[发明专利]一种积分型模数转换器及其模数转换方法

说明书

本发明提供了一种积分型模数转换器，包括积分器、过零比较器、控制器、程控电压参考源和时间计数器，控制器基于过零比较器输出电平变化生成控制信号控制程控电压参考源、程控多路开关和时间计数器工作；程控电压参考源，基于控制器控制信号输出对应的电压信号；程控多路开关，基于控制器控制信号导通各输入端与输出端之间的内部电路通道；时间计数器，基于控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。本发明的有益效果在于：采用输出电压可编程调节的程控电压参考源代替现有技术中的固定电压源加电阻网络的组合，消除电阻网络对模数转换结果的影响，提高了模数转换器的准确性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，尤其涉及一种积分型模数转换器及其模数转换方法。

背景技术

在电子技术领域，多斜积分方法是提高积分型模数转换器转换速率的常见方法。现有技术中，利用电阻网络实现多斜积分方法面临电阻比例漂移影响模数转换精度与稳定性的问题，以及多斜积分斜率数量与斜率进制不可调整的问题。

积分型模数转换器的基本工作原理，是将固定积分时间内被测电压信号的平均值，转换成与之成正比的时间间隔并测量该时间间隔。积分型模数转换器的工作过程可以分为两个积分阶段。如图1所示，在第一积分阶段，开关S₁选通触点P₁，被测电压信号V_i经由电阻R转换成电流信号I₁，对由积分电容C和运算放大器组成的积分器J₁进行充电，充电时间固定为T₁＝N₁×T_cp，其中N₁为定时计数器的计数结果，T_cp为定时计数器的单次定时周期。在此阶段，假设积分器J₁的输出电压V_o由0开始逐步增长，并且一直为正。在第二积分阶段，开关S₁选通触点P₂，与被测电压信号V_i极性相反的参考电压信号-V_ref经由电阻R转换成电流信号I₂对积分器J₁进行反向充电，直至积分器J₁的输出电压V_o由正转零，计时T₂＝N₂×T_cp。至此，一次模数转换过程结束，被测电压信号V_i在时间周期T₁的平均值的量化结果可表示为：

上述积分型模数转换器被称为双斜积分型模数转换器，由式(1)可知，其优势在于，模数转换结果只与参考电压的准确性以及定时计数准确性有关，而对于电阻R、电容C等电路参数不敏感。在双斜积分型模数转换器中，时间T₂主要取决于电流信号I₂的幅值，I₂的幅值越大，则T₂越小，反之，则T₂越大。但是，双斜积分型架构的局限性在于，其转换速率与转换精度指标相互制衡。理论上，双斜积分型架构完成单次满量程模数转换所需的最少时间T_m可表示为：T_m＝2MT_cp，其中，M表示指定分辨率条件下满量程测量对应的计数值。以计数时钟频率为20MHz为例，若要求实现20位测量分辨率，则完成单次满量程测量所需的时间至少为1s，对应测量速率仅有1Hz。因此，为了提高积分型模数转换器的转换速率，现有技术中提出了一种多斜积分方法。