng)的模擬信號 進行采樣。同樣，其它輸入通道的模擬信號依次經(jīng)由步驟310至340轉(zhuǎn)換成數(shù)字 輸出信號。有利地是，可避免因同步采樣而在多輸入通道中使用傳統(tǒng)采樣/保持模 塊，從而可降低電路的成本。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電子系統(tǒng)400。在一個實施例中，電 子系統(tǒng)400采用上述的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100具有多個 輸入通道，如通道l、通道2、通道3、、通道N，以分別接收多個裝置，如裝 置402、 404、 406、…、408，的模擬信號，并將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信 號，如輸出1、輸出2、輸出3、…、輸出N。各個接收器，如接收器422、 424、 426、…、428接收數(shù)字輸出信號。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器IOO包括將模擬信號轉(zhuǎn)換成 1位數(shù)字信號的調(diào)制器，如調(diào)制器110和根據(jù)1位數(shù)字信號產(chǎn)生多位數(shù)字輸出信 號的多個數(shù)字濾波器，如Fi、 F2、 F3和F4。多個裝置，如裝置402、 404、 406、…、408，可以是產(chǎn)生模擬信號的各種類型的裝置，如音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等。接收器， 如接收器422、 424、 426、、 428，可以是接收數(shù)字信號的各種裝置。例如，多 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器IOO可將表示電池電壓的模擬電壓監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。電 池管理系統(tǒng)可接收數(shù)字信號，并控制電池。
因此，在一個實施例中，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如多通 道模數(shù)轉(zhuǎn)換器)IOO包括多個輸入通道(如通道l、通道2、通道3、通道4等)， 與多個輸入通道相連的采樣電路130，與采樣電路130相連的積分器150和與積 分器150相連的反饋電路。多個輸入通道在其相應(yīng)開關(guān)閉合時接收模擬信號。采 樣電路130包括對所選取輸入通道的模擬信號進行采樣的能量存儲單元120和控 制能量存儲單元120的開關(guān)陣列。積分器150包括多個相并聯(lián)的電容(如積分電 容)和與采樣電路130相連的誤差放大器102。這些積分電容分別與相應(yīng)的開關(guān) 串連。當(dāng)相應(yīng)的開關(guān)閉合時，其中一個積分電容存儲采樣電容120上的電荷。
反饋電路包括與積分器150相連的比較器104，與比較器104相連的多路復(fù) 用器108，和與采樣電路130相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換器106。比較器104將積分器150 的輸出與參考信號(如零伏電壓)進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生比較器輸出信 號。多路復(fù)用器108根據(jù)比較器輸出信號提供數(shù)字信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器106根據(jù)數(shù) 字信號產(chǎn)生反饋信號111。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器110還包括提供多位數(shù)字輸出信號 的輸出通道。
有利地是，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器100以同步和交叉模式對多個輸入通道進行模 數(shù)轉(zhuǎn)換。在一個實施例中，無需多個采樣/保持模塊或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多個輸入 通道的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。因此，可降低電路的成本并提高電路效率。另外，也 可以減少/避免多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的不匹配。
當(dāng)積分器150只包括一個積分電容及與其串聯(lián)的開關(guān)、且圖1只包括一個輸 入通道和一個數(shù)字濾波器時，上述的實施例也可應(yīng)用在單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。
上文具體實施方式
和附圖僅為本發(fā)明之常用實施例。顯然，在不脫離后附權(quán)
利要求書所界定的本發(fā)明精神和保護范圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體的環(huán)境和工作要求在 不背離發(fā)明準(zhǔn)則的前提下在形式、結(jié)構(gòu)、布局、比例、材料、元素、組件及其它 方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用于說明而非限制，本發(fā)明之范圍由 后附權(quán)利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
權(quán)利要求
