专利名称：模拟数字转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟数字转换装置，特别涉及集成于一单芯片上的一微控制器中的模拟数字转换装置。
背景技术：
在现今数字电路中，模拟数字转换器的应用甚广，尤其在微控制器中，大多数皆已具有模拟数字转换器来完成模拟数字转换动作。参见图1，其为完成于单芯片上且包含有一模拟数字转换器101的公用微控制器10的功能方块示意图，而一般模拟数字转换器的规格为参考电压及输出数字信号的位数。为清楚说明，将模拟数字转换器101举例定义为参考电压5伏特(V)的8位模拟数字转换器，意即其对于所输入的模拟信号的接受范围为5伏特，而所输出数字信号的位数则为8位，故该模拟数字转换器的解析度便为5V/255(即28-1)＝19.6毫伏(mV)。因此在正常状态下，在8位模拟数字转换器适合将电压强度位于0至5伏特的模拟信号转换成0至255的数字信号后输出，但由于应用领域的不同，所输入模拟信号的电压强度将有很大的差异，例如，有一个输入模拟信号为75+75sin(wt)毫伏(mV)，即其为一峰值仅为150毫伏(mV)的正弦模拟信号，此时所述的模拟数字转换器所转换出的数字信号最大值将仅为8(150/19.6＝7.653)，进而导致因信号强度过小所造成整体利用率(9/256)不佳与解析度不良的缺失。
而为了成本的考虑，增加模拟数字转换器的位数为较不可行的做法，且较大位数的模拟数字转换器，其所需的转换时间将会增加，且所需的工作电流亦较大，而基于所述种种因素，如何在不增加实际位数的状况下，解决所述公用技术的缺失为发展本发明的主要目的。
发明内容
本发明为一种模拟数字转换装置，集成于一单芯片上的一微控制器中，该装置包含有一可调增益放大器，其用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间，一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端，发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
本发明的另一方面为一种模拟数字转换装置，集成于一微控制器中，其装置包含一可调增益放大器，其用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该微控制器中的所有元件是完成在一单芯片上。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间，一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端，发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
本发明的又一方面为一种模拟数字转换装置，其装置包含一可调增益放大器，其用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数可根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
根据所述构想，模拟数字转换装置是集成于一微控制器中，而该微控制器完成在一单芯片上。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
根据所述构想，模拟数字转换装置中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间；一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端；发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
本发明藉由下列附图及详细说明，以便更深入的了解
图1为完成于单芯片上且包含有一模拟数字转换器的公用微控制器的功能方块示意图。
图2为本发明解决公用缺失所发展出的模拟数字转换装置的实施例方块图。
图3是本发明针对该可调增益放大器，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第一较佳实施例电路示意图。
图4A-B为可变电阻器R2的第一较佳实施例与第二较佳实施例电路示意图。
图5是本发明针对该可调增益放大器，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第二较佳实施例电路示意图。
图6是本发明针对该可调增益放大器，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第三较佳实施例电路示意图。
具体实施例方式
参见图2，其为本发明为解决公用缺失所发展出的模拟数字转换装置的实施例方块图，其主要由一可调增益放大器21以及一n位模拟数字转换器22所构成，而所述元件是集成于一微控制器2之上，而微控制器2则完成在一单芯片之中。
所述可调增益放大器21主要用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)，其中增益函数A的大小可通过一控制信号进行改变。而参考电压为Vr的n位模拟数字转换器22则用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出。本发明的主要特征在于，该可调增益放大器的增益函数可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来发出该控制信号以进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度表现。再参见图3，其针对该可调增益放大器21，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第一较佳实施例，其中包含有一运算放大器31，其主要具有一反相输入端311、一非反相输入端312以及一输出端313，所述模拟电压信号V1是由该非反相输入端312输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器22。另外还具有电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端311间的固定电阻器R1，以及电连接于该反相输入端311与该输出端313间的可变电阻器R2。依运算放大器的电路特性，可得到一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器，而输出端313所输出的放大模拟电压信号V3等于A(V1-V2)，而由于A＝(R1+R2)/R1、V2＝0，故V3＝(R1+R2)V1/R1。
为求清楚易懂，再以发明背景段中所举的相同例子进行说明。即，将n位模拟数字转换器22定义为参考电压Vr＝5伏特(V)的8位模拟数字转换器，而当所输入的一模拟电压信号V1为75+75sin(wt)毫伏(mV)，即其为一峰值不大于150毫伏(mV)的正弦模拟信号，因此该微控制器便可根据参考电压5伏特(V)与所输入的该相对模拟电压信号峰值150毫伏(mV)的大小关系(比值为5/0.15＝100/3)，而通过控制信号对可变电阻器R2的电阻值进行调整，进而将可调增益放大器的增益函数A调整为尽量接近100/3而不大于100/3。而实际作法是可调整可变电阻器R2为31R1，使得A＝32，如此便可得到电压信号峰值4.8伏特(V)的放大模拟电压信号V3，进而能将所述模拟数字转换器的整体利用率提高(5伏特(V)的参考电压可充分利用到4.8伏特)并增加数字信号的解析度(约增加log232＝5位的解析度，而将8位模拟数字转换器的性能提升至13位)。
而可变电阻器R2是可利用如图4A-B所示的电阻411、412、…、41n与受控开关421、422、…、42n等所构成的电路所完成，其变化应为本领域的技术人员所能自由变化，故在此不予赘述。
