具多阶范围的模拟数字转换器及转换方法与放大电路与流程

本发明涉及一种具多阶转换范围的模拟数字转换器、放大电路及相关模拟数字转换方法，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

背景技术：

模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter，adc)广泛地应用于微控制器领域，然而在使用与设计的过程中，申请人注意到以下两个主要的问题。

第一，当输入来源信号的最大电压电平大于模拟数字转换器的最大允许输入电压电平时，须先对输入来源信号做衰减，才可将衰减后的输入来源信号输入到模拟数字转换器。然而，当上述设计应用在低电压电平的输入来源信号时(例如，电压电平为0～1伏特的小信号)，小信号的数字输出信号的量化误差(quantizationerror)将大于未预做衰减的转换量化误差，如此导致准确率降低。

第二，在特定应用领域中，对低电平范围的小信号的准确率要求较高，然而适用于高电平范围的模拟数字转换器难以确保低电平范围的量化误差。尤其是当采用均匀量化误差设计时，输入来源信号的电压电平越小，则量化误差越大，如此牺牲了小信号的准确率。

因此，实有必要提供一种模拟数字转换器，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的即在于提供一种具多阶转换范围的模拟数字转换器、放大电路及相关模拟数字转换方法，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

本发明公开一种放大电路，用于一多阶模拟数字转换电路，包含一第一比较器、一第一运算放大器、一第一开关、一或非门、一第二运算放大器、一第二开关、一第二比较器、一第三运算放大器、一第三开关。该第一比较器用来根据一第一阈值电压以及一模拟输入信号，输出一第一控制信号。该第一运算放大器用来根据一第一放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第一放大模拟输入信号。该第一开关耦接于该第一比较器以及该第一运算放大器，用来根据该第一控制信号，控制是否输出该第一放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上小于该第一阈值电压时，该第一开关控制输出该第一放大模拟输入信号。该或非门用来根据该第一控制信号以及一第三控制信号，产生一第二控制信号。该第二运算放大器用来根据一第二放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第二放大模拟输入信号。该第二开关耦接于该或非门以及该第二运算放大器，用来根据该第二控制信号，控制是否输出该第二放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第一阈值电压且小于一第二阈值电压时，该第二开关控制输出该第二放大模拟输入信号。该第二比较器，用来根据该第二阈值电压以及该模拟输入信号，输出该第三控制信号。该第三运算放大器用来根据一第三放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第三放大模拟输入信号。该第三开关耦接于该第二比较器以及该第三运算放大器，用来根据该第三控制信号，控制是否输出该第三放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第二阈值电压时，该第三开关控制输出该第三放大模拟输入信号。

本发明另公开一种多阶模拟数字转换电路，包含上述公开的该放大电路以及一微控制器。该微控制器耦接于该放大电路，用来对该第一放大模拟输入信号、该第二放大模拟输入信号及该第三放大模拟输入信号中的一个，进行模拟数字转换，以产生一放大数字码，以及根据该放大数字码、该第一控制信号对应的该第一放大倍率、该第二控制信号对应的该第二放大倍率及该第三控制信号对应的该第三放大倍率中的一个，产生一数字输出码。

本发明另公开一种模拟数字转换的方法，用于一多阶模拟数字转换电路，包含根据多个控制信号，判断一放大倍率；根据该放大倍率，放大一模拟输入信号，以产生一放大模拟输入信号；对该放大模拟输入信号，进行模拟数字转换，以产生一放大数字码；以及根据该放大倍率的倒数及该放大数字码，产生一输出数字码。

本发明将模拟输入电压的电压电平分成多个范围，针对不同范围对应的放大倍率，分别进行信号放大或衰减(例如，放大低电压电平信号，以及衰减高电压电平信号)。如此一来，本发明的多阶模拟数字转换电路可适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

