专利名称：一种积分型模数转换器及其采样控制方法
技术领域：
本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种用于电能计量芯片的模拟电路模块中的
积分型模数转换器及其采样控制方法。
背景技术：
众所周知，积分型模数转换器(即E AA/D转换器) 一般采用过采样技术、噪声整 形技术和数字滤波技术，通过将大量的噪声能量推向信号基带外的高频处，再利用数字滤 波器滤除带外噪声，从而获得非常高的精度，然而，也正由于采用了较高的过采样， 一定程 度上限制了信号的带宽，因此E AA/D转换器主要应用于低速、高精度领域，尤其是在低带 宽要求，而需要高精度的电表设计中，有着广泛的运用。 在现有技术中，以简单的一阶E AA/D转换器为例，其结构框图如图1所示，它包
括模拟调制器r和降采样滤波器2'，且模拟调制器r包括采样保持电路lr、加法器12'、
积分器13'、比较器14'和数模转换器15'，其中，模拟调制器1'是整个电路中最重要的部 分，因为它决定了整个E AA/D转换器所能达到的最高分辨率和转换速度；具体地说，当输 入给积分器13'的模拟电压接近经数模转换器15'反馈的正基准电压信号Vref+或者负基 准电压信号Vref-时，噪声能级迅速上升。当输入过载发生时，噪声迅速增加，在较长的时 钟周期内，模拟调制器r输出的结果保持在同一个状态下，因此需要一个更长的时钟周期 来稳定积分器13'的输出以获得精确的输出。 然而实际上，在高阶的模拟调制器系统中，即包含有多个积分器的情况下，模拟调 制器系统不稳定的风险增加，信号输入的范围縮小。将积分器增益縮小是个降低由于输入 过载导致的模拟调制器系统不稳定的办法，积分器增益縮小的方法实质是调整积分器输入 电容与反馈电容的比例，导致从反馈电容传输到输入电容的电荷有效增加，具体地说 根据电荷平衡方程 RCinVin+m(_CrefVref) + (l_m) (CrefVref) =0 (1) 公式(1)中， R :输入信号采样频率与基准采样率的比值； Cin:输入电容； Vin:输入信号； m :足够大的输出数据流中，输出为高的密度； Lf:基准电压； C^f:反馈电容； 公式(1)经推导后得 m = (1+R) (Cin/Cref) (Vin/Vref) (2) 由公式(2)可见 {言噪比Gflm = ; = ~~( 3 )
3
由公式(3)可以看到，通过调整输入电容Cin与反馈电容Cref的比例，可以减小信
噪比Gain的值，从而有效地降低了输入过载的风险，提高了输入信号的范围。但是这种方 法实际上，是通过减小输入电容，使得输入电容与反馈电容的比例降低，即在相加节点上， 来自于输入信号的份额减小，来自于反馈信号的份额增加，由于输入的信号在积分器输入 端被削弱，从而降低了整个E AA/D转换器的动态范围。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种改良的积分型模数转换 器及其采样控制方法，以实现提高输入信号的输入范围，优化由于输入过载导致的系统不 稳定情况的目的。 本发明之一所述的一种积分型模数转换器，包括依次连接的积分器、比较器和降
采样滤波器，所述的转换器还包括一逻辑控制电路、一输入采样电路和一反馈采样电路， 所述逻辑控制电路的输入端一方面与所述比较器的输出端连接，另一方面通过一
非门与所述比较器的输出端连接，并接收外部输入的第一输入控制信号和第二输入控制信
号，输出用于控制所述反馈采样电路的第一反馈控制信号和第二反馈控制信号； 所述输入采样电路包括依次串联的第一输入采样开关和第二输入采样开关以及
依次串联的第三输入采样开关与第四输入采样开关，该第二输入采样开关的输出端连接在
所述积分器的反相输入端，第四输入采样开关的输出端连接在所述积分器的同相输入端，
且所述第一输入采样开关的输出端与第三输入采样开关的输入端之间连接有第五输入采
样开关，该第一输入采样开关的输入端与第三输入采样开关的输出端之间连接有第七输入
采样开关，所述第一输入采样开关和第三输入采样开关的输出端还分别通过第六输入采样
