一种积分模数转换器和积分模数的转换方法

摘要

本发明实施例提供了一种积分模数转换器和积分模数的转换方法，所述积分模数转换器包括输入模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述放大器模块、比较模块和辅助模块连接基准电压；其中，输入模块，用于输入原始信号；辅助模块，用于依据所述基准电压存储辅助信号；放大器模块，用于与所述辅助模块共同对所述辅助信号和所述原始信号进行积分，生成积分信号；比较模块，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换信号。本发明实施例用以采用结构简单的电路，提高模数转换器的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及模数转换的技术领域，特别是涉及一种积分模数转换器 和一种积分模数的转换方法。

背景技术

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC(Analog-to-DigitalConverter， 模数转换器)，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模 数转换器可以将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数 字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故一个模数转换 器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大 的可转换信号大小，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的 大小。

在实际应用中，模数转换器最重要的参数是转换的精度。为了保证 数据处理结果的准确性，模数转换器必须有足够的转换精度。积分模数 转换器虽然具有不受积分电阻和积分电容工艺变化影响的特性，但是其 精度会受到积分运放噪声，比较器噪声，开关噪声，积分运放失调电压， 比较器失调电压等因素的影响，为了提高模数转换器的精度，必须消除 失调电压减小噪声的影响，或者在噪声不能减小的情况下增大输出范围。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何 提出一种积分模数转换器，用以采用结构简单的电路，提高模数转换器 的精度。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种积分模数转换器，用 以采用结构简单的电路，提高模数转换器的精度。

为了解决上述问题，本发明公开了一种积分模数转换器，包括输入 模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述放大器模块、比较模块 和辅助模块连接基准电压；其中，

输入模块，用于输入原始信号；

辅助模块，用于依据所述基准电压存储辅助信号；

放大器模块，用于与所述辅助模块共同对所述辅助信号和所述原始 信号进行积分，生成积分信号；

比较模块，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换信 号。

优选地，所述输入模块包括积分电阻Rint、第一开关S1和第二开关 S2，通过所述第一开关S1连接电压VIN，通过所述第二S2连接电流源I； 所述输入模块采用所述电压VIN和/或所述电流源I作为输入原始信号。

优选地，所述基准电压包括第一基准电压VR1，所述放大器模块包 括放大器Amplifier，所述放大器Amplifier的正输入端连接第一基准电压 VR1。

优选地，所述比较模块包括比较器Comparator，所述比较器 Comparator的正输入端连接第二基准电压VR2。

优选地，所述辅助模块包括第三开关S31，第四开关S32，第五开关 S33，第六开关S3B1，第七开关S3B2和积分电容Cint，所述第三开关 S31一端连接第一基准电压VR1，另一端连接所述积分电容Cint的上极 板和第六开关S3B1，所述第四开关S32一端连接第二基准电压VR2，另 一端连接所述积分电容Cint的下极板和第七开关S3B2，所述第五开关 S33跨接于所述第六开关S3B1和第七开关S3B2；其中，所述放大器 Amplifier的负输入端连接所述第五开关S33和第六开关S3B1，输出端 连接所述比较器Comparator的负输入端、第五开关S33和第七开关 S3B2；

在复位RESET时，所述第三开关S31，第四开关S32和第五开关S33 闭合，所述第六开关S3B1和第七开关S3B2断开，所述第一基准电压 VR1和第二基准电压VR2对所述积分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31，第四开关S32和第五开 关S33断开，所述第六开关S3B1和第七开关S3B2闭合，所述积分电 容Cint的电荷为(VR2-VR1)*Cint。

优选地，所述辅助模块包括第三开关S31，第四开关S32，第五开关 S3B，积分电容Cint，所述第三开关S31一端连接第二基准电压VR2，另 一端连接积分电容Cint的下极板和所述第五开关S3B，所述第四开关S32 一端连接所述积分电容Cint的上极板，另一端连接所述第五开关S3B； 其中，所述放大器Amplifier的负输入端连接所述第四开关S32和积分电 容Cint的上极板，输出端连接所述比较器Comparator的负输入端、第四 开关S32和第五开关S3B；