1. 一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括接收所述模擬信號的輸入通道；與所述輸入通道相連的采樣電路，所述采樣電路對所述模擬信號進行采樣并提供采樣的模擬信號；與所述采樣電路相連的積分器，所述積分器接收所述采樣的模擬信號和反饋信號，并對兩者之和進行積分；以及與所述積分器相連的反饋電路，所述反饋電路根據(jù)所述積分器的輸出產(chǎn)生所述數(shù)字信號，并將表示所述數(shù)字信號的所述反饋信號傳送給所述積分器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述輸入通道與開關(guān)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述采樣電路包括與所述輸 入通道相連的能量存儲單元和與所述能量存儲單元相連的開關(guān)陣列，所述能量存 儲單元存儲來自所述輸入通道的電荷，所述開關(guān)陣列控制所述能量存儲單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述積分器包括與開關(guān)串聯(lián) 的積分電容，當(dāng)所述開關(guān)閉合時，所述積分電容存儲來自所述能量存儲單元的電 荷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述積分器包括與所述采樣 電路相連的誤差放大器，所述誤差放大器將參考信號與所述反饋信號和所述采樣 模擬信號之和進行比較，并產(chǎn)生誤差信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述積 分器相連的比較器，所述比較器將所述積分器的輸出與參考信號進行比較，并根 據(jù)所述比較產(chǎn)生比較器輸出信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述比較器相連的多路復(fù)用器，所述多路復(fù)用器根據(jù)所述比較器輸出信號產(chǎn)生所述數(shù)字 信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述積 分器相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所述反饋信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括與所述反饋電路相連的濾波器，所述濾波器對所述數(shù)字信號進行抽取。
10. —種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括 采樣電路對模擬信號進行采樣，并產(chǎn)生采樣的模擬信號； 對所述采樣模擬信號和反饋信號之和進行積分；根據(jù)所述模擬信號和反饋信號之和的積分結(jié)果產(chǎn)生第一數(shù)字信號；以及 根據(jù)所述第一數(shù)字信號產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，還包括 輸入通道接收所述模擬信號。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述積分步驟包括-將參考信號與所述反饋信號和所述采樣的模擬信號之和進行比較；以及 根據(jù)所述參考信號和所述之和的差值產(chǎn)生誤差信號。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述積分步驟包括 將所述采樣電路的電荷傳送給積分電容。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述產(chǎn)生第一數(shù)字信號 的步驟包括根據(jù)所述積分電容以前存儲的電荷和所述積分結(jié)果產(chǎn)生積分器輸出； 將所述積分器輸出與參考信號進行比較；以及 根據(jù)所述比較產(chǎn)生所述第一數(shù)字信號。
15. —種將多個模擬信號轉(zhuǎn)換成多個數(shù)字輸出信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括接收所述多個模擬信號的多個輸入通道；與所述多個輸入通道相連的采樣電路，所述采樣電路對從所述多個輸入通道 中所選取的輸入通道的相應(yīng)模擬信號進行采樣，并產(chǎn)生采樣的模擬信號；與所述采樣電路相連的積分器，所述積分器接收所述采樣的模擬信號和反饋 信號，并對所述采樣的模擬信號和所述反饋信號之和進行積分；與所述積分器相連的反饋電路，所述反饋電路根據(jù)所述積分器的輸出產(chǎn)生數(shù) 字信號，并將表示所述數(shù)字信號的所述反饋信號傳送給所述積分器；以及與所述反饋電路相連的多個輸出通道，所述多個輸出通道產(chǎn)生所述多個數(shù)字 輸出信號。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述多個輸入通道與多個 開關(guān)相連。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述采樣電路包括與所述 多個輸入通道相連的能量存儲單元和與所述能量存儲單元相連的開關(guān)陣列，所述 能量存儲單元存儲來自所述選取的輸入通道的電荷，所述開關(guān)陣列控制所述能量 存儲單元。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述積分器包括相并聯(lián)的 多個電容，所述多個電容與多個開關(guān)相連，當(dāng)所述多個開關(guān)中的一個開關(guān)閉合時， 所述多個電容中相應(yīng)的一個電容存儲來自所述能量存儲單元的電荷。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述積分器相連的比較器，所述反饋電路將所述積分器的輸出與參考信號進行比較， 并根據(jù)所述比較產(chǎn)生比較器輸出信號。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述 比較器相連的多路復(fù)用器，所述多路復(fù)用器根據(jù)所述比較器輸出信號產(chǎn)生所述數(shù) 字信號。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋電路包括與所述 積分器相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所述反饋信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括多個輸入通道，與多個輸入通道相連的采樣電路，與采樣電路相連的積分器，與積分器相連的反饋電路。輸入通道接收模擬信號。采樣電路對模擬信號進行采樣。積分器接收采樣的模擬信號和反饋信號，并對兩者之和進行積分。反饋電路根據(jù)積分器的輸出產(chǎn)生數(shù)字信號，并將表示數(shù)字信號的反饋信號傳送給積分器。本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換器無需多個采樣/保持模塊或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多個輸入通道的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。因此，可降低電路的成本，提高電路效率。
文檔編號H03M1/34GK101505152SQ20091000515
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月6日
發(fā)明者栗國星 申請人:凹凸電子(武漢)有限公司