参见图5，其是针对该可调增益放大器21，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第二较佳实施例，其中包含有一运算放大器51，其主要具有一反相输入端511、一非反相输入端512以及一输出端513，所述模拟电压信号V1由该非反相输入端512输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器22。另外还具有电连接于该基准电压V2与该反相输入端511间的固定电阻器R1，以及电连接于该反相输入端511与该输出端513间的可变电阻器R2。依运算放大器的电路特性，可得到一(V3-V2)＝A，(V1-V2)，(A＝(R1+R2)/R1)的差动输入放大关系，主要是可应用于欲取得于该基准电压V2附近电压变化的高解析度效果的状况。
参见图6，其是针对该可调增益放大器21，依功能需求不同所发展出各式实施例中的第三较佳实施例，其中包含有一运算放大器61，其具有一反相输入端611、一非反相输入端612以及一输出端613，其中该模拟电压信号V1是由该反相输入端611输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端612输出。至于电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端611间的负载电阻RL，其集电极连接至该反相输入端611、发射极连接至该输出端613、基极则连接至该非反相输入端612的npn晶体管614，电连接于该非反相输入端612的固定电阻器R1，以及电连接于该输出端613与该固定电阻器R1的可变电阻器R2，则是用以共同完成一相对于基准电压V2的一非线性增益函数的可调增益放大器。如此将提供一有别于所述线性放大器的对数放大器，用以增加该模拟电压信号V1的动态范围比后，再用分压方式取出不同倍率供给后续n位模拟数字转换器22使用。
综上所述，本发明在不增加模拟数字转换器的实际位数的状况下，彻底解决所述公用技术整体利用率过低而造成解析度不佳的缺陷，而依功能需求不同所发展出的各式实施例，则可达到于基准电压V2附近电压变化的高解析度效果或是增加模拟电压信号V1的动态范围比等功效增进，彻底改善公用缺陷，达到发展本发明的主要目的。故本发明得由本领域的技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离本发明权利要求所欲保护的范围。
权利要求
1.一种模拟数字转换装置，集成于一单芯片上的一微控制器中，该装置包含有一可调增益放大器，其是用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数是可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
2.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
3.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
4.如权利要求1所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间；一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端，发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
5.一种模拟数字转换装置，集成于一微控制器中，其装置包含一可调增益放大器，其是用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其是用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数是可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
6.如权利要求5所述的模拟数字转换装置，其中该微控制器中的所有元件是完成在一单芯片上。
7.如权利要求5所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
8.如权利要求5所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
9.如权利要求5所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间；一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端，发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
10.一种模拟数字转换装置，其装置包含一可调增益放大器，其用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1-V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1-V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其是用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数是可根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
11.如权利要求10所述的模拟数字转换装置，其是集成于一微控制器中，而该微控制器是完成在一单芯片上。
12.如权利要求10所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2为零的地点与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成一增益函数A为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
13.如权利要求10所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该非反相输入端输入，而该输出端连接至该n位模拟数字转换器；一固定电阻器R1，电连接于该基准电压V2与该反相输入端之间；以及一可变电阻器R2，电连接于该反相输入端与该输出端之间，用以完成相对于基准电压V2的一增益函数为(R1+R2)/R1的可调增益放大器。
14.如权利要求10所述的模拟数字转换装置，其中该可调增益放大器包含一运算放大器，其具有一反相输入端；一非反相输入端；以及一输出端，其中该模拟电压信号V1是由该反相输入端输入，而该基准电压V2则由该非反相输入端输入；一负载电阻RL，电连接于模拟电压信号V1与该反相输入端之间；一npn晶体管，其集电极连接至该反相输入端，发射极连接至该输出端，基极则连接至该非反相输入端；一固定电阻器R1，电连接于该非反相输入端；以及一可变电阻器R2，电连接于该输出端与该固定电阻器R1，用以完成相对于基准电压V2的一对数增益函数的可调增益放大器。
全文摘要
一种模拟数字转换装置，集成于一单芯片上的一微控制器中，该装置包含有一可调增益放大器，用以将所输入的一模拟电压信号V1对应于一基准电压V2后得到的一相对模拟电压信号V1－V2，再响应一增益函数A的对应关系来进行该相对模拟电压信号的放大动作，进而输出一放大模拟电压信号A(V1－V2)；以及一n位模拟数字转换器，其参考电压为Vr，电连接于该可调增益放大器的输出，其用以将该放大模拟电压信号转换成一数字电压信号后输出，其特征在于，该可调增益放大器的增益函数是可供该微控制器根据参考电压Vr与所输入的该相对模拟电压信号峰值间的大小关系来进行调整，进而达到较佳的数字信号解析度。
文档编号H03G3/00GK1411141SQ0114095
公开日2003年4月16日 申请日期2001年9月27日 优先权日2001年9月27日
发明者黄志国, 朱亚民, 李豪斌 申请人:义隆电子股份有限公司