輸入電壓偏置諧振振蕩器的dc電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括諧振器，所述諧振器包括可操作用以接收模擬輸入信號的輸入和可操作用以輸出振蕩信號的輸出。DC偏移檢測器檢測在所述振蕩信號中由所述模擬輸入信號導致的DC偏移，其中所述DC偏移被轉(zhuǎn)換為表示所述模擬輸入信號的數(shù)字輸出信號。
【專利說明】輸入電壓偏置諧振振蕩器的DC電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【背景技術】
[0002]模數(shù)轉(zhuǎn)換器(即模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，ADC)在包括消費設備和工業(yè)設備的電子設備中是很普及的。將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值使數(shù)字處理能夠?qū)崿F(xiàn)任意所期望的結(jié)果，例如將由傳感器產(chǎn)生的模擬電壓轉(zhuǎn)換為能被處理以檢測任意特定條件的數(shù)字值。例如，磁盤驅(qū)動器可使用一個或更多個用于檢測振動的傳感器，所述振動可不利影響在讀/寫操作過程中負責維保持磁頭在數(shù)據(jù)磁道上方的伺服控制系統(tǒng)。期望數(shù)字化處理這些振動信號以提供前饋補償給所述伺服控制系統(tǒng)，從而實時補償所述振動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括由模擬輸入信號偏置的諧振振蕩器以及DC (直流)檢測器，DC檢測器可操作用以將在振蕩信號中的DC偏移轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號。
[0004]圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的細節(jié)。
[0005]圖3是說明根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的操作的時序圖。
[0006]圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的一個實施例。
[0007]圖5A根據(jù)本發(fā)明實施例示出用于產(chǎn)生快速時鐘的環(huán)形振蕩器，所述快速時鐘應用于DC檢測器。
[0008]圖5B示出根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的一個實施例。
[0009]圖6示出根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的一個實施例。
[0010]圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的DC檢測器的一個實施例。
[0011]圖8A-D示出用于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率的本發(fā)明實施例。
【具體實施方式】
[0012]圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括諧振振蕩器1，該諧振振蕩器I包括可操作用于接收模擬輸入信號3的輸入和可操作用于輸出振蕩信號5的輸出。DC偏移檢測器7可操作用于檢測由模擬輸入信號3導致的在振蕩信號5中的DC偏移，其中所述DC偏移被轉(zhuǎn)換為表示模擬輸入信號3的數(shù)字輸出信號9。
[0013]在圖1示出的所述實施例中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括合適的反相放大器11，其耦合到諧振振蕩器I，這樣所述諧振振蕩器在諧振頻率振蕩。任意合適的諧振振蕩器I可被用于本發(fā)明的實施例中，例如晶體或陶瓷諧振器或硅振蕩器。在一個實施例中，模擬輸入信號3偏置諧振振蕩器I，這導致在振蕩信號5中的DC偏移。DC偏移檢測器7可操作用于將在振蕩信號5中的DC偏移轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號9。
