专利名称：逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法
技术领域：
本发明关于一种逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法，特别是关于一种具有滤波功能的逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法。
背景技术：
模拟至数字转换器(Analog-to-Digital Converter ;ADC)在这个数字时代里扮演着相当重要的角色。模拟至数字转换器可说是模拟信号以及数字信号之间的一个桥梁，主要用以将模拟信号转换为数字信号，使得转换后的数字信号符合数字电路的信号形式，藉以使后级数字电路可对其进行处理。常用的模拟至数字转换器有很多种架构，例如快闪式、管路式以及近年来广受业界青睐的逐次逼近式(Successive Approximation)模拟至数字转换器等等。就实际应用层面而言，一模拟信号在进入到一模拟至数字转换器前，经常会先通过一滤波器(Filter)将该模拟信号的不必要的频带给过滤掉，以滤波后的模拟信号的频带符合该模拟至数字转换器的规格，并更适合进行后续的转换；或是在将模拟信号转换为数字信号之后，另利用一数字滤波器进行滤波。然而，额外建置该滤波器，势必会增加整体电路的面积、以及制造成本。因此，如何在制造成本以及转换性能之间进行取舍，将是相关制造业者的一大难题。有鉴于此，如何在低成本考量下，使传统的模拟至数字转换器同时具有滤波的功能，藉以实现良好的信号转换性能，实乃业界仍需努力的目标。
发明内容
本发明的目的是提供了 一种逐次逼近式模拟至数字转换器(successiveapproximation analog to digital converter)及其转换方法，为解决前述问题。详言之，本发明提供的逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法可根据至少前一次转换后的数字电压，调整当下取样的一模拟电压，使得该模拟电压在被转换为另一数字电压后，该另一数字电压已同时具有滤波效果。由于本发明提供的逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法无须加入额外的滤波器即可达到等同滤波的效果，故可有效降低传统的模拟至数字转换器在纳入滤波功能的同时所必须额外增加一滤波器而增加电路面积及成本的问题。为达上述的目的，本发明提供一种逐次逼近式模拟至数字转换器，其包含一取样电路、一转换电路及一滤皮控制电路。该取样电路用以自一模拟信号取样一模拟电压。该转换电路耦接至该取样电路，用以转换该模拟电压为一数字电压。该滤波控制电路耦接至该取样电路及该转换电路，用以根据该数字电压传输一滤波控制信号至该取样电路。该取样电路更自该模拟信号取样一次模拟电压，并根据该滤波控制信号调整该次模拟电压为一已调整模拟电压。该转换电路更转换该已调整模拟电压为一次数字电压，且该次数字电压为一已滤波数字电压。
为达上述的目的，本发明更提供一种用于一逐次逼近式模拟至数字转换器的转换方法。该逐次逼近式模拟至数字转换器包含一取样电路、一转换电路及一滤波控制电路。该转换电路耦接至该取样电路，且该滤波控制电路耦接至该取样电路及该转换电路。该转换方法包含下列步骤:(a)令该取样电路自该模拟信号取样一模拟电压；(b)令该转换电路转换该模拟电压为一数字电压； (C)令该滤波控制电路根据该数字电压传输一滤波控制信号至该取样电路；(d)令该取样电路自该模拟信号取样一次模拟电压，并根据该滤波控制信号调整该次模拟电压为一已调整模拟电压；以及(e)令该转换电路转换该已调整模拟电压为一次数字电压，该次数字电压为一已滤波数字电压。为让本发明的上述目的、技术特征和优点能更明显易懂，下文将以较佳实施例配合所附图式进行详细说明。
