逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，具體涉及一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogDigitalConverter，ADC)是一種將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號的電子元件，廣泛用于各種MEMS傳感器信號處理電路中。電荷再分配型的逐次逼 近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SuccessiveApproximationADC，SARADC)具有低功耗、小尺寸、結(jié)構(gòu)簡 單等特點，適于對采樣速率要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 但是由于電容失配的影響，電荷再分配型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度受到限 制，在不采用校準(zhǔn)的情況下精度只能達到10~12比特，而且所需的電容面積很大，因為電 容越小則失配越嚴(yán)重，從而做出的轉(zhuǎn)換器精度也越差。大的電容面積不僅導(dǎo)致制造成本增 加，而且嚴(yán)重降低轉(zhuǎn)換速度?，F(xiàn)有校準(zhǔn)技術(shù)在校準(zhǔn)過程中需要一個不斷變化的模擬輸入信 號Vin，且對輸入信號Vin的幅度有一定要求，振幅太小或者太大都會導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗，最終 導(dǎo)致SARADC不能正常工作。而在一般情況下，整個系統(tǒng)剛剛上電后，Vin是不確定的，其 幅度是無法預(yù)料的，必須等整個系統(tǒng)能提供一個穩(wěn)定的Vin幅度后才能開始ADC的校準(zhǔn)，這 不僅會增加系統(tǒng)復(fù)雜度、浪費時間、而且會增加系統(tǒng)風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在系統(tǒng)上電后馬上就可以開 始校準(zhǔn)，節(jié)省了時間，而且校準(zhǔn)過程不需要系統(tǒng)中其它模塊的參與，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和風(fēng) 險。
[0005] 第一方面，提供一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：
[0006] 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源，用于在校準(zhǔn)模式輸出校準(zhǔn)信號，所述校準(zhǔn)信號為表征N位二進制數(shù) 的數(shù)字信號；
[0007] N位精度的開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，用于在校準(zhǔn)模式輸出表征所述二進制數(shù)與逐 次逼近信號差值的模擬信號，并在所述模擬信號中加入擾動信號；
[0008] 比較器，用于比較加入擾動信號的模擬信號與共模電平輸出比較結(jié)果；
[0009] 控制電路，用于根據(jù)所述比較結(jié)果調(diào)整所述逐次逼近信號，并在比較結(jié)果符合預(yù) 定條件時輸出當(dāng)前逐次逼近信號作為原始數(shù)字信號；
[0010] 校準(zhǔn)模塊，用于在校準(zhǔn)模式下以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值直至校準(zhǔn)誤差小于預(yù)定閾 值，所述校準(zhǔn)誤差根據(jù)對應(yīng)于不同的擾動信號的所述原始數(shù)字信號、當(dāng)前輸出權(quán)值以及擾 動f目號獲得。
[0011] 優(yōu)選地，所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源為計數(shù)器。
[0012] 優(yōu)選地，所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源為偽隨機數(shù)發(fā)生器。
[0013] 優(yōu)選地，所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源為存儲器。
[0014] 優(yōu)選地，所述N位二進制數(shù)為14位二進制數(shù)，所述14位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制后 大于0小于16383。
[0015] 優(yōu)選地，所述14位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制后大于1638小于14745。
[0016] 優(yōu)選地，所述N位精度的開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路包括：
[0017] N個電容，具有第一端和第二端，所述第一端連接到所述開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的 輸出端；
[0018] N個開關(guān)，與所述電容--對應(yīng)設(shè)置，每個所述開關(guān)與對應(yīng)的電容的第二端連接， 使得電容的第二端在第一電平、第二電平和輸入電平之間切換；
[0019] 擾動電容，具有第一端和第二端，所述第一端連接到所述開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 的輸出端；
[0020] 擾動開關(guān)，與所述擾動電容的第二端連接，使得擾動電容的第二端在第一電平、第 二電平和共模電平之間切換；
[0021] 采樣開關(guān)，連接在所述輸出端和共模電平之間。
[0022] 優(yōu)選地，在校準(zhǔn)模式采樣階段，當(dāng)所述校準(zhǔn)信號的第i位為1時，第i選擇開關(guān)連 接至所述第一電平，當(dāng)所述校準(zhǔn)信號的第i位為〇時，第i選擇開關(guān)連接至所述第二電平， 其中，1 <i<N;所述采樣開關(guān)閉合。