[0014]模擬輸入信號3可由任意合適的源產(chǎn)生，并且在圖2所示的一個實施例中，模擬輸入信號3由合適的傳感器產(chǎn)生，例如在磁盤驅(qū)動器中的合適的加速度計，其將物理振動轉(zhuǎn)換為模擬振動信號。圖2的實施例也示出DC檢測器7的實施例，用于將在振蕩信號5中的DC偏移轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號9。占空比校正器13處理振蕩信號5和在明顯高于振蕩信號5的振蕩頻率振蕩的快速時鐘15，以檢測時間差(Λ ) dtl7，其表示振蕩信號5高于和低于閾值的時間差。所述時間差dtl7在振蕩信號5的N個周期累加19來產(chǎn)生累加的時間差23，所述振蕩信號5的N個周期由周期計數(shù)器21計數(shù)。偏置控件25處理累加的時間差23以產(chǎn)生偏置信號27，其驅(qū)動在振蕩信號5中的DC偏移趨于O。所述累加的時間差23被按比例調(diào)節(jié)29以產(chǎn)生表示所述模擬輸入信號3的數(shù)字輸出信號9。所以在這個實施例中，DC檢測器7工作為閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其嘗試通過用控制信號驅(qū)動偏置控件25以將在振蕩信號5中的所述DC偏移保持在O，所述控制信號是模擬輸入信號3的數(shù)字表示。
[0015]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例說明DC偏移檢測器7的操作的時序圖。DC偏移檢測器7包括比較器，其將振蕩信號Fn’ 5的正弦波分割為正的(高于閾值)和負的(低于閾值)分量。計數(shù)器隨后測量正半周期(Tl)和負半周期(T2)。當在振蕩信號Fn’ 5中有DC偏移時，這兩個計時將不相等。兩個半波形之間的總的計時差(T2-T1)被存儲為dt。所以圖3中所示的方波31的輸出正邊沿超前dt/2，而負邊沿延遲dt/2。結(jié)果是具有基本百分之無五十的占空比的波形。圖3中所示的頂部正弦波的示出DC偏移是負的和dt/2因此是正的情況，圖3中所示的底部正弦波示出DC偏移是正的和dt/2因此是負的情況。
[0016]圖4示出DC偏移檢測器7的一個實施例，其中D類寄存器22由快速時鐘Fcl5提供時鐘，并且D類寄存器22的閾值對應于圖3中的Vfs，并建立在振蕩信號Fn’ 5中的偏移。當振蕩信號Fn’ 5上升到高于所述閾值時，Pedge信號26是有效的，其將升計數(shù)器(upcounter) 28的輸出加載到寄存器30，將加法器32的輸出加載到寄存器34，并將加法器38的輸出載入降計數(shù)器(down counter)36。Pedge信號26也清空升計數(shù)器28。當振蕩信號Fn’ 5下降到到低于D類寄存器22的閾值時，Nedge信號40是有效的，其將升計數(shù)器28的輸出加載到寄存器42，并用加法器46的輸出加載降計數(shù)器44。所以，寄存器30會在振蕩信號Fn’ 5的一個完整周期之后存儲T，而且寄存器42會存儲Tl。加法器32的輸出將會是(T-T1=T2)，其存儲在寄存器34中。加法器48的輸出將會是(T2_Tl=dt)，其除以2以產(chǎn)生dt/2。加法器46的輸出將會是(T2-dt/2)，并且加法器38的輸出將為(Tl+dt/2)。所以，降計數(shù)器36將計數(shù)圖3中所示方波31的開時間(on-time)，并且降計數(shù)器44將通過SR型寄存器52計數(shù)圖3中所示方波31的關時間(off-time)。在補償振蕩信號Fn’ 5中的DC偏移之后，所得到的方波31將會具有基本百分之五十的占空比。
[0017]圖5A示出本發(fā)明的一個實施例，其中應用到DC偏移檢測器7的快速時鐘Fcl5是使用環(huán)形振蕩器54產(chǎn)生的。圖5B示出DC偏移檢測器7的可替代實施例，其實施和圖4中所示實施例相同的計算。在該實施例中，Pedge信號26將升計數(shù)器56的輸出(即T)加載到寄存器58，并用已除以2的寄存器62的輸出(即dt/2)加載升計數(shù)器60。Pedge信號26在振蕩信號Fn’ 5的每個周期之后也清空升計數(shù)器56和升/降計數(shù)器64。升/降計數(shù)器64的計數(shù)方向由振蕩信號Fn’ 5的極性控制，這樣，升/降計數(shù)器64在振蕩信號Fn’ 5的一個周期之后的輸出等于加載到寄存器62中的dt。比較器66將寄存器58的輸出(即T)與升計數(shù)器60的輸出比較。當時間等于T-dt/2時，SR型寄存器68被設為高以計時方波31的開時間。比較器將已除以2的寄存器58的輸出(T/2)與升計數(shù)器60的輸出比較。當時間等于T-T/2時，SR型寄存器68被設為低以計時方波31的關時間。
[0018]圖6示出DC偏移檢測器7的一個實施例，其中在振蕩信號Fn’ 5的每N個周期之后，累加器19的輸出被存儲在寄存器71中。存儲在寄存器71中的值隨后被轉(zhuǎn)換73為驅(qū)動偏置控件25的合適的脈寬調(diào)制(PWM)信號或二進制速率倍增(BRM)信號75。
[0019]圖7示出偏置控件25的一個實施例，其中PWM/BRM信號75控制耦合到電流吸收器(current sink)77的電流源79的開/關時間。最終結(jié)果就是提供平均量的偏置電流81到結(jié)點83，其消除模擬輸入信號3的偏置電流。在一個實施例中，由偏置控件25 (例如圖7的電流吸收器/電流源實施例)產(chǎn)生的偏置信號27對諧振振蕩器I的輸入阻抗基本無影響。以這個方式，偏置信號27對諧振振蕩器I的操作特性影響最小。在圖7的實施例中，在啟動操作過程中，START信號85使DC偏置檢測器7關斷(通過關斷電流吸收器77和電流源79)，直到諧振振蕩器I開始正常振蕩。
