逐次逼近模数转换器及其校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模数转换技术，具体涉及一种逐次逼近模数转换器及其校准方法。
【背景技术】
[0002] 模数转换器（AnalogDigitalConverter，ADC)是一种将输入的模拟信号转换成 数字信号的电子元件，广泛用于各种MEMS传感器信号处理电路中。电荷再分配型的逐次逼 近型模数转换器（SuccessiveApproximationADC，SARADC)具有低功耗、小尺寸、结构简 单等特点，适于对采样速率要求不高的应用领域。
[0003] 但是由于电容失配的影响，电荷再分配型逐次逼近模数转换器的转换精度受到限 制，在不采用校准的情况下精度只能达到10~12比特，而且所需的电容面积很大，因为电 容越小则失配越严重，从而做出的转换器精度也越差。大的电容面积不仅导致制造成本增 加，而且严重降低转换速度。现有校准技术在校准过程中需要一个不断变化的模拟输入信 号Vin，且对输入信号Vin的幅度有一定要求，振幅太小或者太大都会导致校准失败，最终 导致SARADC不能正常工作。而在一般情况下，整个系统刚刚上电后，Vin是不确定的，其 幅度是无法预料的，必须等整个系统能提供一个稳定的Vin幅度后才能开始ADC的校准，这 不仅会增加系统复杂度、浪费时间、而且会增加系统风险。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提出了一种逐次逼近模数转换器，在系统上电后马上就可以开 始校准，节省了时间，而且校准过程不需要系统中其它模块的参与，降低了系统复杂度和风 险。
[0005] 第一方面，提供一种逐次逼近模数转换器，包括：
[0006] 校准数据源，用于在校准模式输出校准信号，所述校准信号为表征N位二进制数 的数字信号；
[0007] N位精度的开关电容数模转换电路，用于在校准模式输出表征所述二进制数与逐 次逼近信号差值的模拟信号，并在所述模拟信号中加入扰动信号；
[0008] 比较器，用于比较加入扰动信号的模拟信号与共模电平输出比较结果；
[0009] 控制电路，用于根据所述比较结果调整所述逐次逼近信号，并在比较结果符合预 定条件时输出当前逐次逼近信号作为原始数字信号；
[0010] 校准模块，用于在校准模式下以迭代方式调整输出权值直至校准误差小于预定阈 值，所述校准误差根据对应于不同的扰动信号的所述原始数字信号、当前输出权值以及扰 动f目号获得。
[0011] 优选地，所述校准数据源为计数器。
[0012] 优选地，所述校准数据源为伪随机数发生器。
[0013] 优选地，所述校准数据源为存储器。
[0014] 优选地，所述N位二进制数为14位二进制数，所述14位二进制数转换成十进制后 大于0小于16383。
[0015] 优选地，所述14位二进制数转换成十进制后大于1638小于14745。
[0016] 优选地，所述N位精度的开关电容数模转换电路包括：
[0017] N个电容，具有第一端和第二端，所述第一端连接到所述开关电容数模转换电路的 输出端；
[0018] N个开关，与所述电容--对应设置，每个所述开关与对应的电容的第二端连接， 使得电容的第二端在第一电平、第二电平和输入电平之间切换；
[0019] 扰动电容，具有第一端和第二端，所述第一端连接到所述开关电容数模转换电路 的输出端；
[0020] 扰动开关，与所述扰动电容的第二端连接，使得扰动电容的第二端在第一电平、第 二电平和共模电平之间切换；
[0021] 采样开关，连接在所述输出端和共模电平之间。
[0022] 优选地，在校准模式采样阶段，当所述校准信号的第i位为1时，第i选择开关连 接至所述第一电平，当所述校准信号的第i位为〇时，第i选择开关连接至所述第二电平， 其中，1 <i<N;所述采样开关闭合。
[0023] 优选地，在校准模式的逐步逼近阶段，所述采样开关断开，所述第一至第N开关根 据所述逐步逼近信号的控制闭合或断开。
[0024]优选地，第一电容的大小为cQ，第i电容的大小为l.se^c。，其中1彡i彡N，第N+1电容的大小为Q，扰动电容的大小为50C。。
