一种高精度电压检测电路及方法
【专利摘要】本发明提供一种高精度电压检测电路，包括调制器、计数器和分频器模块、MCU处理模块，通过使用调制器、计数器和分频器，将待检测电压与基准电压比值调制为调制方波信号，并使电压检测的精度取决于调制方波信号的高电平时钟计数个数和低电平时钟计数个数的比值决定，并由计数器和分频器产生交错反馈控制信号控制调制器，可以消除调制器的失调电压，极大程度的提高了电压检测精度，并且通过MCU处理模块，也可以实现对检测数据的进一步修正，从而再次提高检测的准确度。
【专利说明】一种高精度电压检测电路及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数模混合集成电路设计领域，特别涉及一种由数字运算电路及其反馈的交错信号控制的电压检测电路。
【背景技术】
[0002]传感器一种常用的电子元件，随着集成电路的飞速发展，集成传感器也随之发展，现有的集成传感器一般都是将检测信号转换为电压信号再进行处理。由此电压信号的检测成为了集成传感器设计的关键，电压检测电路成为了传感器电路中的核心电路，其检测精度直接决定了整体传感器的有效精度。
[0003]现有电压检测电路为了能够实现检测信号的数字化，基本上都采用A/D转换电路，根据应用背景的不同，可选用的转换电路可能不同，但是不论哪种结构的A/D转换电路，都会存在电荷注入、时钟溃通、采样尖峰等非理想因素，从而导致电压采样的结果精度不高。现有技术中也有通过提高ENOB来实现更高的检测精度。这样做虽然可以在一定程度上提高电压采样的精度，但使得整体电路的功耗、面积等开销骤然增大，复杂度也随之增力口，最终导致电路的系统复杂，易用性差，成本高昂。
【发明内容】
[0004]针对传统电压检测电路方案需采用数模转换器才能输出数字信号，导致电路开销过大等缺点。本发明要解决的技术问题是提供一种高精度、无需数模转换器即可输出数字码信号的高精度电压检测电路以及方法。
[0005]为了解决以上技术问题，本发明提供一种高精度电压检测电路，包括:
[0006]调制器，用以接收待检测电压以及基准电压，并输出调制方波信号，所述调制方波信号的占空比为所述待检测电压与所述基准电压的比例；
[0007]计数器和分频器模块，用以接收所述调制器输出的调制方波信号，将所述调制方波信号转换为数字码输出的同时产生两个相互交错的反馈控制信号，所述反馈控制信号输出给所述调制器；
[0008]MCU处理模块，接收所述计数器和分频器模块输出的数字码，并根据所述数字码计算出待检测电压。
[0009]优选的，所述电压检测电路还包括:
[0010]基准和偏置电路，用于辅助调制器，给所述调制器提供所需的基准电压和偏置电压；
[0011]控制时钟模块，用于给所述计数器和分频器模块提供所需的高频时钟信号。
[0012]优选的，所述调制器为一阶Σ -Δ调制器，包括斩波运算放大器、N管输入比较器、P管输入比较器、RS型触发器、采样开关、电阻和电容，所述斩波运算放大器用于接收所述基准电压以及待检测电压，所述N管输入比较器与所述P管输入比较器产生监视所述电容充放电的阀值电压，所述N管输入比较器的输出端与所述P管输入比较器的输出端分别连接所述RS型触发器的两个输入端，所述RS型触发器的输出反馈信号控制所述采样开关。
[0013]优选的，所述斩波运算放大器的正向输入端接所述基准电压，所述斩波运算放大器的反向输入端通过所述电阻接所述待检测电压，所述待检测电压与所述运算放大器的反向输入端之间设有采样开关以及电阻，所述斩波运算放大器的输出端与所述运算放大器的反向输入端之间跨接有电容，所述斩波运算放大器的输出端同时连接所述N管输入比较器和所述P管输入比较器，所述N管输入比较器的输出端与所述P管输入比较器的输出端分别连接所述RS型触发器的两个输入端，所述RS型触发器的输出端输出反馈信号控制所述米样开关
[0014]优选的，所述斩波运算放大器包括三个斩波开关，其中一个输入斩波开关和两个输出斩波开关，所述交错的反馈控制信号控制所述斩波开关，每个斩波开关的输出端设有一个折叠结构的共源共栅放大器。
[0015]优选的，所述斩波开关由四个反向非交叠时钟控制的四个传输门构成。
[0016]优选的，所述计数器和分频器模块包括第一计数器、第二计数器和除法器，所述第一计数器与第二计数器接收所述调制器输出的调制方波信号，并输出所述调制方波信号的高低电平的保持时间给所述除法器，所述除法器以数字码形式输出所述调制方波信号的高低电平的占空比给所述MCU处理模块。
[0017]一种电压检测方法，其特征在于，包括:
[0018]通过调制器将待检测电压与基准电压的比值调制为调制方波信号；
[0019]通过计数器和分频器将所述调制方波信号转换为数字码；
[0020]通过MCU处理模块计算出待测电压的值。
[0021]优选的，所述通过计数器和分频器将所述调制方波信号转换为数字码包括:
[0022]通过计数器计算调制方波信号的高电平保持时间和低电平保持时间；
[0023]通过除法器计算高电平保持时间和低电平保持时间的比值，输出数字码。
[0024]优选的，所述通过计数器和分频器将所述调制方波信号转换为数字码时，所述计数器与分频器产生交错控制反馈信号给所述调制器。
[0025]通过使用调制器、计数器和分频器，将待检测电压与基准电压比值调制为调制方波信号，并使电压检测的精度取决于调制方波信号的高电平时钟计数个数和低电平时钟计数个数的比值决定，并由计数器和分频器产生交错反馈控制信号控制调制器，可以消除调制器的失调电压，极大程度的提高了电压检测精度，并且通过MCU处理模块，也可以实现对检测数据的进一步修正，从而再次提高检测的准确度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明:
[0027]图1是本发明的高精度电压检测电路实施例的电路原理框图；
[0028]图2是本发明的高精度电压检测电路实施例的调制器电路原理示意图；
[0029]图3是本发明的高精度电压检测电路实施例的斩波运放电路原理示意图；
[0030]图4是本发明的闻精度电压检测电路实施例的斩波开关电路原理不意图；
[0031]图5是本发明的高精度电压检测电路实施例的计数器及除法器电路原理示意图；
[0032]图6是本发明的高精度电压检测电路实施例的电压检测方法的流程图；[0033]图7是本发明的高精度电压检测电路实施例的计数器及除法器输出时序波形图。【具体实施方式】
[0034]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0035]如图1所示，本发明的一种高精度电压检测电路，包括调制器，所述调制器为一阶Σ -Δ调制器，用以接收待检测电压以及基准电压，并输出调制方波信号，所述调制方波信号的占空比为所述待检测电压与所述基准电压的比例；所述一阶Σ -Δ调制器连接有基准和偏置电路，所述基准和偏置电路用于辅助调制器，给所述调制器提供所需的基准电压和偏置电压。计数器和分频器模块，所述计数器和分频器模块将调制器用以接收所述调制器输出的调制方波信号，将所述调制方波信号转换为数字码输出的同时产生两个相互交错的反馈控制信号CLKl和CLK2，所述反馈控制信号输出给所述一阶Σ -Δ调制器；控制时钟模块，用于给所述计数器和分频器模块提供所需的高频时钟信号。MCU处理模块，接收所述计数器和分频器模块输出的数字码，并根据所述数字码计算出待检测电压。所述数字码为高电平保持时间tl和低电平保持时间t2的比值。
[0036]在本实施例中，一阶Σ -Δ调制器包括斩波运算放大器、N管输入比较器、P管输入比较器、RS型触发器、采样开关、电阻和电容，如图2所示，所述斩波运算放大器101的正向输入端接所述基准电压，所述斩波运算放大器101的反向输入端通过所述电阻108接所述待检测电压，所述待检测电压与所述运算放大器101的反向输入端之间设有采样开关SI和S2以及电阻108，所述斩波运算放大器101的输出端与所述斩波运算放大器101的反向输入端之间跨接有电容107，所述斩波运算放大器101的输出端同时连接所述N管输入比较器和所述P管输入比较器，所述N管输入比较器的输出端与所述P管输入比较器的输出端分别连接所述RS型触发器的两个输入端，所述RS型触发器的输出端输出反馈信号控制所述采样开关。`
[0037]所述斩波运算放大器101用于接收所述基准电压以及待检测电压，所述N管输入比较器102与所述P管输入比较器103产生监视所述电容107充放电的阀值电压VH和VL。所述N管输入比较器102的输出端与所述P管输入比较器103的输出端分别连接所述RS
型触发器104的两个输入端，所述RS型触发器的输出反馈信号Q和^控制所述采样开关SI
和S2。
[0038]如图3所示，本实施例中，所述斩波运算放大器包括三个斩波开关，其中一个输入斩波开关和两个输出斩波开关，所述交错的反馈控制信号控制所述斩波开关，每个斩波开关的输出端设有一个折叠结构的共源共栅放大器。其连接关系如图3所示，在此不再一一赘述。如图4所示，所述斩波开关由四个反向非交叠时钟控制的四个传输门构成。
[0039]在本实施例中，所述计数器和分频器模块包括第一计数器、第二计数器和除法器，如图5所示，所述第一计数器201与第二计数器202接收所述调制器输出的调制方波信号，并输出所述调制方波信号的高低电平的保持时间给所述除法器203，所述除法器203以数字码形式输出所述调制方波信号的高低电平的占空比给所述MCU处理模块。[0040]如图6所示，一种电压检测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0041]步骤SlOO:调制器将待检测电压与基准电压的比值调制为调制方波信号；