开关和第八输入采样开关接地； 所述反馈采样电路包括依次串联的第一反馈采样开关和第二反馈采样开关以及 依次串联的第三反馈采样开关和第四反馈采样开关，该第二反馈采样开关的输出端连接在 所述积分器的同相输入端，第四反馈采样开关的输出端连接在所述积分器的反相输入端， 且所述第一反馈采样开关的输出端和第三反馈采样开关输入端之间连接有第五反馈采样 开关，该第一反馈采样开关的输入端和第三反馈采样开关输出端之间连接有第七反馈采样 开关，所述第二反馈采样开关的输入端和第四反馈采样开关输出端之间连接有第六反馈采 样开关，该第二反馈采样开关的输出端和第四反馈采样开关输入端之间连接有第八反馈采 样开关。 在上述的积分型模数转换器中，所述第二、第四、第五、第七输入采样开关以及第
一、第三反馈采样开关接收所述第一输入控制信号，所述第一、第三、第六、第八输入采样开
关以及第五、第七反馈采样开关接收所述第二输入控制信号，所述第六、第八反馈采样开关
接收所述第一反馈控制信号，所述第二、第四反馈采样开关接收所述第二反馈控制信号。 在上述的积分型模数转换器中，所述的第一输入采样开关和第二输入采样开关之
间串联第一输入电容，所述第三输入采样开关和第四输入采样开关之间串联第二输入电
容，所述第一反馈采样开关和第二反馈采样开关之间串联第一反馈电容，所述第三反馈采
样开关和第四反馈采样开关之间串联第二反馈电容。 本发明之二所述的一种积分型模数转换器的采样控制方法，包括下列步骤，
步骤一，在前半个采样周期内，控制采样正、负电压输入信号和正、负反馈基准电 压信号； 步骤二，在后半个采样周期内，控制采样正、负反馈基准电压信号。 在上述的积分型模数转换器的采样控制方法中，所述步骤一和步骤二通过逻辑控
制电路、若干个输入采样开关和若干个反馈采样开关实现。 由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过增设逻辑控制电路以控制各采样 开关在一个采样周期内交替开闭，使得输入电压信号在一个采用周期内进行一次采样，而 反馈的基准电压信号在一采样周期采样两次，从而降低了输入信号与反馈信号的采样速率 比，并最终使得过载导致的信噪比有效下降，改善了现有技术中縮小输入电容与反馈电容 比例的方法所存在的缺陷。
图1是现有技术中一阶E AA/D转换器的结构框图； 图2是本发明的积分型模数转换器的结构示意图； 图3是本发明积分型模数转换器中的输入控制信号的时序图； 图4是本发明积分型模数转换器中的反馈控制信号的时序图； 图5是本发明积分型模数转换器在一个采样周期内的时间段1时的等效结构示意 图； 图6是本发明积分型模数转换器在一个采样周期内的时间段2时的等效结构示意 图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细说明。 如图2所示，本发明之一的积分型模数转换器包括输入采样电路1、反馈采样电路 2、积分器3、比较器4、降采样滤波器5和逻辑控制电路6，其中， 逻辑控制电路6的输入端一方面直接与比较器4的输出端连接，接收数据信号Yl ， 另一方面通过一非门7与比较器4的输出端连接，接收反相数据信号Y2，同时还接收外部输 入的第一输入控制信号Tl和第二输入控制信号T2，输出用于控制反馈采样电路2的第一反 馈控制信号Tl Yl+T2 Y2和第二反馈控制信号T2 Y1+T1 Y2 ; 输入采样电路1包括依次串联的第一输入采样开关Sll、第一输入电容Cinl和第 二输入采样开关S12以及依次串联的第三输入采样开关S13、第二输入电容Cin2和第四输 入采样开关S14 ;其中，第一输入采样开关Sl 1的输入端接收正输入电压信号Vin+，第二输 入采样开关S12的输出端与积分器3的反相输入端连接；第三输入采样开关S13的输入端 接收负输入电压信号Vin-，第四输入采样开关S14的输出端与积分器3的同相输入端连接； 另外，第一输入采样开关Sll的输出端与第三输入采样开关S13的输入端之间连接有第五 输入采样开关S15，第一输入采样开关S11的输入端与第三输入采样开关S13的输出端之间 连接有第七输入采样开关S17 ;第一输入采样开关Sll和第三输入采样开关S13的输出端 