专利名称：一种模数转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模数转换电路，具体涉及一种利用三角函数周期性进行变换的模 数转换电路。
背景技术：
模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，是模拟的现实世界与数字的智能世界 的桥梁，是通信、自动控制、电子测量等系统的基础。现有积分型、逐次逼近型、并行比较型/ 串并行型、Σ -Δ调制型、电容数组逐次比较型及压频变换型等方法。其中，积分型、Σ -Δ 调制型、压频变换型等转换速度慢；逐次逼近型(比较型)转换速度快，但依赖于数字电路 时钟，而转换速度很快的并行比较型需要(N为AD转换位数)单元电路。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种模数转 换电路，该电路利用余弦函数的周期性实现模数转换，提高转换速度。为了解决上述技术问题，本发明公开了一种模数转换电路，包括放大器、第一加法 电路、余弦函数电路、N-I个乘法减法组合电路、N个整形电路，N为自然数；输入信号ν经过放大电路和加法电路后映射到[-IV，IV]范围内的信号X，之后输 入所述余弦函数输出信号COS Θ，θ在
范围内，与X呈线性关系，N-I个乘法减法组 合电路对信号cose进行乘法处理和加法处理后形成一组cos2n θ信号，其中η=1，2，...， N-I，各信号cos2n θ输入阈值为OV的对应的整形电路，比较整形后形成数字信号bn，另一 路输出信号cos θ输入阈值为OV的整形电路，比较整形后形成数字信号Iv，从而形成一组 数字信号 其中 i = 0,1,2, ... ,N-I0本发明中，所述第一加法电路的一路输入信号为经过放大器放大的输入信号V，另 一路输入信号为Δ ν。本发明中，所述余弦函数电路模拟乘法器1、模拟乘法器2、模拟乘法器3以及第二 加法电路；其中输入信号χ输入到模拟乘法器1的两输入端，输出为信号X2，模拟乘法器2的 输入信号为输入信号X和信号X2，输出为信号X3，模拟乘法器3的输入信号为模拟乘法器1 的输出信号X2和模拟乘法器2的输出信号X3，输出为信号X5，信号X、信号X3及信号X5输入 到加法电路中产生输入信号的余弦函数信号cos θ ；所述输入信号χ为第一加法电路的输出信号。本发明中，所述N-I个乘法减法组合电路包括乘法减法组合电路1、乘法减法组合 电路2···乘法减法组合电路η ；每个乘法减法组合电路包括一个乘法器和一个减法器，两路输入信号经过乘法 器后输入减法器，减法器的另一路输入为信号IV，输出为所述C0S2n Θ信号，其中η = 1， 2，…，N-I ；
所述乘法减法组合电路1的输入信号为两路余弦函数信号cos θ ；乘法减法组合电路2的两路输入信号为乘法减法组合电路1的输出信号；乘法减法组合电路η的两路输入信号为乘法减法组合电路η-1的输出信号；乘法减法组合电路1对应输出到整形电路2，乘法减法组合电路2对应输出到整形 电路3...乘法减法组合电路η对应输出到整形电路η+1。本发明中，包括一个编码电路，N个整形电路输出的信号k 信号bN_i输入到编码 器，根据信号k Iv1与输入信号大小对应关系，变换到编码电路输出信号Dtl 信号DN_lt)有益效果本发明电路首先产生与输入信号相对应的余弦变换cos θ，再利用模 拟乘法器和加法电路根据余弦函数公式实现cos2n θ (其中η = 1，2，...，Ν-1，Ν为模数转 换的最高位数)，对每个η的cos2n θ信号通过阈值为0的比较器整形为数字信号，最后根据 余弦函数的周期性编码产生输入信号的模数转换结果。除了输入信号前端可以根据需要设 置的采样保持电路外，本发明的模数转换电路不需要数字时钟信号，减少了数字信号对模 数转换的干扰，提高转换速度，所需要的单元电路数等于AD转换位数，易于集成电路实现。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和 /或其他方面的优点将会变得更加清楚。图Ia为本发明以最高幂次为5的多项式组合电路实现的余弦函数电路示意图。图Ib为本发明利用三角函数电路实现的模数转换器示意图。图2a为以4位为例说明本发明电路工作原理中输入电压信号ν与角度θ的映射 关系图。图2b 图2i为本发明中不同输入电压信号ν下的COdi θ及b”