[0042]步骤SlOl:计数器计算调制方波信号的高电平保持时间和低电平保持时间；
[0043]步骤S1010:所述计数器与分频器产生交错控制反馈信号给所述调制器
[0044]步骤S102:除法器计算高电平保持时间和低电平保持时间的比值，输出数字码；
[0045]步骤103:通过MCU处理模块计算出待测电压的值。
[0046]本实施例电压检测的工作原理:
[0047]首先，一阶Σ -Δ调制器的工作原理:
[0048]假设RS触发器初始时Q为高电平、则O为低电平，此时则采样开关SI闭合采样开关S2断开，待检测电压VIN通过电阻108对电容107充电，得到充电电流为:
[0049]
【权利要求】
1.一种高精度电压检测电路，其特征在于，包括: 调制器，用以接收待检测电压以及基准电压，并输出调制方波信号，所述调制方波信号的占空比为所述待检测电压与所述基准电压的比例； 计数器和分频器模块，用以接收所述调制器输出的调制方波信号，将所述调制方波信号转换为数字码输出的同时产生两个相互交错的反馈控制信号，所述反馈控制信号输出给所述调制器； MCU处理模块，接收所述计数器和分频器模块输出的数字码，并根据所述数字码计算出待检测电压。
2.根据权利要求1所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述电压检测电路还包括: 基准和偏置电路，用于辅助调制器，给所述调制器提供所需的基准电压和偏置电压； 控制时钟模块，用于给所述计数器和分频器模块提供所需的高频时钟信号。
3.根据权利要求1所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述调制器为一阶Σ-Δ调制器，包括斩波运算放大器、N管输入比较器、P管输入比较器、RS型触发器、采样开关、电阻和电容，所述斩波运算放大器用于接收所述基准电压以及待检测电压，所述N管输入比较器与所述P管输入比较器产生监视所述电容充放电的阀值电压，所述N管输入比较器的输出端与所述P管输入比较器的输出端分别连接所述RS型触发器的两个输入端，所述RS型触发器的输出反馈信号 控制所述采样开关。
4.根据权利要求3所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述斩波运算放大器的正向输入端接所述基准电压，所述斩波运算放大器的反向输入端通过所述电阻接所述待检测电压，所述待检测电压与所述运算放大器的反向输入端之间设有采样开关以及电阻，所述斩波运算放大器的输出端与所述运算放大器的反向输入端之间跨接有电容，所述斩波运算放大器的输出端同时连接所述N管输入比较器和所述P管输入比较器，所述N管输入比较器的输出端与所述P管输入比较器的输出端分别连接所述RS型触发器的两个输入端，所述RS型触发器的输出端输出反馈信号控制所述采样开关。
5.根据权利要求3所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述斩波运算放大器包括三个斩波开关，其中一个输入斩波开关和两个输出斩波开关，所述交错的反馈控制信号控制所述斩波开关，每个斩波开关的输出端设有一个折叠结构的共源共栅放大器。
6.根据权利要求5所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述斩波开关由四个反向非交叠时钟控制的四个传输门构成。
7.根据权利要求1所述的高精度电压检测电路，其特征在于，所述计数器和分频器模块包括第一计数器、第二计数器和除法器，所述第一计数器与第二计数器接收所述调制器输出的调制方波信号，并输出所述调制方波信号的高低电平的保持时间给所述除法器，所述除法器以数字码形式输出所述调制方波信号的高低电平的占空比给所述MCU处理模块。
8.—种电压检测方法,其特征在于,包括: 通过调制器将待检测电压与基准电压的比值调制为调制方波信号； 通过计数器和分频器将所述调制方波信号转换为数字码； 通过MCU处理模块计算出待测电压的值。
9.根据权利要求8所述的电压检测方法，其特征在于，所述通过计数器和分频器将所述调制方波信号转换为数字码包括: 通过计数器计算调制方波信号的高电平保持时间和低电平保持时间； 通过除法器将高电平保持时间和低电平保持时间的比值，输出数字码。
10.根据权利要求8所述的电压检测方法，其特征在于，所述通过计数器和分频器将所述调制方波信号转 换为数字码时，所述计数器与分频器产生交错控制反馈信号给所述调制器。
【文档编号】G01R19/25GK103499733SQ201310461129
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】赵野, 周玉梅, 黑勇, 王洪祥 申请人:中国科学院微电子研究所