图1为本发明的第一实施例的一种逐次逼近式模拟至数字转换器I的示意图；图2为本发明的第二实施例的一种逐次逼近式模拟至数字转换器3的示意图；图3为本发明的第三实施例的一种用于一逐次逼近式模拟至数字转换器的转换方法的流程图；以及图4为本发明的第四实施例的一种用于一逐次逼近式模拟至数字转换器的转换方法的流程图。其中，附图标记说明如下:1:逐次逼近式模拟至数字转换器11:取样电路111:保持电路13:转换电路15:滤波控制电路2:模拟信号20:模拟电压22:次模拟电压40:数字电压42:次数字电压40:滤波控制信号Cl:电容器C2:电容器C3:电容器S1:开关S2:开关S3:开关
Vrl:第一参考电压Vr2:第二参考电压
具体实施例方式本发明的内容将将进一步通过以下实施例来解释。然而，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如以下实施例所述的环境、应用或方式方能实施。因此，关于以下实施例的说明仅为达阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。此外，基于说明简化原则，于以下实施例及图示中，与本发明非直接相关的元件将省略而不绘示。本发明的第一实施例用以阐述本发明的一种逐次逼近式模拟至数字转换器，其相关说明请参阅图1。图1为本实施例的一种逐次逼近式模拟至数字转换器I的示意图，其中逐次逼近式模拟至数字转换器I包含一取样电路11、一保持电路111、一转换电路13及一滤波控制电路15。于本实施例，取样电路11通过保持电路111耦接至转换电路13，而滤波控制电路15耦接至取样电路11及转换电路13。取样电路11的一功用为自一模拟信号2进行取样。于一第一取样周期,取样电路11自一模拟信号2取样一模拟电压20,而保持电路111的一功用为保持取样电路11所取样的模拟电压20，以取样后的模拟电压20可以被稳定地输入至转换电路13，以利后续的转换。应理解，保持电路111可视为取样电路11的一部分，也就是保持电路111可被建置于取样电路11中，而非独立于取样电路11外。如此设置，取样电路11可直接与转换电路13耦接，且不会影响本实施例的逐次逼近式模拟至数字转换器I的正常运作。转换电路13的一功能为转换模拟电压20为一数字电压40。一般而言，转换电路13可包含一比较器、一数字至模拟转换器(digital to analog converter)以及一控制器，该数字至模拟转换器用以提供一预测电压，该比较器用以比较该预测电压以及模拟电压20,该控制器根据该比较器的一输出结果，使用二元搜寻演算法(binary searchalgorithm)控制该数字至模拟转换器，以该数字至模拟转换器输出的该预测电压逐次逼近模拟电压20，此即为逐次逼近式模拟至数字转换器进行转换的基本流程。由于转换电路13进行上述转换的具体流程可为本领域技术人员轻易理解，于此不再赘述。滤波控制电路15的一功能为根据转换电路13输出的数字电压40，传输一滤波控制信号60至取样电路11，藉以控制取样电路11后续的取样操作，进而使逐次逼近式模拟至数字转换器I具有滤波功能。对一时域信号而言，根据前次取样值改变当下取样值的过程，实质上已等同于对该时域信号进行滤波。举例而言，若一时域信号的每一取样值皆等同于其原先取样值减去其前一次取样值，因对于该时域信号中变动幅度大者具有放大效应，而对于该时域信号中变动幅度小者具有缩小效应，故上述操作实质上可视为对该时域信号进行高通滤波。反之，若将一时域信号的每一取样值等于其原先取样值加上前一次取样值，因对于该时域信号中变动幅度大者具有缩小效应，而对于该时域信号中变动幅度小者具有放大效应，故上述操作实质上可视为对该时域信号进行低通滤波。本实施例的逐次逼近式模拟至数字转换器I原则上即是通过上述原理，在模拟信号2转换为一数字信号的过程中同时进行滤波。详言之，于转换电路13输出的数字电压40后，取样电路11将再次取样模拟信号2。于一第二取样周期,取样电路11自模拟信号2取样一次模拟电压21 (未绘示于图)，并根据滤波控制信号60调整次模拟电压21为一已调整模拟电压22。取样电路11根据滤波控制信号60调整次模拟电压21为一已调整模拟电压22的过程，即等同对次模拟电压21进行滤波。