在复位RESET时，所述第三开关S31和第四开关S32闭合，所述第 五开关S3B断开，所述第二基准电压VR2和放大器Amplifier对所述积 分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31和第四开关S32断开，所 述第五开关S3B闭合，所述积分电容Cint的电荷为(VR2-(VR1 -Vos2))*Cint；所述Vos2为放大器Amplifier的失调电压。

优选地，所述辅助模块包括第三开关S31，第四开关S3B和积分电 容Cint，所述积分电容Cint的下极板连接第四开关S3B，上极板连接第 三开关S31和放大器Amplifier的负输入端，所述第三开关S31连接第四 开关S3B；所述比较模块还包括第五开关S32，所述第五开关S32的一端 连接积分电容Cint的下极板和所述比较器Comparator的负输入端，另一 端连接所述比较器Comparator的输出端；

在复位RESET时，所述第三开关S31和第五开关S32闭合，所述第 四开关S3B断开，所述放大器Amplifier和比较器Comparator对所述积 分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31和第五开关S32断开，所 述第四开关S3B闭合，所述积分电容Cint的电荷为 ((VR2-Vos3)-(VR1-Vos2))；所述Vos2为放大器Amplifier的失调电压， 所述Vos3为比较器Comparator的失调电压。

本发明实施例还提供了一种积分模数转换的方法，包括：

输入原始信号；

依据所述基准电压存储辅助信号；

采用所述辅助信号和原始信号进行积分，生成积分信号；

将所述积分信号与预设的基准电压进行比较，生成转换信号。

优选地，所述原始信号采用输入模块输入，所述辅助信号采用辅助 模块依据所述基准电压存储，所述积分信号采用放大器模块采用所述辅 助信号和原始信号进行积分生成，所述转换信号采用比较模块将所述积 分信号与基准电压进行比较生成。

优选地，所述基准电压包括第一基准电压VR1和第二基准电压VR2； 所述辅助模块包括积分电容Cint，其中，

在复位RESET时，采用所述第一基准电压VR1和第二基准电压VR2 对所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时，所述积分电容 Cint的电荷为(VR2-VR1)*Cint；

或者，

在复位RESET时，采用所述第二基准电压VR2和放大器Amplifier 对所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时，所述积分电容 Cint的电荷为(VR2-(VR1-Vos2))*Cint；所述Vos2为放大器模块的失 调电压；

或者，

在复位RESET时，采用所述放大器Amplifier和比较器Comparator 对所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时所述积分电容 Cint的电荷为((VR2-Vos3)-(VR1-Vos2))；所述Vos2为放大器模块的失调 电压，所述Vos3为比较模块的失调电压。

与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：

在本发明实施例的积分模数转换器，包括用于输入原始信号的输入 模块，用于依据所述基准电压存储辅助信号的辅助模块，用于与辅助模 块共同对所述辅助信号和原始信号进行积分，生成积分信号的放大器模 块，以及用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成标志信号的比 较模块，通过辅助模块保存基准电压，可以使得放大器模块的输出范围 增加。此外，通过辅助模块保存失调电压，还可以在增加放大器模块的 输出范围基础上消除放大器模块的失调电压，甚至不仅可以增加积分模 块的输出范围和消除积分运放的失调电压，还可以消除比较模块的失调 电压，提高了积分模数器的转换精度。

本发明实施例的积分模数转换器的增加输出范围和消除自归零的结 构，对积分模数转换器的主体结构没有特殊要求，因此适用于各种积分 模数转换器中。同时，该电路结构简单，只需要适当增加几个开关即可， 所需成本较低。

附图说明

图1是一种自归零结构的数模转换器的电路结构示意图；

图2是一种积分数模转换器的电路结构示意图；

图3是本发明的一种积分模数转换器实施例一的结构框图；

图4是本发明的一种积分模数转换器实施例二的结构示意图；

图5是本发明的一种积分模数转换器实施例三的结构示意图；

图6是本发明的一种积分模数转换器实施例四的结构示意图；

图7是本发明的一种积分模数转换的方法实施例的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合 附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示的一种自归零结构的数模转换器的电路结构示意图， 整个电路主要由缓冲器Buffer701、积分器Integrator702和比较器 Comparator703组成,此结构利用自归零电容Cz和积分电容Cint可以消 除缓冲器Buffer、积分器Integrator和Comparator比较器的失调电压，但 该电路的缺陷在于，积分器Integrator的起始电压必须从参考电压VCOM 开始，考虑到输入电压范围，参考电压VCOM一般会在电源电压的中间 电平附近，这样就减小了积分器Integrator的输出范围，进而影响模数转 换器的精度。

