一种基于误码检测的模数转换器及其数字校正、参数辨识方法与流程

本发明涉及数模转换领域，尤其涉及一种基于误码检测的模数转换器及其数字校正、参数辨识方法。

背景技术：

模数转换器能够将自然界中的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，是信息技术产业中的一个关键模块，同时也是集成电路设计领域的一个重要方向。随着现代无线通信技术的发展，模数转换器正朝着高精度，高速度和低功耗的方向发展。

在集成电路工艺中，能够实现精确制造的电容大小通常都是整数型的，分数型的电容大小在制造的过程中会引入一定的电容失配，工艺失配和寄生电容会造成逐次逼近型模数转换器的积分非线性和微分非线性误差，从而大大降低逐次逼近型模数转换器的实际精度。

模数转换电路是制约系统精度和速度的关键模块。电荷重分配型数模转换电路具有低功耗的优点，并充分受益于现代集成电路尺寸的日益缩小，因而成为了模数转换电路的典型结构。在电路与电子系统的故障辨识、系统剩余寿命估计，以及器件失效机理分析、根据系统实用中的可靠性特性以改进系统设计等环节中，仅知道故障部位(故障定位)是远远不够的，这时还需要知道故障状态，即需要对故障器件进行参数辨识以提供更多更具体的故障信息。一般而言，相比故障诊断，运行过程中参数的辨识要困难许多。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于误码检测的模数转换器及其数字校正、参数辨识方法，该基于误码检测的数字校正及参数辨识方法可弥补现有的模数转换器精度不准确且运行过程中不容易进行参数辨识的不足。

为实现上述目的，本发明的第一个目的在于提供一种基于误码检测的模数转换器，所述模数转换器包括：数字校正单元、模数转换单元、比较器、连续逼近式控制逻辑电路、采样电路以及电容数组，所述电容数组包括相互并联的a个切换电容及b个冗余电容。

进一步的，所述连续逼近式控制逻辑电路与所述比较器和模数转换单元电连接，所述连续逼近式控制逻辑电路用于根据所述比较器的输出结果来相应地解析出一数字位序列；所述模数转换单元的输出端连接所述采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接所述电容数组，所述电容数组连接所述数字校正单元的第一输入端，所述比较器的输出端连接所述数字校正单元的第二输入端，所述数字校正单元包括权重系数获取单元，所述权重系数获取单元包括搜索子单元和第一输出子单元，其中，

所述搜索子单元用于搜索权重系数，以使误差信号最小化，所述误差信号是基于所述校正后数字值和所述校正后数字值的近似值而生成的；所述搜索子单元将所述误差信号与搜索矢量相乘并求和，以此更新所述权重系数，所述搜索矢量用于搜索所述权重系数，所述搜索矢量是基于校正前数字值和对应的所述校正前数字值的近似值而生成的；

所述第一输出子单元用于输出校正后数字值，所述校正后数字值是通过将所述校正前数字值与对应的所述权重系数相乘后，并将它们求和而获得的。

进一步的，所述数字校正单元还包括偏移校正单元，所述偏移校正单元与所述第一输出子单元电连接，所述偏移校正单元用于对来自所述第一输出子单元的输出执行偏移校正。

进一步的，所述切换电容由开关控制的四路电容并联实现，所述四路电容的大小分别为0.5c，c，2c，4c，其中大小为0.5c的电容由两个大小为c的单位电容串联构成，所述大小为c的电容由单位电容构成，所述大小为2c，4c的电容分别由2个和4个大小为c单位电容并联构成。

