一种模数转换器及其基于码字重组的量化方法与流程

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种模拟数字转换器及其基于码字重组的量化方法，以及本发明在量化传感器信号和生物电信号中的应用。

背景技术：

生物电信号在绝大部分时间内，信号幅度变化平缓，不同波段幅度区分明显，具有周期性变化的特征。在量化这类信号时，幅度变化缓慢的部分往往量化出来的高位码字一致，只有少数低位码字有差异。根据这个特点，有文献提出了区间预测算法，传统的区间预测算法将上次量化结果的高几位直接加载到当次量化的高位中，通过冗余切换判断预测是否正确。如果预测正确则只需要将低位码字量化出来，如果预测错误则复位整个电容阵列，按照msb-first的形式重新量化所有码字。

区间预测技术可以减小模数转换器在量化信号变化幅度较缓的部分时的比较次数和dac切换次数，大幅度衰减信号低频半部分的量化功耗，使得量化功耗大大较低。但是区间预测算法存在明显的缺点。预测区间算法跟预测码字的位置相关，当输入信号采样点位于预测区间之外但较为接近预测区间时，前后两次采样的信号幅度变化仍然很小，但该区间预测算法会判断预测错误，并重新量化所有码字，造成了能量的浪费。

技术实现要素：

本发明为了克服区间预测算法对小幅度变化的采样点不必要的能量损耗，实现模数转换器对信号的中低频部分更低功耗的量化，提出了一种模数转换器及其基于码字重组的量化方法，保证了信号的中低频部分量化都能在较少的周期数完成，具有较低的功耗。

本发明的技术方案为：

一种模数转换器，包括dac模块101、比较器模块102，预测判断模块103、二进制码产生模块104、预测码字模块105、切换控制模块106和码字重组模块107。

如附图1所示，所述dac模块101对输入信号采样，其差分输出端连接比较器模块102的差分输入端。

dac模块如附图2所示，包括两组基于共模电压复位的n(为dac的分辨率)位二进制开关电容阵列以及第一冗余电容cr1和第二冗余电容cr2，按权重由高到低给开关电容阵列中除2个冗余电容外的n个量化电容编号为c1、c2、c3、……、cn；所述第一冗余电容cr1与量化电容cn的电容值相等，第二冗余电容cr2与量化电容cn-1的电容值相等；第一冗余电容cr1和第二冗余电容cr2依次连接在量化电容cn之后。

dac模块中的电容上极板连接共模电压，下极板通过开关阵列分别连接输入信号、共模电压、参考高电压和参考地电压；所述参考高电压和参考地电压均为模数转换器的参考电压，所述共模电压的电压值为参考高电压的电压值的一半。

所述比较器模块102的输出端连接预测判断模块103的输入端，其时钟控制端连接预测判断模块103的第一输出端。

所述预测判断模块103共有两个输出端，其第二输出端连接二进制码产生模块104的输入端，同时第二输出端连接码字重组模块107的第三输入端。

所述二进制码产生模块104的第一输出端连接预测码字模块105的输入端，其第二输出端连接码字重组模块107的第一输入端。

所述预测码字模块105的第一输出端连接切换控制模块106的输入端，其第二输出端连接码字重组模块107的第二输入端。

所述切换控制模块106的输出端连接dac模块101的输入端，控制dac模块101的电容切换。

所述码字重组模块107的输出端打出量化码字。

基于码字重组的量化方法是在所述模数转换器的量化过程中进行预测码字的自适应调整，包括如下步骤：

步骤一、将模数转换器上电复位，dac模块101采样保持，所有n个量化电容和两个冗余电容(cr1和cr2)的下极板连接输入信号，所有n个量化电容和两个冗余电容(cr1和cr2)的上极板连接共模电平；

步骤二、将n个量化电容和两个冗余电容(cr1和cr2)的上极板与共模电平断开，下极板与输入信号断开，同时复位到共模电平。预测码字模块105将上一次量化的全部码字加载到切换控制模块106中，控制dac模块切换；比较器模块102进行第一次比较并产生第一个比较结果b0，根据第一比较结果b0切换第一冗余电容cr1。如果b0为1，则将第一冗余电容cr1由共模电平切换至参考地电压；如果b0为0，则将第一冗余电容cr1由共模电平切换至参考高电压。切换之后比较器模块102对dac模块的输出信号进行第二次比较产生第二个比较结果b1；