[0020]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率由快速時鐘15的頻率和振蕩信號Fn’ 5的頻率決定，快速時鐘15用于計數(shù)振蕩信號Fn’ 5高于和低于所述閾值的時間間隔。這在圖8A中被示出，其中振蕩信號Fn’ 5的正和負的時間間隔由快速時鐘15相對與閾值計時(表示為刻度標記)。在示出的示例中，正的間隔包括快速時鐘15的三個周期(三個刻度標記)，并且負的間隔包括快速時鐘15的五個周期(五個刻度標記)。這種關系會保持，直到在所述振蕩信號5中的DC偏移被相對大的步長改變，從而導致模擬輸入信號3的相對低的轉(zhuǎn)換分辨率。
[0021]在一個實施例中，如果模擬輸入信號3包括足量的噪聲，則圖8A中所示的低轉(zhuǎn)換分辨率被改善。這正在圖8B中被說明，其中在模擬輸入信號3中的噪聲導致振蕩信號Fn’ 5中的對應抖動。在振蕩信號Fn’ 5中的抖動通過在振蕩信號Fn’ 5的多個周期上平均正/負間隔會增加有效轉(zhuǎn)換分辨率。也就是說，振蕩信號Fn’ 5中的抖動會導致振蕩信號Fn’ 5的不同周期的不同正/負間隔測量，并且在N個周期上的平均會提供比圖8A高的分辨率。轉(zhuǎn)換分辨率隨N的增加而增加，但是N的最大值被模擬輸入信號3的頻率限制。從而，在一個實施例中，基于模擬輸入信號3的最大頻率來選擇用于平均正/負間隔的諧振振蕩器I的頻率、快速時鐘15的頻率、周期N的個數(shù)以實現(xiàn)所需的性能。
[0022]圖SC示出當模擬輸入信號3中的噪聲不足以提供所需的抖動效果時(或需要較低的η值時)，用于增加轉(zhuǎn)換分辨率的實施例。在該實施例中，通過為快速時鐘15選擇一個頻率，快速時鐘15被微調(diào)，所選擇的頻率是振蕩信號Fn’ 5的非整數(shù)倍。例如，在圖8A的實施例中，振蕩信號Fn’5的每個周期跨越快速時鐘15的8個周期，其中正/負間隔通過振蕩信號Fn’5的12個周期(N=12)或快速時鐘15的8X 12=96個周期計時。在將快速時鐘15微調(diào)后，在圖8C示出的實施例中，具有快速時鐘15的(8X12)+1=97個周期。在另一個實施例中，可具有快速時鐘15的(8X 12)-1=95個周期。在上述兩個實施例的任一個中，將快速時鐘15微調(diào)具有與圖SB中所示噪聲使振蕩信號Fn’ 5抖動相似的效果，從而增加轉(zhuǎn)換分辨率。
[0023]圖8D示出用于增加轉(zhuǎn)換分辨率的可替代實施例，其可被用于代替圖SC中示出的實施例或作為圖8C示出的實施例的附加。在圖8D的實施例中，例如，通過使圖4中示出的D類寄存器22的閾值抖動，用于計時所述正/負間隔的閾值被抖動。和將快速時鐘15微調(diào)相似并且與圖8B中示出的噪聲使振蕩信號Fn’ 5抖動相似，通過在振蕩信號Fn’ 5的N個周期上平均，如圖8D中示出的，使所述閾值抖動增加了轉(zhuǎn)換分辨率。[0024]任意合適的計時電路可被使用以如圖8C中所示將快速時鐘15微調(diào)，或如圖8D中所示使所述閾值抖動。在一個實施例中，快速時鐘15的頻率和/或閾值抖動的頻率可通過數(shù)學推導理論上確定或在校準過程中通過經(jīng)驗確定。類似的，為N選擇的值可通過數(shù)學推導理論地確定或在校準過程中通過經(jīng)驗確定。例如，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器被用于磁盤驅(qū)動器的實施例中，磁盤驅(qū)動器的控制電路可執(zhí)行校準過程以基于所需的分辨率和轉(zhuǎn)換率速率(采樣率)校準影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的各種參數(shù)。
【權利要求】
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其包括: 諧振振蕩器，其包括可操作用于接收模擬輸入信號的輸入和可操作用于輸出振蕩信號的輸出，以及 DC偏移檢測器，其可操作用于檢測由所述模擬輸入信號導致的在所述振蕩信號中的DC偏移，其中所述DC偏移被轉(zhuǎn)換為表示所述模擬輸入信號的數(shù)字輸出信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述諧振振蕩器包括陶瓷諧振器。
3.根據(jù)權利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述諧振振蕩器包括晶體。
4.根據(jù)權利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述諧振振蕩器包括硅振蕩器。
5.根據(jù)權利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述DC偏移檢測器可操作用于: 測量所述振蕩信號高于一個閾值的第一時間； 測量所述振蕩信號低于所述閾值的第二時間；以及 基于所述第一時間和所述第二時間之間的時間差來檢測所述DC偏移。
