一种用于斜波发生器的斜波非线性失真校正方法

摘要

本发明公开了属于模数转换及图像传感技术领域，特别涉及一种用于斜波发生器的斜波非线性失真校正方法。该斜波的非线性失真来源于数模转换器输出点的RC延迟，此非线性失真可以通过给数模转换器输出叠加一个阶跃信号来补偿，该阶跃信号的叠加可以在数模转换器的输入数字信号处实现；这个补偿的阶跃信号的大小与RC常数及输入斜率相关，可以通过校正来确定；本发明能够消除斜波初始阶段与控制斜率时拐点附近的非线性，使校正后斜波的误差面积将明显减小。

说明书

技术领域

本发明属于模数转换及图像传感技术领域，特别涉及一种用于斜波发生器的斜波非线性失真校正方法。

背景技术

在图像传感器系统中需要用到大量的阵列模数转换器。如横向像素数为4K的传感器，一般需要用到位于像素阵列上、下方各2000个模数转化器。单个模数转换器要求极小的面积，一般其中心距小于十微米。多个单斜波模数转换器有着可以共用一个斜波发生器的特点，每个模数转换器只需要包含一个比较器与计数器。因此，斜波发生器非常适合于该应用。近年来，图像传感器的分辨率及帧频越来越高，使得对其中的模数转换器要求越来越高的速度。单斜波模数转化器的性能主要由产生的斜波质量决定，斜波的斜率越大、线性度越高，则该模数转换器的速度越快、精度越高。然而在图像传感器中，由于斜波发生器需要负载数千个模数转化器，导致其在斜波的初始阶段会有较大的RC延迟失真形成一段曲线。图像传感器的另一个特点是在低光照时要求模数转化器有着高精度，在高光照时对其精度的要求会降低。低光照对应到斜波的初始阶段，斜波的失真会极大限制模数转换器的精度。高光照对应斜波的后半段，因为精度要求降低所以在有的图像传感器中会增大斜波斜率以提高速度。如精度要求每降低1比特则增大1倍斜率。然而在转变斜率时由于RC延迟失真会在转变点后形成一段曲线，该问题极大限制的斜率增大技术的应用。

基于上述问题，本发明提出一种斜波非线性失真校正技术，用于解决在斜波的初始阶段以及斜率转变后的非线性失真。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于斜波发生器的斜波非线性失真校正方法，其特征在于，斜波的非线性失真来源于数模转换器输出点的RC延迟，该非线性失真通过叠加一个阶跃信号来补偿，该阶跃信号可以在数模转换器的数字输入处叠加；具体操作包括；

1)，给数模转换器输入数字台阶信号时，设数模转换器采样周期为T

当T

2)所述补偿斜波的阶跃信号在数模转换器的输入即数字域进行补偿，在数字域输入的阶跃信号会反映到模拟输出，从而补偿斜波的非线性失真；该阶跃信号的大小可以通过下面的校准得到：由于数模转换器输出的斜波斜率只由数字输入频率以及数模转换器自身的电压范围决定，由此事先得知某两个数字输入代码D1、D2间对应的模拟电压差，类似于图像传感器中常见的从高到低扫描，代码D1、D2分别对应理想模拟输出V1_ideal与V2_ideal，设置初始阶跃信号大小ΔD＝0，当数模转换器的实际输出跨过V1_ideal、V2_ideal时，记录当时的数字输入分别为D1_real、D2_real，若(D1_real-D2_real)>(D1-D2)则ΔD＝ΔD+1，若(D1_real-D2_real)<(D1-D2)则ΔD＝ΔD-1，则可以得到需要加在数字输入处的ΔD的值；在实际扫描时，输入代码从最大Dmax开始跳至Dmax-ΔD，之后逐次减1；