步骤三、比较步骤二的两次比较结果：

若b0≠b1，则预测正确，n位码字通过码字重组模块打出，完成本次量化，同时预测判断模块103产生复位信号，复位比较器和数字逻辑；

若b0＝b1，则根据第二比较结果b1切换第二冗余电容cr2，切换之后比较器模块102对dac模块的输出信号进行第三次比较并产生第三个比较结果b2。

步骤四、比较第二比较结果b1和第三比较结果b2：

当预测码字判定的切换方向一致时，二进制码字产生模块将以二进制增大的方式寻找采样点所在区间；直到预测码字判定的切换方向反转，二进制码字产生模块将以二进制减小的方式重组新的预测码字和最终的输出码字，直到二进制码字产生模块产生二进制码0…01。

若b1≠b2，则预测正确，此时根据第三比较结果b2调整预测区间，并通过上述码字重组模块107打出调整后的预测区间对应的数字码字，完成本次量化，同时预测判断模块103产生复位信号，复位比较器模块102和数字逻辑；

若b1＝b2，则预测码字需要继续搜寻，码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…10；

若b1＝b2＝0，则在原预测码字基础上减去所述码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…10，形成新的预测码字指导切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第四次比较并产生第四个比较结果b3；若b3≠b2，则表明输入信号在原预测码字减去00…10和原预测码字减去00…11这两个码字区间中，此时在新的预测码字加上码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…01，形成新的预测码字指导切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第四次比较并产生第五个比较结果b4；若b3＝b4，则输出码字为新的预测码字减去00…01；若b3≠b4，则输出码字为新的预测码字减去00…10，完成本次量化，同时预测判断模块103产生复位信号，复位比较器模块102和数字逻辑；

若b1＝b2＝1，则在原预测码字基础上加上码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…10，形成新的预测码字指导切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第四次比较并产生第四个比较结果b3；若b3≠b2，则表明输入信号在原预测码字加上00…10和原预测码字加上00…11这两个码字区间中，此时在新的预测码字减去码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…01，形成新的预测码字指导切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第四次比较并产生第五个比较结果b4；若b3＝b4，则输出码字为新的预测码字加上00…10；若b3≠b4，则输出码字为新的预测码字加上00…01，完成本次量化，同时预测判断模块103产生复位信号，复位比较器模块102和数字逻辑；

若b3＝b2，且b1＝b2＝0，则在新的预测码字基础上减去码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…100，形成新的预测码字指导切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第五次比较并产生第五个比较结果b4，直到比较结果与前面的量化码字不同，则码字产生模块104按照二进制减小的方式指导dac模块101回切，找到输入信号所在码字区间；

若b3＝b2，且b1＝b2＝1，则在新的预测码字基础上加上码字产生模块104产生二进制搜寻码字00…100，形成新的预测码字指导所述切换控制模块106控制dac模块切换，比较器模块102进行第五次比较并产生第五个比较结果b4，直到比较结果与前面的量化码字不同，则码字产生模块104按照二进制减小的方式指导dac模块101回切，找到输入信号所在码字区间。

本发明将传统逐次逼近模数转换的量化方式转变为量化两个采样点之间的码字之差，对于心电信号(ecg)和脑电信号(eeg)等生物电信号包含大量中低频、幅度变化缓慢的部分，本发明可以大大减少比较器开启的时间和转换周期数，从整体上降低了模数转换器的功耗。

附图说明

图1为本发明模数转换器的系统框图；

图2为本发明电容阵列中量化电容和冗余电容示意图；

图3为实施例中二进制冗余电容阵列的示意图；

图4为预测高五位时几种采样点的转换示意图。

具体实施方式

结合附图，通过实施例进一步说明本发明。

如图3所示为实施例中dac模块的电路示意图，每组电容阵列包括5个量化电容以及第一冗余电容cr1和第二冗余电容cr2，按权重由高到低的顺序给所述dac电路图的5个量化电容编号为c1、c2、…、c5，第一冗余电容cr1与量化电容c5的电容值相等，第二冗余电容cr2与量化电容c4电容值相等。第一冗余电容cr1和第二冗余电容cr2依次排列在量化电容c5之后。两组dac阵列的量化电容和冗余电容分别连接在比较器模块的正向输入端和负向输入端，下极板通过开关阵列分别连接输入信号、共模电压、参考高电压和参考地电压，其中共模电压是参考高电压值的一半。