还分别通过第六输入采样开关S16和第八输入采样开关S18接地； 反馈采样电路2包括依次串联的第一反馈采样开关S21、第一反馈电容Crefl和第二反馈采样开关S2以及依次串联的第三反馈采样开关S23、第二反馈电容Cref2和第四反 馈采样开关S24 ;其中，第一反馈采样开关S21的输入端接收正基准电压信号Vref+，第二反 馈采样开关S22的输出端与积分器3的同相输入端连接；第三反馈采样开关S23的输入端 接收负基准电压信号Vref-，第四反馈采样开关S24的输出端与积分器3的反相输入端连 接；另外，第一反馈采样开关S21的输出端和第三反馈采样开关S23输入端之间连接有第五 反馈采样开关S25，第一反馈采样开关S21的输入端和第三反馈采样开关S23输出端之间连 接有第七反馈采样开关S27 ;第二反馈采样开关S22的输入端和第四反馈采样开关S24输 出端之间连接有第六反馈采样开关S26，第二反馈采样开关S22的输出端和第四反馈采样 开关S24输入端之间连接有第八反馈采样开关S28。 在本发明中，第二、第四、第五、第七输入采样开关S12、 S14、 S15、 S17以及第一、 第三反馈采样开关S21、 S23接收第一输入控制信号Tl，即由第一输入控制信号Tl控制 其开闭；第一、第三、第六、第八输入采样开关S11、 S13、 S16、 S18以及第五、第七反馈采样 开关S25、 S27由第二输入控制信号T2控制；第六、第八反馈采样开关S26、 S28由第一反 馈控制信号Tl Yl+T2 Y2控制，第二、第四反馈采样开关S22、 S24由第二反馈控制信号 T2 Y1+T1 Y2控制。 请参阅图3至图6，在本实施例中，以上述的积分型模数转换器为例，对本发明之 二的一种积分型模数转换器的采样控制方法进行详细说明，本采样控制方法包括下列步 骤， 步骤一，在前半个采样周期内，即时间段1中，第一输入控制信号Tl为高电平，第 二、第四、第五、第七输入采样开关S12、S14、S15、S17以及第一、第三反馈采样开关S21、S23 闭合；第二输入控制信号T2为低电平，第一、第三、第六、第八输入采样开关Sll、 S13、 S16、 S18以及第五、第七反馈采样开关S25、 S27打开，积分型模数转换器采样正、负输入电压信 号Vin+、Vin-，比较器4输出一数据信号Yl，即Yl = 1，则逻辑控制电路6输出的第一反馈 控制信号Tl Yl+T2 Y2为高电平，第六、第八反馈采样开关S26、 S28闭合，第二反馈控制 信号T2 Y1+T1 Y2为低电平，第二、第四反馈采样开关S22、 S24打开，积分型模数转换器 同时采样正、负反馈基准电压信号Vref+、 Vref-，此时，积分型模数转换器的等效结构示意 图如图5所示； 步骤二，在后半个采样周期内，即时间段2中，第一输入控制信号T1为低电平，第 二、第四、第五、第七输入采样开关S12、S14、S15、S17以及第一、第三反馈采样开关S21、S23 打开；第二输入控制信号T2为高电平，第一、第三、第六、第八输入采样开关Sll、 S13、 S16、 S18以及第五、第七反馈采样开关S25、S27闭合，正、负输入电压信号Vin+、Vin-接地，逻辑 控制电路6输出第一反馈控制信号Tl *Y1+T2 *Y2为低电平，第六、第八反馈采样开关S26、 S28打开，第二反馈控制信号T2 *Y1+T1 *Y2为高电平，第二、第四反馈采样开关S22、S24闭 合，积分型模数转换器仅采样正、负反馈基准电压信号Vref+、 Vref-此时，积分型模数转换 器的等效结构示意图如图6所示。 由上述采样控制方法可知，在本发明中，正、负反馈基准电压信号Vref+、 Vref-的 采样速率为正、负输入电压信号Vin+、 Vin-的采样速率的两倍，因此，通过本发明可以将前 述的输入信号采样频率与基准采样率的比值R改变为0. 5 ;
又由公式Gam = i = ~~^"^可知，