具体实施例方式本发明将一定范围内的输入信号线性地映射到0 π范围内的角度，再得到对应 角度的余弦变换输出信号，这个完整变换可以用多项式展开拟合。设输入信号ν的范围为 [V1, V2]，将它映射为角度的变换为
这个角度的余弦变换用多项式展开拟合为其中，N为多项式最高幂次，它越大则拟合精度越高，但对应的电路越复杂。a。k为 余弦拟合多项式中第k次幂的系数。在电路中，运用模拟乘法器可以实现信号的二次方，多次应用模拟乘法器则能实 现信号的高次方。对这样产生的信号各次幂，使用加法电路对它们进行线性组合，可以完成 式⑵的多项式，即产生输入信号的余弦变换，如图1(a)所示。两倍角余弦公式为cos2 θ = (cos θ )2-1(3)
反复利用公式(3)可以得到cos2n θ。同样，公式(3)的实现只需要模拟乘法器和 加法电路，如图Ib所示。余弦函数cos θ的周期为2 π，cos2n θ的周期为2 π /2n。cos θ的过零点为θ = ^/2,cos2n6 的过零点为(2j+l) π/2η+1(其中 j =0，1，2，··.，2η-1)。对上述各Codi θ信号(其中，i = 0，1，2，. . .，N-l，N为模数转换的最高位数) 使用阈值为0的比较器整形为数字信号，再根据余弦函数的周期性，如图2所示，进行编码， 就能得到输入信号的模数转换结果，如图Ib所示。对于电压χ在[-IV，IV]范围内的输入信号，式⑵可以写成y = cos θ = w1x+w3x3+w5x5(4)其中，wi、w3、w5是加权系数，W1 = -1.5704，W3 = 0.6428，W5 = -0.0724。这里仅以 最高幂次5的情况为例说明本发明。如果需要提高电路精度，可以取更高幂次的拟合多项 式。式(4)的实现电路如图Ia所示。其中输入信号x输入到模拟乘法器1的两输入 端，输出X2信号；模拟乘法器2的输入信号为χ和模拟乘法器1的输出信号X2，输出X3信 号；模拟乘法器3的输入信号为模拟乘法器1的输出信号X2和模拟乘法器2的输出信号χ3， 输出χ5信号。信号x、x3及χ5输入到加法电路中根据式⑷产生输入信号的余弦函数信号
COS θ 0图Ib是利用图Ia的余弦函数电路实现的模数转换电路。输入信号ν经过放大器 A和加法电路映射[-IV，IV]范围内，满足式(4)对输入信号的要求，放大电路和第一路加法 电路(Δν)将任意范围[νι，ν2]的输入信号ν线性地变换到[_1V，1V]范围的χ，放大电路的 放大倍数和Δ ν根据力和 值确定，[-IV，IV]范围内的χ对应
中的θ。。余弦电 路采用图Ia的方案，输出信号cos θ。然后根据式(3)，反复使用模拟乘法器和加法电路产 生各COS2n9 (1!=1，2，...力-1)。信号(3080输入到第1个模拟乘法器的两输入端，产生信 号cos2 θ，它输入到第1个减法电路，减去1后产生输出信号cos2 θ。信号C0S2 θ输入到 第2个模拟乘法器的两输入端，产生信号cos22 θ，它输入到第2个减法电路，减去1后产生 输出信号cos4 0。依次类推，产生各cos2ne信号(n = 1，2，...，N-1)。各信号Codi θ (i =0,1,..., N-l)输入阈值为OV的整形电路，整形成数字信号b“i =0,1,2,..., N-l)输 出，如图2所示。数字信号、(1 =0，1，2，...，N-1)再输入到编码电路，它根据图2中余弦 信号的周期性对所有h进行编码，最后产生反映输入信号大小的输出数字信号Dtl DN_lt)数字信号、(1 = 0,1,2,... ,N-1)本身能反映输入信号的大小，如果本AD转换电 路的输出送给CPU处理，可以省略编码电路，由CPU根据信号bi (i = 0，1，2，. . . ,N-1)获得 输入信号的大小信息。图2a表示余弦函数电路输入χ的范围为[-IV，IV]，代表