附图说明

图1为一模拟数字转换器的功能方块图。

图2为0～1伏模拟输入信号的解析度及量化误差的曲线图。

图3为0～5伏模拟输入信号的转换曲线及量化误差曲线。

图4为本发明实施例一模拟数字转换电路的功能方块图。

图5为图4的模拟数字转换电路的解析度及量化误差的曲线图。

图6为本发明实施例一模拟数字转换流程的流程图。

【符号说明】

1模拟数字转换器

11采样与保持单元

12n位数字模拟转换器

13逻辑控制电路

14n位寄存器

v_samp采样信号

v_da模拟参考电压

rst比较结果

d_bit位数值

d_out数字输出信号

4多阶模拟数字转换电路

40放大电路

41或非门

42微控制器

com1、com2比较器

op_amp1、op_amp2、运算放大器op_amp3

sw1、sw2、sw3开关

v_in、v_in_amp1、模拟输入信号v_in_amp2、v_in_amp3

gpio1、gpio2、gpio3控制信号

av1、av2、av3放大倍率

v-_th1、v-_th2阈值电压

v_max最大电压

rng1、rng2、rng3电压电平范围

6流程

61、62、63、64步骤

具体实施方式

图1为一模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter，adc)1的功能方块图。模拟数字转换器1用来将一模拟输入信号v_in转换为一数字输出信号d_out，其包含一比较器10、一采样与保持单元11、一n位数字模拟转换器(digital-to-analogconverter，dac)12、一逻辑控制电路13以及一n位寄存器14。

采样与保持单元11耦接于比较器10，用来对模拟输入信号v_in进行采样，以产生一采样信号v_samp至比较器10。比较器10耦接于采样与保持单元11、数字模拟转换器12以及逻辑控制电路13，包含一正输入端、一负输入端以及一输出端，用来比较采样电压v_samp及一模拟参考电压v_da，以产生一比较结果rst至逻辑控制电路13。逻辑控制电路13耦接于比较器10及寄存器14，用来根据比较结果rst，产生一位数值d_bit至寄存器14。寄存器14耦接于数字模拟转换器12及逻辑控制电路13，用来根据位数值d_bit，产生数字输出信号d_out至数字模拟转换器12，以及输出数字输出信号d_out。数字模拟转换器12耦接于比较器10以及寄存器14，用来根据一参考电压v_ref，将数字输出信号d_out转换为模拟参考电压v_da，以输出至比较器10的负输入端。

假设模拟输入信号v_in是电压电平为0～1伏特的模拟小信号，且模拟数字转换器1的转换位数为八位(即，n＝8bits)。在操作上，比较器10可比较采样信号v_samp及模拟参考电压v_da，当采样信号v_samp大于模拟参考电压v_da时，则比较结果rst为高电压电平，故逻辑控制电路13产生的位数值d_bit为逻辑“1”；反之，当采样信号v_samp小于模拟参考电压v_da时，则比较结果rst为低电压电平，故逻辑控制电路13产生的位数值d_bit为逻辑“0”。

接着，寄存器14可暂存位数值d_bit并将之输出至数字模拟转换器12，让数字模拟转换器12将位数值d_bit转换为离散的(discrete)模拟参考电压v_da，以进行下一个位转换循环(cycle)。以此类推，当模拟数字转换器1完成n位转换循环，则寄存器14可平行输出n位的数字输出信号d_out，藉此得到模拟输入信号v_in对应的数字输出码。

图2为0～1伏模拟输入信号的解析度及量化误差的曲线图，图3为0～5伏模拟输入信号的转换曲线及量化误差曲线；其中实际输入电压(例如模拟输入信号v_in)以粗实线表示，理想转换电压(例如模拟参考电压v_da)以细实线表示。假设转换位数n为八位，则可转换256(2⁸)个数字码。理想上，模拟数字转换器1将参考电压v_ref均匀分为256阶，故每一阶的电压电平范围皆相等，其中每一阶的解析度为一个最低有效位(leastsignificantbit，lsb)，且平均量化误差为0.5个最低有效位。