3)，当在扫描途中需要斜波的斜率增大时则再次叠加阶跃信号，其大小为斜率增大部分的倍数乘以ΔD，不需要重新校准。

所述步骤2)中，在实际扫描时即当数模转换器开始工作或者开始校准时，扫描数模转换器的数字输入代码D1、D2按以下顺序输入：

Dmax→Dmax-ΔD→Dmax-ΔD-1→Dmax-ΔD-2→……→Dmin。

本发明的有益效果是消除斜波初始阶段与控制斜率时拐点附近的非线性。校正后斜波的误差面积将明显减小

附图说明

图1是斜波的非线性失真校准电路框图

图2是斜波的非线性失真校准逻辑框图

图3(a)是校准前的斜波整体波形图3(b)是校准后的斜波整体波形

图4(a)是校正前的斜波初始点及第一次拐点处的局部波形

图4(b)是校正后的斜波初始点及第一次拐点处的局部波形

图5(a)是校正前的斜波第二次拐点处的局部波形

图5(b)是校正后的斜波第二次拐点处的局部波形

具体实施方式

本发明提出一种用于斜波发生器的斜波非线性失真校正方法，该斜波的非线性失真来源于数模转换器输出点的RC延迟，该非线性失真通过叠加一个阶跃信号来补偿，该阶跃信号可以在数模转换器的数字输入处叠加；当给数模转换器输入数字台阶信号时，设数模转换器采样周期为T

当T

下面结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，

如图1所示的斜波的非线性失真校准电路框图。图中，除原有的数模转换器2之外该校准技术只需要一个比较器3，以及数模转换器前端的校正逻辑1，在校准完成后可断开比较器3与数模转换器2的连接，不用对数模转换器2进行任何改动。用于比较器3的参考电压可取自电阻串4，通过S1开关6和S2开关5来切换参考电压；V1_ideal和V2_ideal分别对应数模转换器2的输入为D1和D2时的静态值。由于使用的是同一个比较器对两次结果做差值，因此其延迟及误差不会对结果产生影响。

如图2所示的斜波的非线性失真校准逻辑框图；非线性失真校准包括步骤：

步骤1，在初始化阶段，数模转换器输入Din置为Dmax，叠加阶跃信号ΔD置为0；

步骤2，当数模转换器开始工作或者开始校准时，扫描数模转换器的输入码按以下顺序输入：Dmax→Dmax-ΔD→Dmax-ΔD-1→Dmax-ΔD-2→……→Dmin；

步骤3，当开始校准时，仅S1开关导通，等待比较器输出上升；

步骤4，在等待比较器输出上升的阶段中，当比较器由低至高时将数模转换器输入记录为D1_real；

步骤5，当数模转换器输入重置到Dmax时，将S1开关关闭，S2开关导通；斜波电压恢复最大值后比较器输出会自然的变为低；在S2开关导通的阶段，当比较器再次由低至高时将数模转换器输入记录为D2_real；

步骤6，比较(D1_real-D2_real)与(D1-D2)的大小来决策ΔD的增减；当数模转换器输入再次重置时，再次进入S1开关导通阶段，如此反复；另外，校准过程中的Dmin可以不是对应数模转换器最小输出电压的代码，可以反复扫描较小范围以减少耗时。

在斜波得到了校正后的ΔD后，在需增大斜率过程中需再次叠加阶跃信号，其叠加量为斜率增大部分的倍数乘以ΔD，以在中间点附近增大至4倍斜率为例，按以下代码顺序扫描：

Dmax→Dmax-ΔD→Dmax-ΔD-1→Dmax-ΔD-2→……→Dmax-ΔD-Dmax/2→Dmax-Dmax/2-4ΔD→Dmax-Dmax/2-4ΔD-4→Dmax-Dmax/2-4ΔD-8→……→Dmin

如图3至图5所示，在斜波校准前后的波形曲线上有两次增大斜率；校准后在初始点以及增大斜率的拐点处可以得到非常直的斜波。图3(a)与(b)是校准前与校准后的斜波整体波形。图4(a)与(b)是校正前与校正后的斜波初始点及第一次拐点处的局部波形。图5(a)与(b)是校正前与校正后的斜波第二次拐点处的局部波形。校准后的斜波可以看到在初始点和两个拐点处的误差面积都有明显减小。校正前的线性度一般仅支持10比特左右的精度，校正后可达到14比特。