本发明的第二个目的在于提供一种基于误码检测的模数转换器的数字校正、参数辨识方法，所述数字校正、参数辨识方法包括如下步骤：

步骤a1，第一次量化；

步骤a2，第二次量化；

步骤a3，修正权重，取平均值；

步骤a4，获取动特性实验曲线；

步骤a5，获取动特性仿真曲线；

步骤a6，确定初始值和适应度函数；

步骤a7，通过迭代获取参数辨识结果。

进一步的，所述数字校正、参数辨识方法的具体步骤包括：

步骤a1，获取编码解析后的模拟信号的输出，在经过所述采样电路采样保持后对所述输出进行第一次量化；

步骤a2，第一次量化结束后将所述采样电路复位，进行第二次量化，在进行第二次量化时将所述切换电容作为所述冗余电容，以原来的所述冗余电容取代所述切换电容参与量化；

步骤a3，根据两次量化结果以及所述切换电容的切换方向，对所述电容数组的权重系数进行修正，所述模数转换器的输出取两次量化的平均值；

步骤a4，对数字校正后的所述模数转换器进行动静特性试验，获得所述模数转换器的动特性试验曲线，所述动特性指所述模数转换器处于工作状态时的电压值、电流值等待测量；

步骤a5，建立所述模数转换器的集总参数模型，获得所述模数转换器的动特性仿真曲线；

步骤a6，确定所述集总参数模型中所述模数转换器各个待测量的初始值，所述待测量包括所述模数转换器的电压值、电流值在内，将所述初始值作为遗传算法参数辨识的初始值；计算获得所述动特性试验曲线与所述动特性仿真曲线之间的误差数值，再将所有误差数值求平方和，以所述平方和作为所述遗传算法参数辨识的适应度函数；

步骤a7，对所述适应度函数进行反复迭代，获得误差允许范围内的最优参数，将所述最优参数作为所述模数转换器的第一参数辨识结果。

进一步的，所述步骤a1中获取编码解析后的模拟信号的sh输出的过程包括如下步骤：

步骤b1，检测所述连续逼近式控制逻辑电路对于一模拟信号已完成的比较周期的个数，并以检测结果作为第一检测值；

步骤b2，根据所述比较器判断所述第一检测值是否等于a+b-1；

步骤b3，若所述第一检测值等于a+b-1，则根据第一编码法则依序解析出对应于所述模拟信号的第一数字输出序列；若所述第一检测值并不等于a+b-1，则进而判断所述第一检测值是否大于等于预设阈值；

步骤b4，若所述第一检测值小于所述预设阈值，则返回所述第一步重新检测；若所述第一检测值大于等于所述预设阈值，则调整所述第一编码法则，根据第二编码法则来依序解析出对应于所述模拟信号的第二数字输出序列。

进一步的，所述遗传算法参数辨识过程包括：对所述初始值的编码、选择操作、交叉操作、变异操作和计算适应度值。

进一步的，所述步骤a7中的第一参数辨识结果可通过参数辨识方程得到精确，具体操作包括：

步骤c1，根据所述模数转换器的电流信号和电压信号创建所述参数辨识方程，其中，所述参数辨识方程为基于最小二乘法的方程；

步骤c2，将所述第一参数辨识结果带入所述参数辨识方程中进行计算，得到第二参数辨识结果，其中，所述第二参数辨识结果比所述第一参数辨识结果的精确度更高。

进一步的，所述步骤c1中根据所述模数转换器的电流信号和电压信号创建所述参数辨识方程的过程包括：

根据所述模数转换器的直轴电流信号、交轴电流信号、直轴电压信号和交轴电压信号确定第一方程；

将所述第一方程乘以采样时间，得到第二方程；

将所述第二方程除以所述数模转换器的电感，得到第三方程；

将所述第三方程进行恒等变换，得到第四方程；

将所述第四方程作为所述基于最小二乘法的参数辨识方程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明随着校正次数的增加，每个单位电容的数字权重将收敛于其模拟权重，因此电容的失配误差被数字校正所消除。

第二，本发明采用遗传算法的参数辨识方法具有较强的抗干扰能力，鲁棒性强，在试验数据存在一定误差时，仍可以获得相对准确的第一参数辨识结果；此外，对于第一参数辨识结果应用基于最小二乘法的方程，可以使得辨识结果更加精确，同时解决了模数转换器在运行过程中参数辨识困难的问题。

第三，本发明根据检测连续逼近式控制逻辑电路所已顺利完成的比较周期的个数，而来动态地调整数字校正单元的编码法则，使得数字校正单元使用合适的编码法则，以产生出正确的数字输出序列；在不同的电压、温度偏移下，仍可具有正确的输出结果。

第四，本发明的参数识别方法能够仅通过获取电路的主输入输出信号完成被测对象的参数辨识，所需测试点少，不受电路封装和可测试节点数目的限制，工程上易于实施。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明一种基于误码检测的模数转换器的结构示意图；

