自带DAC功能的ADC积分器及测量方法与流程

本发明属于电子的技术领域，特别开关电容电路实现的积分器。

背景技术：

积分器电路是应用于西格玛德尔塔模数转换器(sigma-deltaADC)的组成部分。西格玛德尔塔模数转换器是比例测量，即将模拟的输入信号乘以增益A，与模拟的参考电压的比例转换为n比特的数字信号的模数转换过程。在过去，对模拟信号测量中发现很多时候被测信号本身的信号很大但是往往被测信号的信号变化量却很小，ADC为了实现被测信号的较小变化量的精确测量需要花费较大代价。

例如专利申请201110047941.7公开了一种差分输入的积分器，包括有差分信号源Vin、运算放大器A1、A2和仪表放大器A3，差分信号源Vin的两端通过导线串接电阻R后分别接入运算放大器A1、A2的反向输入端，运算放大器A1、A2的输出端通过导线串接电阻R1后分别接入仪表放大器A3的反向输入端和正向输入端，仪表放大器A3的输出端作为总信号的输出端；运算放大器A1的正向输入端与输出端之间以及运算放大器A2的正向输入端与输出端之间分别并接有电容C。

该申请虽然可以抑制由共模电压引起的积分漂移，其是通过多个运算放大器来实现的，积分测量有一定的准确性，但是有时候并不可靠，而且硬件成本较高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种自带DAC功能的ADC积分器及测量方法，该积分器及测量方法能够帮助被测信号有一个较大的直流分量信号的测量，再通过ADC进行转换，从而实现了大信号上较小变化量信号的精确测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种自带DAC功能的ADC积分器，其特征在于该积分器电路包括采样电容，2个积分电容，1个运算放大器，开关组；所述采样电容具有两组，一组连接运算放大器正输入端，一组连接运算放大器负输入端；2个积分电容，分别接于运算放大器的正输入端和负输入端；所述开关组设置于运算放大器与采样电路之间，及采样电容与输入信号之间。

所述采样电容，包括有2*n个采样电容，即每组采样电容包括有n个，n个采样电容串联起来，接于运算放大器上。

所述开关组，包括有复数个采样开关及复数个控制开关。

所述采样开关，其中两个采样开关串联于一个采样电容，接于VIP输入信号正端和VIN输入信号的负端；两个采样开关并联于一个采样电容，接于参考电压的正端REFP和参考电压的负端REFN。

进一步，所述采样电容分为Cs11～Cs1n等n个正端信号采样电容和Cs21～Cs2n等n个负端信号采样电容，其中Cs1x(x＝1、2、…、n)正端信号采样电容的上极板各自对应连接1x(x＝1、2、…、n)、3x1(x＝1、2、…、n)、3x2(x＝1、2、…、n)三个开关，Cs1x(x＝1、2、…、n)正端信号采样电容的下极板各自对应连接1x1(x＝1、2、…、n)、1x2(x＝1、2、…、n)两个开关；Cs2x(x＝1、2、…、n)负端信号采样电容的上极板各自对应连接2x(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)、4x2(x＝1、2、…、n)三个开关，Cs2x(x＝1、2、…、n)负端信号采样电容的下极板各自对应连接2x1(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)两个开关；1x1(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接输入信号的正端Vip，1x2(x＝1、2、…、n)、2x1(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接输入信号的负端Vin，3x2(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接参考电压的正端REFP，3x1(x＝1、2、…、n)、4x2(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接参考电压的负端REFN。

所述控制开关，设置于每个采样电容与运算放大器之间。

所述采样开关和控制开关，通过非交叠时钟来控制，包括Ф1和Ф2、Ф1s和Ф2s。所述采样开关和控制开关也可通过单个PMOS管或NMOS管、CMOS管等开关来实现。

所述积分电容分为正端积分电容和负端积分电容各一个，其中正端积分电容的上极板连接1x(x＝1、2、…、n)开关的另一端及运算放大器的正输入端，正端积分电容的下极板连接积分器正输出端Vop和运算放大器的负输出端；负端积分电容的上极板连接2x(x＝1、2、…、n)开关的另一端和运算放大器的负输入端，负端积分电容的下极板连接积分器负输出端Von及30运算放大器的正输出端。

一种自带DAC的西格玛德尔塔积分器的测量方法，其特征在于该方法通过采样电容，使得被测信号可以加上一个参考电压比例变量DAC的值后再进行ADC转换。

进一步，所述DAC的值的大小由控制开关3x1(x＝1、2、…、n)或3x2(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)或4x2(x＝1、2、…、n)决定(假设正端n个电容中有m个电容接REFN，有n-m个电容接REFP，对应负端n个电容中有m个电容接REFP，有n-m个电容接REFN，m＝0、1、2、…、n)。则对应DAC的值为：-(1-2m/n)*(REFP-REFN)/(REFP-REFN)，DAC的分辨率为：Log(n)/log2。

所述经过ADC转换输出的ADC值为：

(2(Vip-Vin)-(1-2m/n)*(REFP-REFN))/(REFP-REFN)。

这样ADC转换得到的值是被测信号先加上一个DAC信号后再进行ADC转换的。

还通过动态匹配的方式使得采样电容Cs1x(x＝1、2、…、n)的n个之间和采样电容Cs2x(x＝1、2、…、n)的n个之间的更加匹配。

本发明的实施，使得被测信号可以加上一个参考电压比例变量后再进行ADC转换，可以帮助被测信号有一个较大的直流分量信号的测量，通过自带DAC的ADC可以先行减去较大的直流信号，再通过ADC进行转换，从而实现了大信号上较小变化量信号的精确测量。

