一种模数转换装置

本申请涉及电路模数转换技术领域，具体而言，涉及一种模数转换装置。

背景技术：

流水线模数转换装置的转换速度快，可以实现更高的带宽，因此常用在通信和物联网等高速电路系统中。其中，流水线模数转换装置是指由多个模数转换器通过级联方式，以流水线工作模式进行模数转换的装置。

现有的流水线模数转换装置通常包括多个模数转换器，多个模数转换器依次进行模数转换并将输出的数字信号进行整合输出，受到量化噪声和电路热噪声的影响，目前采用的流水线模数转换器电路在实现快速转换的同时，难以获得更高的精度。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种模数转换装置，可以使得模数转换同时获得高速度以及高精度。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例的一方面，提供一种模数转换装置，该装置至少包括：第一模数转换器、第二模数转换器、编码处理模块，以及与第二模数转换器对应的环路滤波模块和电压放大相加模块；

第一模数转换器、第二模数转换器分别包括：模拟输入端、模拟输出端、编码输出端；

第一模数转换器的模拟输入端用于输入模拟信号，第一模数转换器的模拟输出端与电压放大相加模块的第一输入端连接，第一模数转换器的编码输出端用于输出第一数字信号；

第二模数转换器的模拟输出端与环路滤波模块的输入端连接，环路滤波模块的输出端与电压放大相加模块的第二输入端连接，第二模数转换器的编码输出端用于输出第二数字信号；

电压放大相加模块的输出端与第二模数转换器的模拟输入端连接；电压放大相加模块用于对输入的信号进行放大及相加处理；

编码处理模块的输入端分别与第一模数转换器的编码输出端以及第二模数转换器的编码输出端连接，编码处理模块的输出端用于输出编码后的数字信号。

可选地，环路滤波模块包括：余量电压采集单元、滤波单元；

余量电压采集单元的输入端与第二模数转换器的模拟输出端连接；

余量电压采集单元的输出端与滤波单元的输入端连接；

滤波单元的输出端与电压放大相加模块的第二输入端连接。

可选地，电压放大相加模块包括：放大单元和电压加法器；

放大单元的输入端与第一模数转换器的模拟输出端连接；

放大单元的输出端与电压加法器的第一输入端连接；

电压加法器的第二输入端与环路滤波模块的输出端连接；

电压加法器的输出端与第二模数转换器的模拟输入端连接。

可选地，第一模数转换器还包括：第一比较器，第一比较器用于输入第一量化噪声信号。

可选地，第二模数转换器还包括：第二比较器，第二比较器用于输入第二量化噪声信号。

可选地，编码处理模块包括：编码加法器；

编码加法器的输入端分别连接第一模数转换器的编码输出端以及第二模数转换器的编码输出端；

编码加法器的输出端用于对第一模数转换器输出的第一数字信号以及第二模数转换器输出的第二数字信号进行处理，并输出处理后的数字信号。

可选地，该装置还包括：信号缩减电路；

信号缩减电路的输入端与第二模数转换器的编码输出端连接，信号缩减电路的输出端与编码加法器连接。

可选地，电压放大相加模块为余量电压放大相加模块。

本申请实施例的另一方面，提供一种通信系统，该通信系统包括上述模数转换装置以及通信电路。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请实施例提供的模数转换装置中，该装置至少包括：第一模数转换器、第二模数转换器、编码处理模块，以及与第二模数转换器对应的环路滤波模块和电压放大相加模块；第一模数转换器、第二模数转换器分别包括：模拟输入端、模拟输出端、编码输出端；第一模数转换器的模拟输入端用于输入模拟信号，第一模数转换器的模拟输出端与电压放大相加模块的第一输入端连接，第一模数转换器的编码输出端用于输出第一数字信号；第二模数转换器的模拟输出端与环路滤波模块的输入端连接，环路滤波模块的输出端与电压放大相加模块的第二输入端连接，第二模数转换器的编码输出端用于输出第二数字信号；电压放大相加模块的输出端与第二模数转换器的模拟输入端连接；电压放大相加模块用于对输入的信号进行放大及相加处理；编码处理模块的输入端分别与第一模数转换器的编码输出端以及第二模数转换器的编码输出端连接，编码处理模块的输出端用于输出编码后的数字信号。其中，通过环路滤波模块和电压放大相加模块可以实现对第二模数转换器的噪声整形，并且电压放大模块可以提供有源电压增益，补偿环路滤波模块中可能存在的信号传输损失，从而实现更为理想的噪声传输方程，获得更好的噪声整形效果，同时电压放大模块提供的电压增益亦可对第二模数转换器和环路滤波模块产生的噪声进行抑制，加强了噪声抑制效果，进而可以提高第二模数转换器的转换精度，相应地，可以提高模数转换装置的转换精度。相比传统的单级噪声整形结构，流水线结构具有更快的转换速度。传统的结构仅将噪声整形应用于单级模数转换器中，本申请中噪声整形在流水线结构中实现，流水线结构本身具有高速度优势，因此，本申请中的模数转换器亦具有高速优势。也即是说，本申请中的模数转换器同时具有高精度以及高速度的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图一；