图2为本发明一种基于误码检测的模数转换器中数字校正单元的结构示意图；

图3为本发明一种基于误码检测的模数转换器中电容数组的结构示意图；

图4为本发明一种基于误码检测的模数转换器的数字校正、参数辨识方法的流程示意图；

图5为本发明一种基于误码检测的模数转换器的数字校正、参数辨识方法中获取编码解析后的模拟信号的输出的流程示意图；

图6为本发明一种基于误码检测的模数转换器的数字校正、参数辨识方法中创建参数辨识方程的流程示意图；

图7为本发明一种基于误码检测的模数转换器中模数转换单元的结构示意图。

图中：1-数字校正单元、2-模数转换单元、3-比较器、4-连续逼近式控制逻辑电路、5-采样电路、6-电容数组、61-切换电容、62-冗余电容、11-权重系数获取单元、1101-搜索子单元、1102-第一输出子单元、12-偏移校正单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明的第一个目的在于提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：数字校正单元1、模数转换单元2、比较器3、连续逼近式控制逻辑电路4、采样电路5以及电容数组6，所述电容数组6包括相互并联的a个切换电容61及b个冗余电容62。

所述连续逼近式控制逻辑电路4与所述比较器3和模数转换单元2电连接，所述连续逼近式控制逻辑电路4用于根据所述比较器3的输出结果来相应地解析出一数字位序列；所述模数转换单元2的输出端连接所述采样电路5的输入端，所述采样电路5的输出端连接所述电容数组6，所述电容数组6连接所述数字校正单元1的第一输入端，所述比较器3的输出端连接所述数字校正单元1的第二输入端，所述数字校正单元1包括权重系数获取单元11，所述权重系数获取单元11包括搜索子单元1101和第一输出子单元1102，其中，

所述搜索子单元1101用于搜索权重系数，以使误差信号最小化，所述误差信号是基于所述校正后数字值和所述校正后数字值的近似值而生成的；所述搜索子单元1101将所述误差信号与搜索矢量相乘并求和，以此更新所述权重系数，所述搜索矢量是基于校正前数字值和对应的所述校正前数字值的近似值而生成的，所述搜索矢量用于搜索所述权重系数；

所述第一输出子单元1102用于输出校正后数字值，所述校正后数字值是通过将所述校正前数字值与对应的所述权重系数相乘后，并将它们求和而获得的。

所述数字校正单元1还包括偏移校正单元12，所述偏移校正单元12与所述第一输出子单元1102电连接，所述偏移校正单元12用于对来自所述第一输出子单元1102的输出执行偏移校正。

所述切换电容61由开关控制的四路电容并联实现，所述四路电容的大小分别为0.5c，c，2c，4c，其中大小为0.5c的电容由两个大小为c的单位电容串联构成，所述大小为c的电容由单位电容构成，所述大小为2c，4c的电容分别由2个和4个大小为c单位电容并联构成。

请参阅图4～6，本发明的第二个目的在于提供一种基于误码检测的模数转换器的数字校正、参数辨识方法，所述数字校正、参数辨识方法包括如下步骤：

步骤a1，第一次量化；

步骤a2，第二次量化；

步骤a3，修正权重，取平均值；

步骤a4，获取动特性实验曲线；

步骤a5，获取动特性仿真曲线；

步骤a6，确定初始值和适应度函数；

步骤a7，通过迭代获取参数辨识结果。

所述数字校正及参数辨识方法的具体步骤包括：

步骤a1，获取编码解析后的模拟信号的输出，在经过所述采样电路5采样保持后对所述输出进行第一次量化；

步骤a2，第一次量化结束后将所述采样电路5复位，进行第二次量化，在进行第二次量化时将所述切换电容61作为所述冗余电容62，以原来的所述冗余电容62取代所述切换电容61参与量化；

步骤a3，根据两次量化结果以及所述切换电容61的切换方向，对所述电容数组6的权重系数进行修正，所述模数转换器的输出取两次量化的平均值；

步骤a4，对数字校正后的所述模数转换器进行动静特性试验，获得所述模数转换器的动特性试验曲线，所述动特性指所述模数转换器处于工作状态时的电压值、电流值等待测量；

步骤a5，建立所述模数转换器的集总参数模型，获得所述模数转换器的动特性仿真曲线；

步骤a6，确定所述集总参数模型中所述模数转换器各个待测量的初始值，所述待测量包括所述模数转换器的电压值、电流值在内，将所述初始值作为遗传算法参数辨识的初始值；计算获得所述动特性试验曲线与所述动特性仿真曲线之间的误差数值，再将所有误差数值求平方和，以所述平方和作为所述遗传算法参数辨识的适应度函数；