参照图2所示的一种积分数模转换器的电路结构示意图，整个电路 主要由积分器Integrator和比较器Comparator组成，此电路同样存在积分 器Integrator起始电压必须从参考电压VCOM开始的问题，因此同样将导 致减小了积分器Integrator的输出范围，进而影响模数转换器的精度。

因此，为了解决模数转换器精度的问题，本发明实施例提出一种积 分数模转换器，用以消除失调电压减小噪声的影响，或者在噪声不能减 小的情况下增大输出范围，以提高模数转换器的精度，同时该积分模数 转换的电路结构简单，所需成本较低，且易于实现。

实施例一：

参照图3，示出了本发明的一种积分模数转换器实施例一的结构框 图，具体可以包括输入模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述 放大器模块、比较模块和辅助模块连接基准电压；其中，

输入模块101，用于输入原始信号；

辅助模块102，用于依据所述基准电压存储辅助信号；

放大器模块103，用于与所述辅助模块102采用所述辅助信号和所述 原始信号进行积分，生成积分信号；

比较模块104，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换 信号。

在具体实现中，积分模数转换器是将真实世界的模拟信号，例如温 度、压力、声音或者图像等等，需要转换成更容易储存、处理和发射的 数字形式。模数转换器可以实现这个功能，随着电子技术的不断发展， 目前在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

在本发明实施例的积分模数转换器，包括用于输入原始信号的输入 模块，用于依据所述基准电压存储辅助信号的辅助模块，用于与辅助模 块对所述辅助信号和原始信号进行积分，生成积分信号的放大器模块， 以及用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成标志信号的比较模 块，通过辅助模块保存基准电压，可以使得积分模块的输出范围增加。 此外，通过辅助模块保存失调电压，还可以在增加积分模块的输出范围 基础上消除放大器模块的失调电压，甚至不仅可以增加放大器模块的输 出范围和消除积分运放的失调电压，还可以消除比较模块的失调电压， 提高了积分模数器的转换精度。

实施例二：

参照图4，示出了本发明的一种积分模数转换器实施例二结构框图， 具体可以包括输入模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述放大 器模块、比较模块和辅助模块连接基准电压；其中，

输入模块201和202，用于输入原始信号；

在本发明的一种优选实施例中，所述输入模块201和202可以包括 积分电阻Rint、第一开关S1和第二开关S2，通过所述第一开关S1连接 电压VIN，通过所述第二S2连接电流源I；所述输入模块采用所述电压 VIN和/或所述电流源I生成原始信号。

辅助模块203，用于依据所述基准电压存储辅助信号；

放大器模块204，用于与辅助模块203共同对所述辅助信号和原始信 号进行积分，生成积分信号；

所述基准电压可以包括第一基准电压VR1，所述放大器模块204可 以包括放大器Amplifier，所述放大器Amplifier是一种差动放大器，可以 起放大信号的作用。所述放大器Amplifier的正输入端连接第一基准电压 VR1。

所述基准电压可以包括第二基准电压VR2，所述比较模块205可以 包括比较器Comparator，所述比较器Comparator的正输入端连接第二基 准电压VR2。

在本发明的一种优选实施例中，所述辅助模块203包括第三开关S31， 第四开关S32，第五开关S33，第六开关S3B1，第七开关S3B2和积分 电容Cint，所述第三开关S31一端连接第一基准电压VR1，另一端连接 所述积分电容Cint的上极板和第六开关S3B1，所述第四开关S32一端 连接第二基准电压VR2，另一端连接所述积分电容Cint的下极板和第七 开关S3B2，所述第五开关S33跨接于所述第六开关S3B1和第七开关 S3B2；其中，所述放大器Amplifier的负输入端连接所述第五开关S33和 第六开关S3B1，输出端连接所述比较器Comparator的负输入端、第五 开关S33和第七开关S3B2；