图2为本申请实施例提供的模数转换装置中多个模数转换器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图二；

图4为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图三；

图5为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图四；

图6为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图五；

图7为本申请实施例提供的模数转换装置工作的信号转换示意图；

图8为本申请实施例提供的噪声传输方程的传输曲线示意图；

图9为本申请实施例提供的通信系统的结构示意图。

图标：100-模数转换装置；110-第一模数转换器；120-第二模数转换器；130-编码处理模块；131-编码加法器；140-环路滤波模块；141-余量电压采集单元；142-滤波单元；150-电压放大相加模块；151-放大单元；152-电压加法器；160-信号缩减电路；200-模拟前端电路；300-数字信号处理装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面来解释本申请实施例中提供的模数转换装置的具体连接结构以及所包含的结构关系。

图1为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图一，请参照图1，该装置至少包括：第一模数转换器110、第二模数转换器120、编码处理模块130，以及与第二模数转换器对应的环路滤波模块140和电压放大相加模块150；第一模数转换器110、第二模数转换器120分别包括：模拟输入端、模拟输出端、编码输出端；第一模数转换器110的模拟输入端用于输入模拟信号，第一模数转换器110的模拟输出端与电压放大相加模块的第一输入端连接，第一模数转换器110的编码输出端用于输出第一数字信号；第二模数转换器120的模拟输出端与环路滤波模块的输入端连接，环路滤波模块140的输出端与电压放大相加模块150的第二输入端连接，第二模数转换器120的编码输出端用于输出第二数字信号；电压放大相加模块150的输出端与第二模数转换器120的模拟输入端连接；电压放大相加模块150用于对输入的信号进行放大及相加处理；编码处理模块130的输入端分别与第一模数转换器110的编码输出端以及第二模数转换器120的编码输出端连接，编码处理模块130的输出端用于输出编码后的数字信号。

可选地，第一模数转换器110以及第二模数转换器120均为逐次逼近型模数转换器结构，或者，第一模数转换器110以及第二模数转换器120也可以是其它模数转换器结构，使整体模数转换装置可以实现流水线形式的噪声整形结构即可。均具有模拟输入端、模拟输出端、编码输出端，其中，模拟输入端用于输入模拟信号，通过流水线模数转换器进行模数转换处理，将转换得到的数字编码信号通过编码输出端输出，将未转换的模拟信号通过模拟输出端输出。

可选地，环路滤波模块140可以用于对第二模数转换器120输出的余量电压进行采样和滤波，并将滤波后的模拟信号输入至电压放大相加模块150中。

可选地，电压放大相加模块150可以用于对第一模数转换器110的模拟输出端输出的模拟信号进行放大处理，并将放大处理后的信号与环路滤波模块140输出的滤波处理后的模拟信号进行相加处理，进而将得到的模拟信号输入到第二模数转换器120中。

可选地，编码处理模块130用于对第一模数转换器110和第二模数转换器120输出的数字编码信号进行处理，得到最后输出的数字信号。

可选地，上述模数转换装置的工作流程具体如下：通过第一模数转换器110的模拟输入端输入模拟信号后，可以进行第一次模数转换，得到第一模数转换器110输出的模拟电压和第一数字信号，第一模数转换器110输出的模拟电压经过电压放大相加模块150后输入至第二模数转换器120，可以进行第二次模数转换，得到第二模数转换器120输出的模拟电压和第二数字信号，可以将第二模数转换器120输出的模拟电压输入环路滤波模块140进行滤波处理后输出至电压放大相加模块150，电压放大相加模块150可以将第一模数转换器110输出的模拟电压和滤波处理后输出的模拟电压进行处理后输出至第二模数转换器120；编码处理模块130可以将第一数字信号和第二数字信号进行处理，进而可以输出处理后的数字信号。需要说明的是，本申请实施例中提供的余量电压均为模拟电压。