步骤a7，对所述适应度函数进行反复迭代，获得误差允许范围内的最优参数，将所述最优参数作为所述模数转换器的第一参数辨识结果。

所述步骤a1中获取编码解析后的模拟信号的过程包括如下步骤：

步骤b1，检测所述连续逼近式控制逻辑电路4对于一模拟信号已完成的比较周期的个数，并以检测结果作为第一检测值；

步骤b2，根据所述比较器3判断所述第一检测值是否等于a+b-1；

步骤b3，若所述第一检测值等于a+b-1，则根据第一编码法则依序解析出对应于所述模拟信号的第一数字输出序列；若所述第一检测值并不等于a+b-1，则进而判断所述第一检测值是否大于等于预设阈值；

步骤b4，若所述第一检测值小于所述预设阈值，则返回所述第一步重新检测；若所述第一检测值大于等于所述预设阈值，则调整所述第一编码法则，根据第二编码法则来依序解析出对应于所述模拟信号的第二数字输出序列。

所述遗传算法参数辨识过程包括：对所述初始值的编码、选择操作、交叉操作、变异操作和计算适应度值。

所述步骤a7中的第一参数辨识结果可通过参数辨识方程得到精确，具体操作包括：

步骤c1，根据所述模数转换器的电流信号和电压信号创建所述参数辨识方程，其中，所述参数辨识方程为基于最小二乘法的方程；

步骤c2，将所述第一参数辨识结果带入所述参数辨识方程中进行计算，得到第二参数辨识结果，其中，所述第二参数辨识结果比所述第一参数辨识结果的精确度更高。

所述步骤c1根据所述模数转换器的电流信号和电压信号创建所述参数辨识方程的过程包括：

根据所述模数转换器的直轴电流信号、交轴电流信号、直轴电压信号和交轴电压信号确定第一方程；

将所述第一方程乘以采样时间，得到第二方程；

将所述第二方程除以所述数模转换器的电感，得到第三方程；

将所述第三方程进行恒等变换，得到第四方程；

将所述第四方程作为所述基于最小二乘法的参数辨识方程。

请参阅图7，此外，所述模数转化单元2包括：用于控制所述数模转化电路输出电压单调减小或增加的第一单调切换电路21和用于控制所述数模转化电路输出电压单调增加或减小的第二单调切换电路22；所述第一单调切换电路21单调减小的幅度与所述第二单调切换电路22单调增加的幅度相同，或者，所述第一单调切换电路21单调增加的幅度与所述第二单调切换电路22单调减小的幅度相同。

实际操作中，模数转换器的电压在运行过程中很容易处于不稳定的状态，本发明通过将数模转化电路设置为第一单调切换电路和第二单调切换电路，且第一单调切换电路和第二单调切换电路的变化幅度相同，这样第一单调切换电路和第二单调切换电路增加和减小的幅度相互抵消，实现了稳定共模电压的目的。

本发明的工作原理是：

第一，本发明随着校正次数的增加，每个单位电容的数字权重将收敛于其模拟权重，因此电容的失配误差被数字校正所消除。

第二，本发明采用遗传算法的参数辨识方法具有较强的抗干扰能力，鲁棒性强，在试验数据存在一定误差时，仍可以获得相对准确的参数辨识结果；此外，对于第一参数辨识结果应用基于最小二乘法的方程，可以使得辨识结果更加精确，同时解决了模数转换器在运行过程中参数辨识困难的问题。

第三，本发明根据检测连续逼近式控制逻辑电路所已顺利完成的比较周期的个数，而来动态地调整数字校正单元的编码法则，使得数字校正单元使用合适的编码法则，以产生出正确的第一数字输出序列；在不同的电压、温度偏移下，仍可具有正确的输出结果。

第四，本发明的参数识别方法能够仅通过获取电路的主输入输出信号完成被测对象的参数辨识，所需测试点少，不受电路封装和可测试节点数目的限制，工程上易于实施。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。