在复位RESET时，所述第三开关S31，第四开关S32和第五开关S33 闭合，所述第六开关S3B1和第七开关S3B2断开，所述第一基准电压 VR1和第二基准电压VR2对所述积分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31，第四开关S32和第五开 关S33断开，所述第六开关S3B1和第七开关S3B2闭合，所述积分电 容Cint的电荷为(VR2-VR1)*Cint。

在本发明具体应用的一种优选示例中，在积分模数转换器积分前电 路首先复位RESET，此时开关S3(即第三开关S31，第四开关S32和第 五开关S33)全部闭合，开关S3B(即第六开关S3B1和第七开关S3B2) 全部的断开，放大器Amplifier与开关S3和开关S3B接成缓冲器Buffer 结构，积分电容Cint与放大器Amplifier断开，同时第一基准电压VR1 和第二基准电压VR2对积分电容Cint进行充电。当复位RESET结束时， 开关S3全部断开，开关S3B闭合，此时积分电容Cint内有电荷 Q＝(VR2-VR1)*Cint，放大器Amplifier输出从第二基准电压VR2开始积 分，增大了放大器Amplifier的变化范围，提高了模数转换器的精度。

比较模块205，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换 信号。

实施例三：

参照图5，示出了本发明的一种积分模数转换器实施例三结构框图， 具体可以包括输入模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述放大 器模块、比较模块和辅助模块连接基准电压；其中，

输入模块301和302，用于输入原始信号；

辅助模块303，用于依据所述基准电压存储辅助信号；

放大器模块304，用于与辅助模块303共同对所述辅助信号和原始 信号进行积分，生成积分信号；在本发明的一种优选实施例中，所述辅 助模块303可以包括第三开关S31，第四开关S32，第五开关S3B，积分 电容Cint，所述第三开关S31一端连接第二基准电压VR2，另一端连接 积分电容Cint的下极板和所述第五开关S3B，所述第四开关S32一端连 接所述积分电容Cint的上极板，另一端连接所述第五开关S3B；其中， 所述放大器Amplifier的负输入端连接所述第四开关S32和积分电容Cint 的上极板，输出端连接所述比较器Comparator的负输入端、第四开关S32 和第五开关S3B；

在复位RESET时，所述第三开关S31和第四开关S32闭合，所述第 五开关S3B断开，所述第二基准电压VR2和放大器Amplifier对所述积 分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31和第四开关S32断开，所 述第五开关S3B闭合，所述积分电容Cint的电荷为(VR2- (VR1-Vos2))*Cint；所述Vos2为放大器Amplifier的失调电压。

比较模块305，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换 信号。

在本发明具体应用的一种优选示例中，在积分模数转换器积分前电 路首先复位RESET，此时开关S3(即第三开关S31和第四开关S32)全 部闭合，开关S3B(即第五开关S3B)断开，放大器Amplifier与开关S3 和开关S3B接成缓冲器Buffer结构，和第二基准电源VR2对积分电容 Cint进行充电。当复位RESET结束时，开关S3断开，开关S3B闭合， 此时积分电容Cint内有电荷Q＝(VR2-(VR1-Vos2))*Cint，放大器 Amplifier的失调电压存在积分电容Cint上，放大器Amplifier输出从第二 基准电压VR2开始积分，增大了放大器Amplifier的变化范围，提高了模 数转换器的精度。

实施例四：

参照图6，示出了本发明的一种积分模数转换器实施例四结构框图， 具体可以包括输入模块，放大器模块，比较模块和辅助模块，所述比较 模块和放大器模块连接基准电压；其中，

输出模块401和402，用于输出原始信号；

辅助模块403，用于依据所述基准电压存储辅助信号；

放大器模块404，用于与辅助模块403共同对所述辅助信号和原始信 号进行积分，生成积分信号；

比较模块405，用于将所述积分信号与基准电压进行比较，生成转换 信号。

在本发明的一种优选实施例中，所述辅助模块403可以包括第三开 关S31，第四开关S3B和积分电容Cint，所述积分电容Cint下极板连接 第四开关S3B，上极板连接第三开关S31和放大器Amplifier的负输入端， 所述第三开关S31连接第四开关S3B；所述比较模块还包括第五开关S32， 所述第五开关S32的一端连接积分电容Cint的下极板和所述比较器 Comparator的负输入端，另一端连接所述比较器Comparator的输出端；