[0025] 优选地，所述校准模块还用于在工作模式将所述原始数字信号加权后输出。
[0026] 优选地，所述校准模块包括：
[0027] 第一寄存器，用于寄存加入第一扰动信号的模拟信号对应的第一原始数字信号；
[0028] 第二寄存器，用于寄存加入第二扰动信号的模拟信号对应的第二原始数字信号；
[0029] 第一输出开关，连接在所述控制电路和所述第一寄存器之间，在所述N位精度的 开关电容数模转换电路加入第一扰动信号时闭合，加入第二扰动信号时断开；
[0030] 第二输出开关，连接在控制电路和所述第二寄存器之间，在所述N位精度的开关 电容数模转换电路加入第一扰动信号时断开，加入第二扰动信号时闭合；
[0031] 第一乘法器，用于根据当前输出权值对所述第一原始数字信号加权输出第一输出 信号；
[0032] 第二乘法器，用于根据当前输出权值对所述第二原始数字信号加权输出第二输出 信号；
[0033] 加法器，用于根据第一输出信号、第二输出信号和当前扰动信号计算校准误差；
[0034] 输出权值迭代模块，用于根据所述校准误差以迭代方式调整输出权值直至所述校 准误差小于预定阈值；
[0035] 第三寄存器，用于寄存所述当前输出权值。
[0036] 优选地，所述第一扰动信号和第二扰动信号幅值相同，极性相反；
[0037] 所述加法器根据如下公式计算所述校准误差：
[0038] error = d+-d_-2 A [n]
[0039] 其中，error为校准误差，d+为所述第一输出信号，d_为所述第二输出信号，A[n] 为当前扰动信号幅值。
[0040] 优选地，所述输出权值迭代模块根据如下公式以迭代方式调整输出权值：
[0041] A [n+1] = A [nj + y A ? error
[0042] w[i] [n+1] = w[i] [n]-tiw ? error ? (Dr+[i] [n]-Dr_[i] [n])
[0043] 其中，A [n+1]为第n+1次迭代中的扰动信号幅值，w[i] [n]为当前输出权值的第 i位，w[i] [n+1]为第n+1次迭代中的输出权值的第i位，y ^为扰动信号调整步长，y ~为 权值调整步长，Dr+[i] [n]为当前第一原始数字信号的第i位，Dr_[i] [n]为当前第二原始 数字信号的第i位。
[0044] 第二方面，提供一种逐次逼近模数转换器的校准方法，包括：
[0045] 产生校准信号，所述校准信号为表征N位二进制数的数字信号；
[0046] 输出表征所述二进制数与逐次逼近信号差值的模拟信号，并在所述模拟信号中加 入扰动信号；
[0047] 比较加入扰动信号的模拟信号与共模电平输出比较结果；
[0048] 根据所述比较结果调整所述逐次逼近信号直至所述比较结果符合预定条件；
[0049] 输出当前逐次逼近信号作为原始数字信号；
[0050] 以迭代方式调整输出权值直至校准误差小于预定阈值，所述校准误差根据对应于 不同的扰动信号的所述原始数字信号和当前输出权值获得。
[0051] 优选地，所述N位二进制数为14位二进制数，所述14位二进制数转换成十进制后 大于0小于16383。
[0052] 优选地，所述14位二进制数转换成十进制后大于1638小于14745。
[0053] 优选地，所述在校准模式下以迭代方式调整输出权值直至校准误差小于预定阈值 包括：
[0054] 获取加入第一扰动信号的模拟信号对应的第一原始数字信号；
[0055] 获取加入第二扰动信号的模拟信号对应的第二原始数字信号；
[0056] 根据当前输出权值对所述第一原始数字信号和第二原始数字信号加权分别输出 第一输出信号和第二输出信号；
[0057] 根据第一输出信号、第二输出信号和当前扰动信号计算校准误差；
[0058] 根据所述校准误差以迭代方式调整输出权值直至所述校准误差小于预定阈值。
[0059] 优选地，第一扰动信号和第二扰动信号幅值相同，极性相反；
[0060] 根据如下公式计算所述校准误差：
[0061 ] error = d+-d_-2 A [n]
[0062] 其中，error为校准误差，d+为所述第一输出信号，d_为所述第二输出信号，A[n] 为当前扰动信号幅值。
[0063]