6.根據(jù)權利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述DC偏移檢測器進一步可操作用于: 經(jīng)所述振蕩信號的多個周期累加多個所述時間差；以及 基于所累加的時間差檢測所述DC偏移。
7.根據(jù)權利要求6所·述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中: 所述DC偏移檢測器進一步可操作用于響應于所累加的時間差產(chǎn)生偏置信號；以及 所述偏置信號可操作用于驅(qū)動在所述振蕩信號中的所述DC偏移趨于O。
8.根據(jù)權利要求7所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述偏置信號對所述諧振振蕩器的輸入阻抗基本無影響。
9.根據(jù)權利要求8所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述DC偏移檢測器包括可操作以產(chǎn)生所述偏置信號的電流源和電流吸收器。
10.根據(jù)權利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述DC偏移檢測器進一步可操作用于微調(diào)用于產(chǎn)生所述第一和第二時間的時鐘信號以增加所述模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率。
11.根據(jù)權利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述DC偏移檢測器進一步可操作用于使所述閾值抖動以增加所述模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率。
12.—種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法，所述方法包括: 偏置具有所述模擬輸入信號的諧振振蕩器以產(chǎn)生振蕩信號； 檢測在所述振蕩信號中的由所述模擬輸入信號引起的DC偏移；以及 將所述DC偏移轉(zhuǎn)換為表示所述模擬信號的所述數(shù)字信號。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述諧振振蕩器包括陶瓷諧振器。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述諧振振蕩器包括晶體。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述諧振振蕩器包括硅振蕩器。
16.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中檢測所述DC偏移包括: 測量所述振蕩信號高于一個閾值的第一時間； 測量所述振蕩信號低于所述閾值的第二時間；以及 基于所述第一時間和所述第二時間之間的時間差來檢測所述DC偏移。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中檢測所述DC偏移進一步包括: 經(jīng)所述振蕩信號的多個周期累加多個所述時間差；以及基于所累加的時間差檢測所述DC偏移。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中: 響應于所累加的時間差產(chǎn)生偏置信號；以及 響應于所述偏置信號，驅(qū)動在所述振蕩信號中的所述DC偏移趨于O。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述偏置信號對所述諧振振蕩器的輸入阻抗基本無影響。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括使用電流源和電流吸收器產(chǎn)生所述偏置信號。
21.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中檢測所述DC偏移進一步包括微調(diào)用于產(chǎn)生所述第一和第二時間的時鐘信號以增加所述模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率。
22.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中檢測所述DC偏移進一步包括使所述閾值抖動以增加所述模數(shù) 轉(zhuǎn)換的分辨率。
【文檔編號】H03L7/18GK103825613SQ201310585218
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2012年11月19日
【發(fā)明者】G·J·班尼特 申請人:西部數(shù)據(jù)技術公司