基于本发明提供的模数转换器，本发明提出了一种基于码字重组的量化方法，在量化过程中，不断更新预测码字，直到比较结果反转，码字产生模块反切，最终找到输入信号所在码字区间。

如图4所示，假如上一个采样点五位量化电容得到的码值为10110，接下来采样点vin1也在这个预测区间中，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果vin1比预测码字形成的参考电平小，此时输出码字b0＝0，同时这个码字指导第一个冗余电容cr1的切换，则

dacp端：

dacn端：

所以

如果vin1比预测码字形成的参考电平大，此时输出码字b1＝1，两次比较结果不同表示采样点vin1在上一个采样点所在的码字区间内，即10110，此时保持原始预测码字不变，最后的输出码字也为10110。

假如上一个采样点五位量化电容得到的码值为10110，接下来采样点vin2在如图4的位置，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果vin2比预测码字形成的参考电平小，此时输出码字b0＝0，同时这个码字指导第一个冗余电容cr1的切换，则

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点vin2比预测区间底端的参考电压小，此时输出码字b1＝0，同时这个码字指导第二个冗余电容cr2的切换，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点vin2比预测区间相邻的码字区间底端对应的参考电压大，此时输出码字b2＝1，同时判定此次量化结束，并将原始预测码字从10110改变为10101，最后输出码字也为10101。

假如上一个采样点五位量化电容得到的码值为10110，接下来采样点v′in1在如图4的位置，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果v′in1比预测码字形成的参考电平大，此时输出码字b0＝1，同时这个码字指导第一个冗余电容cr1的切换，则

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in1比预测区间顶端的参考电压大，此时输出码字b1＝1，同时这个码字指导第二个冗余电容cr2的切换，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in1比预测区间相邻的码字区间顶端对应的参考电压大，此时输出码字b2＝1，同时初始预测码字加上二进制码字产生模块产生的二进制码00010，形成新的预测码字11000，则：

dacp端：

dacn端：

所以

由于冗余电容没有复位，新的预测码字11000对应的参考电压在码字区间11001的顶端。如果采样点v′in1比码字区间11001顶端对应的参考电压小，此时输出码字b3＝0，切换方向反转说明v′in1所在的码字区间只可能是11001或者11000。同时在新的预测码字上减去二进制码字产生模块产生的二进制码00001，形成新的预测码字10111，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in1比码字区间11000顶端对应的参考电压小，此时输出码字b4＝0，同时判定此次量化结束，最后输出码字为原始预测码字+00010-00001+00001，即11000，并将原始预测码字从10110改变为11000。

假如上一个采样点五位量化电容得到的码值为10110，接下来采样点v′in2在如图4的位置，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果v′in2比预测码字形成的参考电平小，此时输出码字b0＝0，同时这个码字指导第一个冗余电容cr1的切换，则

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in2比预测区间底端的参考电压小，此时输出码字b1＝0，同时这个码字指导第二个冗余电容cr2的切换，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in2比预测区间相邻的码字区间底端对应的参考电压小，此时输出码字b2＝0，同时在初始预测码字上减去二进制码字产生模块产生的二进制码00010，形成新的预测码字10100，则：

dacp端：

dacn端：

所以

由于冗余电容没有复位，新的预测码字10100对应的参考电压在码字区间10011的底端。如果采样点v′in2比码字区间10011底端对应的参考电压大，此时输出码字b3＝1，切换方向反转说明v′in2所在的码字区间只可能是10011或者10100。同时在新的预测码字上加上二进制码字产生模块产生的二进制码00001，形成新的预测码字10101，则：

dacp端：

dacn端：

所以

如果采样点v′in2比码字区间10100底端对应的参考电压小，此时输出码字b4＝0，同时判定此次量化结束，最后输出码字为原始预测码字-00010+00001-00001，即10100，并将原始预测码字从10110改变为10100。

综上所述，当预测码字判定的切换方向一致时，二进制码字产生模块将以二进制增大的方式寻找采样点所在区间；直到预测码字判定的切换方向反转，二进制码字产生模块将以二进制减小的方式重组新的预测码字和最终的输出码字，直到二进制码字产生模块产生二进制码00001。