附图说明

图1是本发明所实施的自带DAC的ADC积分器电路图。

图2是本发明所实施的自带DAC的ADC技术的积分器控制开关所用时钟的相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1表示按照述的实现一种自带DAC的ADC积分器。图1中，电路包括：采样电容Cs11、Cs12、…、Cs1n、Cs21、Cs22、…、Cs2n，运算放大器30，积分电容33、34，开关1x1(x＝1、2、…、n)、1x2(x＝1、2、…、n)、2x1(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)、3x1(x＝1、2、…、n)、3x2(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)、4x2(x＝1、2、…、n)、1x(x＝1、2、…、n)、2x(x＝1、2、…、n)。

图2表示积分器电路中开关的各个相位时钟说明，如下：

时钟ф1相位开关3x1(x＝1、2、…、n)或3x2(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)或4x2(x＝1、2、…、n)打开。

时钟ф2相位开关1x(x＝1、2、…、n)、2x(x＝1、2、…、n)打开。

时钟ф1s相位开关1x1(x＝1、2、…、n)、2x1(x＝1、2、…、n)打开。

时钟ф2s相位开关1x2(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)打开。

开关电容电路的连接如下：

Cs1x(x＝1、2、…、n)正端信号采样电容的上极板各自对应连接1x(x＝1、2、…、n)、3x1(x＝1、2、…、n)、3x2(x＝1、2、…、n)三个开关，Cs1x(x＝1、2、…、n)正端信号采样电容的下极板各自对应连接1x1(x＝1、2、…、n)、1x2(x＝1、2、…、n)两个开关；Cs2x(x＝1、2、…、n)负端信号采样电容的上极板各自对应连接2x(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)、4x2(x＝1、2、…、n)三个开关，Cs2x(x＝1、2、…、n)负端信号采样电容的下极板各自对应连接2x1(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)两个开关。1x1(x＝1、2、…、n)、2x2(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接输入信号的正端Vip，1x2(x＝1、2、…、n)、2x1(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接输入信号的负端Vin，3x2(x＝1、2、…、n)、4x1(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接参考电压的正端REFP，3x1(x＝1、2、…、n)、4x2(x＝1、2、…、n)开关的另一端连接参考电压的负端REFN。

积分电容分为33正端积分电容和34负端积分电容各一个。其中33正端积分电容的上极板连接1x(x＝1、2、…、n)开关的另一端、30运算放大器的正输入端，33正端积分电容的下极板连接积分器正输出端Vop、30运算放大器的负输出端；34负端积分电容的上极板连接2x(x＝1、2、…、n)开关的另一端、30运算放大器的负输入端，34负端积分电容的下极板连接积分器负输出端Von、30运算放大器的正输出端。

另外，开关通过2组非交叠时钟来控制，包括Ф1和Ф2、Ф1s和Ф2s，如图2所示。

积分器的实现过程如下：

在一个积分器周期内：

采样相：Ф1和Ф1S打开开关(每一个采样电容Cs1x对应的Cs3x1和Cs3x2的两个开关，或采样电容Cs2x对应的Cs4x1和Cs4x2的两个开关，只会根据DAC的值打开其中一个)。Cs1x(x＝1、2、…、n)采样电容两端的电压分别是Vip和REFN(或REFP)，Cs2x(x＝1、2、…、n)采样电容两端的电压分别是Vin和REFP(或REFN)。

积分相：Ф2和Ф2S打开开关。

Cs1x(x＝1、2、…、n)采样电容两端的电压分别是Vin和VCM，Cs2x(x＝1、2、…、n)采样电容两端的电压分别是Vip和VCM。

那么积分相经过积分后，积分器输出电压差是：(假设正端n个电容中有m个电容接REFN，有n-m个电容接REFP，对应负端n个电容中有m个电容接REFP，有n-m个电容接REFN，m＝0、1、2、…、n)

(m*(Vip-REFN)+(n-m)*(Vip-REFP)-(m*(Vin-VCM)+(n-m)*(Vin-VCM))-m*(Vin-REFP)-(n-m)*(Vin-REFN)+(m*(Vip-VCM)+(n-m)*(Vip-VCM)))/Ch

那么积分器就实现了差分信号减去/加上一个参考电压(REFP-REFN)的DAC的值。

经过sigma-deltaADC转换输出的ADC值为：

(2(Vip-Vin)-(1-2m/n)*(REFP-REFN))/(REFP-REFN)

这样ADC转换得到的值是被测信号先加上一个DAC信号后再进行ADC转换的。

这个DAC信号为：-(1-2m/n)*(REFP-REFN)/(REFP-REFN)

DAC的分辨率为：Log(n)/log2。

该DAC集成在西格玛德尔塔调制器中，使得被测信号可以加上一个参考电压比例变量后再进行ADC转换，可以帮助被测信号有一个较大的直流分量信号的测量，通过自带DAC的ADC可以先行减去较大的直流信号，再通过ADC进行转换，从而实现了大信号上较小变化量信号的精确测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。