于转换电路13转换已调整模拟电压22为一次数字电压42后，次数字电压42实质上即为一已滤波数字电压。换言之，转换电路13输出的次数字电压42实质上已等同经过一滤波器滤波后的电压。举例而言，假设取样电路11调整次模拟电压21后，使得次数字电压42等于次模拟电压21减去数字电压40与一滤波系数(可根据不同滤波需求而调整)的乘积，则经过转换电路13转换后的次数字电压42本质上已可视为经过一高通滤波器滤波后的电压，故具有一高通滤波特性。另一方面，假设取样电路11调整次模拟电压21后，使得次数字电压42等于次模拟电压21加上数字电压40与一滤波系数(可根据不同滤波需求而调整)的乘积，则经过转换电路13转换后的次数字电压42本质上已可视为经过一低通滤波器滤波后的电压，故具有一低通滤波特性。应理解，当逐次逼近式模拟至数字转换器I需具有带通滤波功能或带拒滤波功能时，亦可通过类似上述流程进行设计，于此不再赘述。须说明者，本实施例的逐次逼近式模拟至数字转换器I的取样及转换次数不受限于上述的二次，并可根据设计者的需求而决定取样及转换的次数。此外，滤波控制电路15除了可根据转换电路13前一次输出的一个数字电压40外，亦可同时根据转换电路13前几次输出的多个数字电压40,产生并传送滤波控制信号60至取样电路11。举例而言，于不同时间周期内，取样电路11可自模拟信号2取样多个模拟电压20,转换电路13转换该多个模拟电压20为多个数字电压40，滤波控制电路15同时根据转换电路13输出的该多个数字电压40,产生并传输滤波控制信号60至取样电路11。根据本实施例的上述运作方式，模拟信号2通过逐次逼近式模拟至数字转换器I转换后的输出结果将等同于模拟信号2先行经过一滤波器，再通过一传统逐次逼近式模拟至数字转换器转换后的输出结果。本发明的第二实施例用以阐述本发明的另一种逐次逼近式模拟至数字转换器，其相关说明请参阅图2。图2为本实施例的一种逐次逼近式模拟至数字转换器3的示意图，逐次逼近式模拟至数字转换器3包含一取样电路31、一保持电路111、一转换电路13及一滤波控制电路15。须说明者，除本实施例中特别说明的元件外，其他元件均可理解为前述实施例所相对应的元件，且本实施例将沿用前述实施例所述的部份元件的标号，其中具有相同标号的元件可理解为本质上相同或近似的元件。与前述实施例相关的技术内容，因可根据前述实施例而轻易思及，于本实施例将不再重复赘述。如图2所示，逐次逼近式模拟至数字转换器3与第一实施例的逐次逼近式模拟至数字转换器I的差异在于取样电路31为一 M位元取样电路，其中M为一正整数。为了便于说明，本实施例将假设M等于三，也就是取样电路31将被视为一三位元取样电路。应理解，M的数值可根据设计者的需求而改变，且改变后并不影响本实施例的逐次逼近式模拟至数字转换器3的正常运作。基于M等于三，取样电路31共包含三个并联分支，其中各个分支可包含一开关及一电容器。如图2所不,第一分支包含一开关SI及一稱接至开关SI的电容器Cl,第二分支包含一开关S2及一耦接至开关S2的电容器C2，第三分支包含一开关S3以及一耦接至开关S3的电容器C3。应理解，本实施例所述的开关及电容器的数量并非用以限定本发明。电容器Cl、电容器C2及电容器C3的第一端皆耦接至模拟信号2。开关S1、开关S2及开关S3可为任一种具有单输入以及双输出的开关类型。该多个开关的输入端(第一端)将与相对应的电容器Cl、电容器C2及电容器C3的第二端耦接，而该多个开关的输出端(第二端)将根据滤波控制信号60耦接至一第一参考电压Vrl及一第二参考电压Vr2其中之一，其中第一参考电压Vrl及第二参考电压Vr2具有不同的电压值。滤波控制电路15会根据转换电路13输出的数字电压40产生并传输滤波控制信号60至取样电路11。滤波控制信号60用以控制取样电路11的开关S1、开关S2及开关S3，使该多个开关的各个输出端耦接至第一参考电压Vrl及第二参考电压Vr2其中之一。各该分支的电容器的一电容值为下一分支的电容器的一电容值的二倍，也就是电容器C3为电容器C2的电容值的二倍，而电容器C2为电容器Cl的电容值的二倍。