表格1为电压电平为0～1伏及0～5伏的模拟输入信号的解析度及平均量化误差。由表格1可知，模拟输入信号的电压电平与平均量化误差呈正比例关系。当模拟输入信号的电压电平越高，则平均量化误差越高；反之，当模拟输入信号的电压电平越低，则平均量化误差越低。

进一步地，误差率为平均量化误差与输入电压的比值。在图2中，若模拟输入信号的电压电平为较低的20毫伏，则误差率为9.75％(1.95毫伏/20毫伏＝9.75％)；此外，若模拟输入信号的电压电平为较高的950毫伏，则误差率约为0.205％(1.95毫伏/950毫伏＝0.205％)。由此可见，模拟输入信号的电压电平与误差率呈反比例关系。当模拟输入信号的电压电平越低，则误差率越高；反之，当模拟输入信号的电压电平越高，则误差率越低。

当模拟输入信号的电压电平大于模拟数字转换器的转换范围时，须先对模拟输入信号做信号衰减之后，才可输入至模拟数字转换器。在此情况下，由于模拟输入信号的电压电平减小，如此导致模拟输入信号的误差率被放大。举例来说，假设模拟输入信号v_in的电压电平为0～5伏，且模拟数字转换器1的转换范围为0～1伏，则须先将模拟输入信号衰减1/5倍，才可将衰减后的模拟输入信号输入至模拟数字转换器1。在此情况下，当模拟输入信号的电压电平降为1/5倍时，则误差率被放大5倍。再者，若模拟输入信号遭受噪声干扰，导致电压电平在0～1伏的模拟信号波形失真，则难以符合高准确率(即，低误差率)的应用需求。

图4为本发明实施例一多阶模拟数字转换电路4的示意图。多阶模拟数字转换电路4包含一放大电路40以及一微控制器42。在本实施例中，微控制器42内建有模拟数字转换器1，以对模拟输入信号v_in进行模拟数字转换，以产生一数字输出信号d_out。

放大电路40耦接于微控制器42，用来根据不同的电压电平范围及对应放大倍率，对模拟输入信号v_in进行信号放大(或衰减)以及产生控制信号gpio1、gpio2及gpio3，以输出放大后的模拟输入信号v_in及控制信号gpio1、gpio2及gpio3至微控制器42。微控制器42可对放大(或衰减)后的模拟输入信号v_in进行模拟数字转换，再根据控制信号gpio1、gpio2及gpio3，还原模拟输入信号v_in，以产生对应的数字码。放大电路40包含运算放大器op_amp1、op_amp2及op_amp3、比较器com1及com2、开关sw1、sw2及sw3以及一或非门(norgate)41。

比较器com1包含一正输入端、一负输入端以及一输出端，正输入端用来接收一阈值电压v-_th1，负输入端用来接收一模拟输入信号v_in，输出端用来输出控制信号gpio1。比较器com1耦接于开关sw1，用来比较模拟输入信号v_in及阈值电压v-_th1，以输出控制信号gpio1至开关sw1。运算放大器op_amp1用来根据一放大倍率av1，放大模拟输入信号v_in，以产生一模拟输入信号v_in_amp1，其中放大倍率为av1实质上大于1。开关sw1耦接于比较器com1、运算放大器op_amp1及微控制器42，用来根据控制信号gpio1，连接或断开运算放大器op_amp1与微控制器42的连结，以控制是否将模拟输入信号v_in_amp1输入至微控制器42。

