[发明专利]用于将模拟信号转换成数字形式的方法和仪器

说明书

              发明领域

本发明涉及用于将模拟信号转换成数字形式的方法和系统，并特别涉及一种低成本、易制造的模拟-数字转换器。

            发明背景和概述

模块-数字的转换是普遍的。在对数字无线电设备的一种应用中，需要高速率的模拟-数字转换器去将语音和其他有关的信号转换成数字形式。在模拟调频(FM)无线电设备中，无论如何，对模拟-数字转换的要求一般不很严格，(1)因为语音并不被数字化，而且(2)因为被数字化的模拟信号，例如，信号强度的大小，电池电压的大小，功率放大器电流的大小等，并不需要被高速率数字化。事实上，无线电设备微处理器在几毫秒内可能只监测所接收的信号强度、电池电压、功率放大器电流等一次。

要作成这样的速率较慢的用于模拟无线电设备的模拟-数字转换器，可将单个模拟-数字转换器与能从多个待数字化的信号中选出一个的模拟多路复用器连接。例如，八个输入端模拟多路复用器的八个输入端可分配如下：(1)基准电压输入(Vcc),(2)测得的被接收信号强度，(3)测得的电池电压，(4)测得的功率放大器电流，(5)被检测的温度，(6)被反射的发送器功率，(7)发送器的压控振荡器(VCO)电压，(8)零基准电压(例如，地线)。多路复用器然后可选择一个输入信号去与一个接地的电容器相连，把电容器充电到所选信号的电压。要将该信号转换成数字值，可用一个与输入电容器相连的更小电容器从输入电容器周期性地卸去电荷的增量。比较器检测出的使输入电容器回到接地电势所需的电荷增量的次数可存入计数器。通过将转换所选电压时得到的计数器输出与应时校准中转换接地电势或基准电压如Vcc时所得计数器输出相比较，就可确定输入模拟信号的数字值。

这样的装置所具有的一个缺点是它需要一个能检测零电压的比较器。普通的、廉价的比较器当输入电压达到零电压基准时，就不能准确地检测，因为在零电压，没有电流通过比较器的放大器。而普通的比较器更容易去与量级在零电压和基准电压(Vcc)中间，即Vcc/2的基准电压相比较。制作零电压检测器的一种途径是构制使用负电源的比较器。然而，在成本和重量是重要因素，在诸如便携的、手持无线电设备的应用中，附加的负电源或附加的电源变换电路是显著的缺点。

当实施上面描述的模拟-数字转换装置时，另一种考虑是利用特殊类型的部件去将小电容器接通或断开与输入电容器的串联。双极型晶体管和二极管开关对温度都很敏感，所以使校准变得很困难。从而不确定的是为响应给定的输入电压电平将产生怎样特殊的数字输出。因此，必将使用连续的校准技术来延缓模拟-数字的转换过程，以及增加复杂性和费用。例如，在每个输入电压被测定之前，可能需要较频繁地测量充电到标准的基准电压或由此电压放电所需的脉冲数，以便通过将选定的输入电压除以总脉冲数再乘以基准电压来校正输入电压。在二进制数据处理系统中完成这样的除法和乘法运算实际上是足够困难的，因这类系统显著地减缓了转换操作。由于多数半导体制造厂使用金属氧化物在硅上(MOS)的工艺制造晶体管，双极型晶体管也是比较贵的。

本发明的一个目的是构造能克服上述问题的模拟-数字转换器。

本发明的一个特定的目的是使用只利用MOS开关的开关装置，从输入电容器上卸去或向输入电容器上添加电荷增量。

本发明的一个目的是提供一种动态比较器，它能有效地比较输入信号与零电压基准，而不需要负电源或电源变换器去有效地完成对该零电压的检测。

本发明的另一个目的是提供一种低成本的模拟-数字转换器，它递增地从输入电容器卸去电荷或向输入电容器增添电荷，而只利用场效应管(FET)开关并利用普通的比较器将输入信号与非零值阈值电压相比较。

这些和其他一些目的的借助于一种模拟-数字转换器被实现，该复用器包含的第一个电容器在第一个端点与输入模拟信号连接足够长的时间以使电容器依照该模拟信号的电流电压大小充电。电子电路将第二个电容器交替地在第一个电容器和电源之间连接，从第一个电容器卸去电荷增量直到第一个电容器放电完毕。与第一个电容器放电相联系的卸去的电荷增量的次数被用来产生相应于模拟信号电流电压的数字值。可使用模拟多路复用器来接收多个模拟信号，并从接收到的模拟信号中选择一个与第一个电容器相连。在第一个电容器被充电到与所选择的模拟信号电流电压大小相匹配的程度后，多路复用器从第一个电容器断开该模拟信号。比较器检测何时第一个电容器两端的电压为零，并且比较器的输出被用来触发相应的数字值的生成。