举例而言，当电容器C3的电容值为8法拉时，则电容器C2的电容值为4法拉，电容器C2的电容值为2法拉。通过上述设置，电容器Cl、电容器C2及电容器C3的第一端可用以接收模拟信号2的模拟电压20，而该多个电容的第二端将根据开关S1、开关S2及开关S3的切换，耦接至第一参考电压Vrl及一第二参考电压Vr2其中之一。由于第一参考电压Vrl及第二参考电压Vr2具有不同的电压值，储存于各分支的电容器的电压将因各分支上的开关的切换，而储存不同的电压。举例而言，假设第一参考电压Vrl的电压值大于第二参考电压Vr2的电压值，当某一分支的开关的第二端切换至第一参考电压Vrl时，因该分支的电容器的两端的电压差较小，将储存较小的电压；反之，当某一分支的开关的第二端切换至第二参考电压Vr2时，因该各分支的电容器的两端的电压差较大，将可储存较大的电压。以下将进一步举例说明，本实施例的逐次逼近式模拟至数字转换电路3如何产生滤波的功效。如同第一实施例所述，当逐次逼近式模拟至数字转换电路3要实现高通滤波时，滤波控制电路15产生的滤波控制信号60必须满足次数字电压42等于次模拟电压21减去一数字电压40与一滤波系数(可根据不同滤波需求而调整)的乘积。换言之，滤波控制电路15产生的滤波控制信号60必须满足以下表示式:D(n) = V(n)_a XD(n-l) (I)其中D(n)为转换电路13第n次的输出数字电压(例如前述的次数字电压42)，V(n)为第n次取样的模拟电压(例如前述的次模拟电压21)，D(n-l)为转换电路13第n_l次的输出数字电压(例如前述的数字电压40)，a为一滤波系数，且a可该根据设计者的需求而改变数值。在满足表示式⑴的情况下，取样电路11的开关S1、开关S2及开关S3的第二端将根据滤波控制电路15产生的滤波控制信号60,于第一参考电压Vrl及一第二参考电压Vr2之间进行切换。或者说，通过取样电路11的开关S1、开关S2及开关S3的第二端，于第一参考电压Vrl及一第二参考电压Vr2之间进行切换，可使逐次逼近式模拟至数字转换电路3满足表示式(I)的定义。举例而言，假设a k等于0.5，且滤波控制电路15于第n次产生的滤波控制信号60定义为Z (n)，则取样电路11将根据Z (n)，调整次模拟电压21为一已调整模拟电压22如下:
V0 (n) = V(n)/(l-0.5XZ_1(n)) (2)其中Vo(n)为一已调整模拟电压22，V(n)为第n次取样的模拟电压(例如前述的次模拟电压21)。滤波控制电路15除了可根据转换电路13前一次输出的一个数字电压40外，亦可同时根据转换电路13前几次输出的多个数字电压40，产生并传送滤波控制信号60至取样电路11。此时，取样电路11可自模拟信号2取样多个模拟电压20，转换电路13可转换该多个模拟电压20为多个数字电压40，以及滤波控制电路15可根据该多个数字电压40产生并传输滤波控制信号60至取样电路11。换言之，滤波控制电路15产生的滤波控制信号60必须满足以下表示式:
权利要求
1.一种逐次逼近式模拟至数字转换器，包含: 一取样电路，用以自一模拟信号取样一模拟电压； 一转换电路，耦接该取样电路，用以转换该模拟电压为一数字电压；以及 一滤波控制电路，耦接该取样电路及该转换电路，用以根据该数字电压传输一滤波控制信号至该取样电路； 其中该取样电路更自该模拟信号取样一次模拟电压，并根据该滤波控制信号调整该次模拟电压为一已调整模拟电压，该转换电路更转换该已调整模拟电压为一次数字电压，该次数字电压为一已滤波数字电压。
2.如权利要求书I所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该取样电路为一M位元取样电路，以及M为一正整数。
3.如权利要求书2所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该M位元取样电路包含M个并联分支，各该分支包含一开关及一耦接该开关的电容器，各该电容器耦接至该模拟信号，各该开关根据该滤波控制信号耦接至一第一参考电压及一第二参考电压其中之一，以及该第一参考电压不同于该第二参考电压。