或非门41包含一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，第一输入端用来接收控制信号gpio1，第二输入端用来接收控制信号gpio3，输出端用来输出控制信号gpio2。或非门41耦接于开关sw2，用来根据控制信号gpio1及gpio3，输出控制信号gpio2至开关sw2。运算放大器op_amp2用来根据一放大倍率av2，放大模拟输入信号v_in，以产生一模拟输入信号v_in_amp2，其中放大倍率为av2实质上等于1。开关sw2耦接于或非门41、运算放大器op_amp2及微控制器42，用来根据控制信号gpio2，连接或断开运算放大器op_amp2与微控制器42的连结，以控制是否将模拟输入信号v_in_amp2输入至微控制器42。

比较器com3包含一正输入端、一负输入端以及一输出端，正输入端用来接收模拟输入信号v_in，负输入端用来接收一阈值电压v-_th2，输出端用来输出控制信号gpio3。比较器com3耦接于开关sw3，用来比较模拟输入信号v_in及阈值电压v-_th2，以输出控制信号gpio3至开关sw3。运算放大器op_amp3用来根据一放大倍率av3，放大模拟输入信号v_in，以产生一模拟输入信号v_in_amp3，其中放大倍率为av3实质上小于1。开关sw3接于比较器com3、运算放大器op_amp3及微控制器42，用来根据控制信号gpio3，连接或断开运算放大器op_amp3与微控制器42的连结，以控制是否将模拟输入信号v_in_amp3输入至微控制器42。

在上述架构下，本发明可将模拟输入电压的电压电平范围分成多个阶段，针对不同阶段对应的放大倍率，分别进行信号放大或衰减，以适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

详细来说，当模拟输入信号v_in的电压电平实质上小于阈值电压v-_th1时(v_in<v_th1)，运算放大器op_amp1将模拟输入信号v_in放大(放大倍率av1>1)以产生模拟输入信号v_in_amp1，且比较器com1产生的控制信号gpio1为逻辑“1”。当控制信号gpio1为逻辑“1”时，则开关sw1连接运算放大器op_amp1与微控制器42的连结，以将模拟输入信号v_in_amp1输入至微控制器42；而微控制器42可先对模拟输入信号v_in_amp1进行模拟数字转换，再根据放大倍率av1的倒数(1/av1)，将模拟输入信号v_in_amp1对应的数字码还原为模拟输入信号v_in对应的数字码。另一方面，当模拟输入信号v_in的电压电平实质上大于阈值电压v-_th1时(v_in>v_th1)，比较器com1产生的控制信号gpio1为逻辑“0”。当控制信号gpio1为逻辑“0”时，则开关sw1断开运算放大器op_amp1与微控制器42的连结，不将模拟输入信号v_in_amp1输入至微控制器42，故微控制器42无法对模拟输入信号v_in_amp1进行模拟数字转换。

当模拟输入信号v_in的电压电平实质上大于阈值电压v-_th2时(v_in>v_th2)，运算放大器op_amp3衰减模拟输入信号v_in(放大倍率av3<1)以产生模拟输入信号v_in_amp3，且比较器com2产生的控制信号gpio3为逻辑“1”。当控制信号gpio3为逻辑“1”时，则开关sw3连接运算放大器op_amp3与微控制器42的连结，以将模拟输入信号v_in_amp3输入至微控制器42；微控制器42可先对模拟输入信号v_in_amp3进行模拟数字转换，再根据放大倍率av3的倒数(1/av3)，将模拟输入信号v_in_amp3对应的数字码还原为模拟输入信号v_in对应的数字码。另一方面，当模拟输入信号v_in的电压电平实质上小于阈值电压v-_th2时(v_in<v_th2)，比较器com2产生的控制信号gpio3为逻辑“0”。当控制信号gpio3为逻辑“0”时，则开关sw3断开运算放大器op_amp3与微控制器42的连结，不将模拟输入信号v_in_amp3输入至微控制器42，故微控制器42无法对模拟输入信号v_in_amp3进行模拟数字转换。