在复位RESET时，所述第三开关S31和第五开关S32闭合，所述第 四开关S3B断开，所述放大器Amplifier和比较器Comparator对所述积 分电容Cint进行充电；

在复位RESET结束时，所述第三开关S31和第五开关S32断开，所 述第四开关S3B闭合，所述积分电容Cint的电荷为 ((VR2-Vos3)-(VR1-Vos2))；所述Vos2为放大器Amplifier的失调电压， 所述Vos3为比较器Comparator的失调电压。

在本发明具体应用的一种优选示例中，在积分模数转换器积分前电 路首先复位RESET，此时开关S3(即第三开关S31和第五开关S32)闭 合，开关S3B(第四开关S3B)即断开，放大器Amplifier与开关S3和开 关S3B接成缓冲器Buffer结构，同时与比较器Comparator接成缓冲器 Buffer结构对积分电容Cint进行充电，此时积分电容Cint上极板电压为 VR1-Vos2保存有放大器Amplifier的失调电压Vos2，积分电容Cint下极 板电压为VR2-Vos3保存比较器Comparator的失调电压Vos3，积分电容 Cint上的电荷为Q＝((VR2-Vos3)-(VR1-Vos2))，放大器Amplifier输出从 VR2-Vos3开始积分，增大了放大器Amplifier的变化范围，提高了模数转 换器的精度。

本发明实施例的积分模数转换器的增加输出范围和消除自归零的结 构，对积分模数转换器的主体结构没有特殊要求，因此适用于各种积分 模数转换器中。同时，该电路结构简单，只需要适当增加几个开关即可， 所需成本较低。

需要说明的是，在本发明实施例中辅助模块的结构仅仅是用作示例， 在实际应用中，本领域技术人员根据实际需求进行相应变化，比如积分 模数转换器增加新的模块，则可以根据该模块改变辅助模块的结构，来 消除该新的模块的失调电压，本发明实施例对此不加以限制。

实施例五：

参照图7，示出了本发明的一种积分模数转换器的转换方法的步骤流 程图，具体可以包括如下步骤：

步骤501，输入原始信号；

步骤502，依据所述基准电压存储辅助信号；

步骤503，采用所述辅助信号和原始信号进行积分，生成积分信号；

步骤504，将所述积分信号与预设的基准电压进行比较，生成转换信 号。

在本发明的一种优选实施例中，所述原始信号采用输入模块输入， 所述辅助信号采用辅助模块依据所述基准电压存储，所述积分信号采用 积分模块采用所述辅助信号和原始信号进行积分生成，所述转换信号采 用比较模块将所述积分信号与基准电压进行比较生成。

在本发明的一种优选实施例中，所述基准电压可以包括第一基准电 压VR1和第二基准电压VR2；所述辅助模块包括积分电容Cint，其中，

在复位RESET时，采用所述第一基准电压VR1和第二基准电压VR2 对所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时，所述积分电容 Cint的电荷为(VR2-VR1)*Cint；

或者，

在复位RESET时，采用所述第二基准电压VR2放大器Amplifier对 所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时，所述积分电容 Cint的电荷为(VR2-(VR1-Vos2))*Cint；所述Vos2为放大器的失调电 压；

或者，

在复位RESET时，采用所述放大器Amplifier和比较器Comparator 对所述积分电容Cint进行充电；则在复位RESET结束时所述积分电容 Cint的电荷为((VR2-Vos3)-(VR1-Vos2))；所述Vos2为放大器模块的失调 电压，所述Vos3为比较模块的失调电压。

对于方法实施例而言，由于其与前述积分模数转换器的各实施例基 本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见积分模数转换器的实施例 的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点 说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分 互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种积分模数转换器，以及一种积分模数的 转换方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及 实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方 法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思 想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。