4.如权利要求书3所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中各该分支的该开关具有一第一端及一第二端，各该分支的该电容器具有一第一端及一第二端，该电容器的该第一端耦接至该模拟信号，该电容器的该第二端耦接至该开关的该第一端，以及该开关的该第二端根据该滤波控制信号耦接至该第一参考电压及该第二参考电压其中之一。
5.如权利要求书3所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中各该分支的该电容器的一电容值为下一分支的该电容器的一电容值的二倍。
6.如权利要求书I所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该取样电路为该转换电路的一部分。
7.如权利要求书I所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该次数字电压等于该次模拟电压减去该数字电压与一滤波系数的乘积，以该次数字电压具有一高通滤波特性。
8.如权利要求书I所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该次数字电压等于该次模拟电压加上该数字电压与一滤波系数的乘积，以该次数字电压具有一低通滤波特性。
9.如权利要求书I所述的逐次逼近式模拟至数字转换器，其中该取样电路自该模拟信号取样多个模拟电压，该转换电路转换该多个模拟电压为多个数字电压，以及该滤波控制电路根据该多个数字电压传输该滤波控制信号至该取样电路。
10.一种用于一逐次逼近式模拟至数字转换器的转换方法，该逐次逼近式模拟至数字转换器包含一取样电路、一转换电路及一滤波控制电路，该转换电路耦接该取样电路，该滤波控制电路电性耦接该转换电路，该转换方法包含下列步骤: (a)令该取样电路自该模拟信号取样一模拟电压； (b)令该转换电路转换该模拟电压为一数字电压； (C)令该滤波控制电路根据该数字电压传输一滤波控制信号至该取样电路； (d)令该取样电路自该模拟信号取样一次模拟电压，并根据该滤波控制信号调整该次模拟电压为一已调整模拟电压；以及 (e)令该转换电路转换该已调整模拟电压为一次数字电压，该次数字电压为一已滤波数字电压。
11.如权利要求书10所述的转换方法,其中该取样电路为一M位兀取样电路,M为一正整数，以及该M位元取样电路包含M个并联分支，各该分支包含一开关及一耦接至该开关的电容器，各该电容器耦接至该模拟信号，该转换方法更包含下列步骤: (dl)于步骤(d)中，令各该开关根据该滤波控制信号耦接至一第一参考电压及一第二参考电压其中之一，该第一参考电压不同于该第二参考电压。
12.如权利要求书10所述的转换方法，其中该次数字电压等于该次模拟电压减去该数字电压与一滤波系数的乘积，以使该次数字电压具有一高通滤波特性。
13.如权利要求书10所述的转换方法，其中该次数字电压等于该次模拟电压加上该数字电压与一滤波系数的乘积 ，以使该次数字电压具有一低通滤波特性。
全文摘要
本发明公开了一种逐次逼近式模拟至数字转换器及其转换方法。该逐次逼近式模拟至数字转换器包含一取样电路、一转换电路及一滤波控制电路。该取样电路用以自一模拟信号取样一模拟电压。该转换电路用以转换该模拟电压为一数字电压。该滤波控制电路用以根据该数字电压传输一滤波控制信号至该取样电路。该取样电路更自该模拟信号取样一次模拟电压，并根据该滤波控制信号调整该次模拟电压为一已调整模拟电压。该转换电路更转换该已调整模拟电压为一次数字电压，该次数字电压为一已滤波数字电压。
文档编号H03M1/38GK103187975SQ20121058657
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2011年12月29日
发明者李朝政 申请人:瑞昱半导体股份有限公司