范围内的余弦函 数中的角度θ。以 ν = 4 为例。图 2b、2d、2f、2h 为电路中 cos θ、C0S2 θ、C0S4 θ 和 C0S8 θ 信号 大小与θ的关系。对COS θ、COS2 θ、COS4 θ和C0S8 θ信号用阀值为0的比较器进行整 形，分别变为数字信号K、bp b2和b3、得到对应的图2c、2e、2g、2i，表示余弦函数电路输入 信号χ与K、bp b2和b3的对应关系见表1 :表1
权利要求
1. 一种模数转换电路，其特征在于，包括放大器、第一加法电路、余弦函数电路、N-I个 乘法减法组合电路、N个整形电路，N为自然数；输入信号ν经过放大电路和加法电路后映射到[-IV，IV]范围内的信号X，之后输入所 述余弦函数输出信号cos θ，θ在
范围内，与χ呈线性关系，N-I个乘法减法组合 电路对信号cose进行乘法处理和加法处理后形成一组cos2n θ信号，其中η = 1，2，...， N-I，各信号Cos2ne输入阈值为OV的对应的整形电路，比较整形后形成数字信号bn，另一 路输出信号cos θ输入阈值为OV的整形电路，比较整形后形成数字信号Iv，从而形成一组 数字信号 其中 i = 0,1,2, ... ,N-I。
2.根据权利要求1所述的一种模数转换电路，其特征在于，所述第一加法电路的一路 输入信号为经过放大器放大的输入信号v，另一路输入信号为Δ ν。
3.根据权利要求1所述的一种模数转换电路，其特征在于，所述余弦函数电路模拟乘 法器1、模拟乘法器2、模拟乘法器3以及第二加法电路；其中输入信号χ输入到模拟乘法器1的两输入端，输出为信号X2，模拟乘法器2的输入 信号为输入信号X和信号X2，输出为信号X3，模拟乘法器3的输入信号为模拟乘法器1的输 出信号χ2和模拟乘法器2的输出信号χ3，输出为信号χ5，信号χ、信号χ3及信号χ5输入到加 法电路中产生输入信号的余弦函数信号cos θ ；所述输入信号χ为第一加法电路的输出信号。
4.根据权利要求1所述的一种模数转换电路，其特征在于，所述N-I个乘法减法组合电 路包括乘法减法组合电路1、乘法减法组合电路2…乘法减法组合电路η ；每个乘法减法组合电路包括一个乘法器和一个减法器，两路输入信号经过乘法器后输 入减法器，减法器的另一路输入为信号IV，输出为所述COS2n0信号，其中n= 1,2,...， N-I ；所述乘法减法组合电路1的输入信号为两路余弦函数信号cos θ ；乘法减法组合电路2的两路输入信号为乘法减法组合电路1的输出信号；乘法减法组合电路η的两路输入信号为乘法减法组合电路η-1的输出信号；乘法减法组合电路1对应输出到整形电路2，乘法减法组合电路2对应输出到整形电路 3...乘法减法组合电路η对应输出到整形电路η+1。
5.根据权利要求1所述的一种模数转换电路，其特征在于，包括一个编码电路，N个整 形电路输出的信号k 信号Iv1输入到编码器，根据信号k Iv1与输入信号大小对应关 系，变换到编码电路输出信号Dtl 信号DN_lt)
全文摘要
本发明公开了一种模数转换电路，它利用余弦函数电路将输入模拟信号变换成代表其大小的数字信号。输入信号首先线性地映射到0～π中某一角度θ，再通过余弦函数电路变换成该角度的余弦函数值。随后利用电路实现cos2nθ，其中n＝1，2，...，N-1，N为模数转换的最高位数。上述各倍角余弦值由模拟乘法器和加法电路根据公式cos2nθ＝(cos2n-1θ)2-1实现。对这些余弦函数信号通过阈值为0的整形电路整形成数字量。最后根据余弦函数的周期性对这些数字量进行编码得到输入信号的模数转换结果。
文档编号H03M1/64GK102006076SQ20101060398
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者方晖, 李大相 申请人:南京大学