当模拟输入信号v_in的电压电平实质上大于阈值电压v-_th1且小于阈值电压v-_th2时(v_th1<v_in<v_th2)，运算放大器op_amp2维持模拟输入信号v_in(放大倍率av2＝1)以产生模拟输入信号v_in_amp2，且或非门41产生的控制信号gpio2为逻辑“1”，其中控制信号gpio1及gpio3皆为逻辑“0”。当控制信号gpio2为逻辑“1”时，则开关sw2连接运算放大器op_amp2与微控制器42的连结，以将模拟输入信号v_in_amp2输入至微控制器42；微控制器42可先对模拟输入信号v_in_amp2进行模拟数字转换，再根据放大倍率av2的倒数(1/av2)，将模拟输入信号v_in_amp2对应的数字码还原为模拟输入信号v_in对应的数字码。反之，当控制信号gpio2为逻辑“0”时，则开关sw2断开运算放大器op_amp2与微控制器42的连结，不将模拟输入信号v_in_amp2输入至微控制器42，故微控制器42无法对模拟输入信号v_in_amp2进行模拟数字转换。

如此一来，本发明可将模拟输入电压v_in的电压电平范围分成多个阶段(例如，0～vth_1、v_th1～v_th2、v_th2～v_max等，其中v_max为最大电压)，针对不同阶段对应的放大倍率(例如，av1>1、av2＝1、av3<1等)，分别进行信号放大或衰减，以确保低电平范围的准确率与量化误差。

图5为的模拟数字转换电路40的解析度及量化误差的曲线图；其中实际输入电压(例如模拟输入信号v_in)以粗实线表示，理想转换电压以细实线表示。在本实施例中，假设模拟输入信号v_in的电压电平为0～5伏，且微控制器42内建的模拟数字转换器的转换范围为0～1.2伏，但不限于此。假设阈值电压v_th1实质上为0.5伏，阈值电压v_th2实质上为1伏，但不限于此。放大倍率av1对应一电压电平范围rng1(例如，0～0.5伏)，放大倍率av2对应一电压电平范围rng2(例如，0.5～1伏)，且放大倍率av3对应一电压电平范围rng3(例如，1～5伏)，但不限于此。

以8位模拟数字转换为例，表格2为电压电平为0～5伏的模拟输入信号对应的电压电平范围/数字输出范围(十六进位)、解析度及平均量化误差。

比较表格1及表格2可知，电压电平范围0～0.5伏的平均量化误差由1.953毫伏下降至976.6微伏，电压电平范围0.5～1伏的平均量化误差维持1.953毫伏，且电压电平范围1～5伏的平均量化误差维持9.765毫伏，如此可改善低电平范围的平均量化误差率。此外，误差率为平均量化误差与输入电压的比值，在平均量化误差下降的情况下，可降低误差率，如此等效地提高准确率。如此一来，本发明的模拟数字转换电路40可适用高电平范围的模拟输入信号，也可确保低电平范围的准确率与量化误差。

关于模拟数字转换电路40的操作方式可归纳为一模拟数字转换流程6，如图6所示。模拟数字转换流程6可编译为一程序代码，存储于微控制器42或其内建存储器，用来指示微控制器42对模拟输入信号进行模拟数字转换及放大(衰减)还原，以产生对应的数字码，其中模拟数字转换流程6包含以下步骤。

步骤61：根据多个控制信号，判断一放大倍率。

步骤62：根据该放大倍率，放大一模拟输入信号，以产生一放大模拟输入信号。

步骤63：对该放大模拟输入信号，进行模拟数字转换，以产生一放大数字码。

步骤64：根据该放大倍率的倒数及该放大数字码，产生一输出数字码。

关于模拟数字转换流程6的详细操作方式，可参考模拟数字转换电路40的相关描述，在此不赘述。

综上所述，本发明将模拟输入电压的电压电平范围分成多个阶段，针对不同阶段对应的放大倍率，分别进行信号放大或衰减以进行模拟数字转换，再根据放大倍率以计算实际的数字码。如此一来，本发明的模拟数字转换电路可适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。