[0023] 優(yōu)選地，在校準(zhǔn)模式的逐步逼近階段，所述采樣開關(guān)斷開，所述第一至第N開關(guān)根 據(jù)所述逐步逼近信號的控制閉合或斷開。
[0024]優(yōu)選地，第一電容的大小為cQ，第i電容的大小為l.se^c。，其中1彡i彡N，第N+1電容的大小為Q，擾動電容的大小為50C。。
[0025] 優(yōu)選地，所述校準(zhǔn)模塊還用于在工作模式將所述原始數(shù)字信號加權(quán)后輸出。
[0026] 優(yōu)選地，所述校準(zhǔn)模塊包括：
[0027] 第一寄存器，用于寄存加入第一擾動信號的模擬信號對應(yīng)的第一原始數(shù)字信號；
[0028] 第二寄存器，用于寄存加入第二擾動信號的模擬信號對應(yīng)的第二原始數(shù)字信號；
[0029] 第一輸出開關(guān)，連接在所述控制電路和所述第一寄存器之間，在所述N位精度的 開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路加入第一擾動信號時閉合，加入第二擾動信號時斷開；
[0030] 第二輸出開關(guān)，連接在控制電路和所述第二寄存器之間，在所述N位精度的開關(guān) 電容數(shù)模轉(zhuǎn)換電路加入第一擾動信號時斷開，加入第二擾動信號時閉合；
[0031] 第一乘法器，用于根據(jù)當(dāng)前輸出權(quán)值對所述第一原始數(shù)字信號加權(quán)輸出第一輸出 信號；
[0032] 第二乘法器，用于根據(jù)當(dāng)前輸出權(quán)值對所述第二原始數(shù)字信號加權(quán)輸出第二輸出 信號；
[0033] 加法器，用于根據(jù)第一輸出信號、第二輸出信號和當(dāng)前擾動信號計算校準(zhǔn)誤差；
[0034] 輸出權(quán)值迭代模塊，用于根據(jù)所述校準(zhǔn)誤差以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值直至所述校 準(zhǔn)誤差小于預(yù)定閾值；
[0035] 第三寄存器，用于寄存所述當(dāng)前輸出權(quán)值。
[0036] 優(yōu)選地，所述第一擾動信號和第二擾動信號幅值相同，極性相反；
[0037] 所述加法器根據(jù)如下公式計算所述校準(zhǔn)誤差：
[0038] error = d+-d_-2 A [n]
[0039] 其中，error為校準(zhǔn)誤差，d+為所述第一輸出信號，d_為所述第二輸出信號，A[n] 為當(dāng)前擾動信號幅值。
[0040] 優(yōu)選地，所述輸出權(quán)值迭代模塊根據(jù)如下公式以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值：
[0041] A [n+1] = A [nj + y A ? error
[0042] w[i] [n+1] = w[i] [n]-tiw ? error ? (Dr+[i] [n]-Dr_[i] [n])
[0043] 其中，A [n+1]為第n+1次迭代中的擾動信號幅值，w[i] [n]為當(dāng)前輸出權(quán)值的第 i位，w[i] [n+1]為第n+1次迭代中的輸出權(quán)值的第i位，y ^為擾動信號調(diào)整步長，y ~為 權(quán)值調(diào)整步長，Dr+[i] [n]為當(dāng)前第一原始數(shù)字信號的第i位，Dr_[i] [n]為當(dāng)前第二原始 數(shù)字信號的第i位。
[0044] 第二方面，提供一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)方法，包括：
[0045] 產(chǎn)生校準(zhǔn)信號，所述校準(zhǔn)信號為表征N位二進制數(shù)的數(shù)字信號；
[0046] 輸出表征所述二進制數(shù)與逐次逼近信號差值的模擬信號，并在所述模擬信號中加 入擾動信號；
[0047] 比較加入擾動信號的模擬信號與共模電平輸出比較結(jié)果；
[0048] 根據(jù)所述比較結(jié)果調(diào)整所述逐次逼近信號直至所述比較結(jié)果符合預(yù)定條件；
[0049] 輸出當(dāng)前逐次逼近信號作為原始數(shù)字信號；
[0050] 以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值直至校準(zhǔn)誤差小于預(yù)定閾值，所述校準(zhǔn)誤差根據(jù)對應(yīng)于 不同的擾動信號的所述原始數(shù)字信號和當(dāng)前輸出權(quán)值獲得。
[0051] 優(yōu)選地，所述N位二進制數(shù)為14位二進制數(shù)，所述14位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制后 大于0小于16383。
[0052] 優(yōu)選地，所述14位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制后大于1638小于14745。
[0053] 優(yōu)選地，所述在校準(zhǔn)模式下以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值直至校準(zhǔn)誤差小于預(yù)定閾值 包括：
[0054] 獲取加入第一擾動信號的模擬信號對應(yīng)的第一原始數(shù)字信號；
[0055] 獲取加入第二擾動信號的模擬信號對應(yīng)的第二原始數(shù)字信號；
[0056] 根據(jù)當(dāng)前輸出權(quán)值對所述第一原始數(shù)字信號和第二原始數(shù)字信號加權(quán)分別輸出 第一輸出信號和第二輸出信號；
[0057] 根據(jù)第一輸出信號、第二輸出信號和當(dāng)前擾動信號計算校準(zhǔn)誤差；
[0058] 根據(jù)所述校準(zhǔn)誤差以迭代方式調(diào)整輸出權(quán)值直至所述校準(zhǔn)誤差小于預(yù)定閾值。
[0059] 優(yōu)選地，第一擾動信號和第二擾動信號幅值相同，極性相反；
[0060] 根據(jù)如下公式計算所述校準(zhǔn)誤差：
[0061 ] error = d+-d_-2 A [n]
[0062] 其中，error為校準(zhǔn)誤差，d+為所述第一輸出信號，d_為所述第二輸出信號，A[n] 為當(dāng)前擾動信號幅值。
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