"K re/ 本发明可以在不降低整个模数转换器的动态范围的前提下，使的模数转换器的信 噪比Gain有效降低。 以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上 述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本 发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
权利要求
一种积分型模数转换器，它包括依次连接的积分器、比较器和降采样滤波器，其特征在于，所述的转换器还包括一逻辑控制电路、一输入采样电路和一反馈采样电路，所述逻辑控制电路的输入端一方面与所述比较器的输出端连接，另一方面通过一非门与所述比较器的输出端连接，并接收外部输入的第一输入控制信号和第二输入控制信号，输出用于控制所述反馈采样电路的第一反馈控制信号和第二反馈控制信号；所述输入采样电路包括依次串联的第一输入采样开关和第二输入采样开关以及依次串联的第三输入采样开关与第四输入采样开关，该第二输入采样开关的输出端连接在所述积分器的反相输入端，第四输入采样开关的输出端连接在所述积分器的同相输入端，且所述第一输入采样开关的输出端与第三输入采样开关的输入端之间连接有第五输入采样开关，该第一输入采样开关的输入端与第三输入采样开关的输出端之间连接有第七输入采样开关，所述第一输入采样开关和第三输入采样开关的输出端还分别通过第六输入采样开关和第八输入采样开关接地；所述反馈采样电路包括依次串联的第一反馈采样开关和第二反馈采样开关以及依次串联的第三反馈采样开关和第四反馈采样开关，该第二反馈采样开关的输出端连接在所述积分器的同相输入端，第四反馈采样开关的输出端连接在所述积分器的反相输入端，且所述第一反馈采样开关的输出端和第三反馈采样开关输入端之间连接有第五反馈采样开关，该第一反馈采样开关的输入端和第三反馈采样开关输出端之间连接有第七反馈采样开关，所述第二反馈采样开关的输入端和第四反馈采样开关输出端之间连接有第六反馈采样开关，该第二反馈采样开关的输出端和第四反馈采样开关输入端之间连接有第八反馈采样开关。
2. 根据权利要求1所述的积分型模数转换器，其特征在于，所述第二、第四、第五、第七 输入采样开关以及第一、第三反馈采样开关接收所述第一输入控制信号，所述第一、第三、 第六、第八输入采样开关以及第五、第七反馈采样开关接收所述第二输入控制信号，所述第 六、第八反馈采样开关接收所述第一反馈控制信号，所述第二、第四反馈采样开关接收所述 第二反馈控制信号。
3. 根据权利要求1所述的积分型模数转换器，其特征在于，所述的第一输入采样开关 和第二输入采样开关之间串联第一输入电容，所述第三输入采样开关和第四输入采样开关 之间串联第二输入电容，所述第一反馈采样开关和第二反馈采样开关之间串联第一反馈电 容，所述第三反馈采样开关和第四反馈采样开关之间串联第二反馈电容。
4. 一种积分型模数转换器的采样控制方法，其特征在于，所述的采样控制方法包括下 列步骤，步骤一，在前半个采样周期内，控制采样正、负电压输入信号和正、负反馈基准电压信号；步骤二，在后半个采样周期内，控制采样正、负反馈基准电压信号。
5. 根据权利要求4所述的积分型模数转换器的采样控制方法，其特征在于，所述步骤 一和步骤二通过逻辑控制电路、若干个输入采样开关和若干个反馈采样开关实现。
全文摘要
本发明涉及一种积分型模数转换器及其采样控制方法，所述转换器包括依次连接的积分器、比较器和降采样滤波器，还包括一逻辑控制电路、一输入采样电路和一反馈采样电路，所述逻辑控制电路的输入端一方面与所述比较器的输出端连接，另一方面通过一非门与所述比较器的输出端连接，并接收外部输入的第一输入控制信号和第二输入控制信号，输出用于控制所述反馈采样电路的第一反馈控制信号和第二反馈控制信号。本发明通过增设逻辑控制电路以控制各采样开关在一个采样周期内交替开闭，从而降低了输入信号与反馈信号的采样速率比，并最终使得过载导致的信噪比有效下降，改善了现有技术中缩小输入电容与反馈电容比例的方法所存在的缺陷。
文档编号H03M1/52GK101741387SQ20091026111
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者周志浩 申请人:上海贝岭股份有限公司