上述解释仅为对模数转换装置工作流程的初步解释，之后将对上述工作过程进行具体解释。

可选地，上述提供的模数转换装置中以仅仅包括一个第二模数转换器为例，在实际工作中，为了实现流水线多次模数转换，还可以设置有多个第二模数转换器，下面来解释本申请实施例中提供的具有多个第二模数转换器的模数转换装置。

图2为本申请实施例提供的模数转换装置中多个模数转换器的结构示意图，请参照图2，图2中以设置两个第二模数转换器为例，用以表示多个第二模数转换器时的连接情况。

当具有多个第二模数转换器时，每个第二模数转换器与电压放大相加模块、环路滤波模块连接方式均类似，在此不加赘述，每个第二模数转换器的编码输出端均与编码处理模块130连接以进行进一步编码处理。

当具有多个第二模数转换器时，下一个第二模数转换器对应的电压放大相加模块的输入端与上一个第二模数转换器的模拟输出端连接。

本申请实施例提供的模数转换装置中，该装置至少包括：第一模数转换器、第二模数转换器、编码处理模块，以及与第二模数转换器对应的环路滤波模块和电压放大相加模块；第一模数转换器、第二模数转换器分别包括：模拟输入端、模拟输出端、编码输出端；第一模数转换器的模拟输入端用于输入模拟信号，第一模数转换器的模拟输出端与电压放大相加模块的第一输入端连接，第一模数转换器的编码输出端用于输出第一数字信号；第二模数转换器的模拟输出端与环路滤波模块的输入端连接，环路滤波模块的输出端与电压放大相加模块的第二输入端连接，第二模数转换器的编码输出端用于输出第二数字信号；电压放大相加模块的输出端与第二模数转换器的模拟输入端连接；电压放大相加模块用于对输入的信号进行放大及相加处理；编码处理模块的输入端分别与第一模数转换器的编码输出端以及第二模数转换器的编码输出端连接，编码处理模块的输出端用于输出编码后的数字信号。其中，通过环路滤波模块和电压放大相加模块可以实现对第二模数转换器的噪声整形，并且电压放大模块可以提供有源电压增益，补偿环路滤波模块中可能存在的信号传输损失，从而实现更为理想的噪声传输方程，获得更好的噪声整形效果，同时电压放大模块提供的电压增益亦可对第二模数转换器和环路滤波模块产生的噪声进行抑制，加强了噪声抑制效果，进而可以提高第二模数转换器的转换精度，相应地，可以提高模数转换装置的转换精度。相比传统的单级噪声整形结构，流水线结构具有更快的转换速度。传统的结构仅将噪声整形应用于单级模数转换器中，本申请中噪声整形在流水线结构中实现，流水线结构本身具有高速度优势，因此，本申请中的模数转换器亦具有高速优势。也即是说，本申请中的模数转换器同时具有高精度以及高速度的特点。

下面来解释本申请实施例中提供的模数转换装置中的环路滤波模块的具体结构关系。

图3为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图二，请参照图3，环路滤波模块140包括：余量电压采集单元141、滤波单元142；余量电压采集单元141的输入端与第二模数转换器120的模拟输出端连接；余量电压采集单元141的输出端与滤波单元142的输入端连接；滤波单元142的输出端与电压放大相加模块150的第二输入端连接。

可选地，余量电压采集单元141可以用于采集第二模数转换器120输出的模拟信号中的电压，余量电压采集单元141可以是任意高精度电压采集电路，在此不作限制，凡是可以实现对模拟信号中电压的采集即可。

可选地，滤波单元142可以是任意连接方式组成的滤波电路，可以对余量电压采集单元141采集到的电压进行滤波处理，并可以将滤波处理完成后的模拟电压输入至电压放大相加模块150。

环路滤波模块140具体工作过程如下：当第二模数转换器120输出模拟信号后，余量电压采集单元141对输出的模拟信号进行信号采集，以获取模拟信号中的模拟电压，并可以将模拟电压存储于余量电压采集单元141中，当滤波单元142导通后，滤波单元142可以将存储于余量电压采集单元141中的模拟电压进行滤波处理，并将滤波处理后的模拟电压输入给电压放大相加模块150。

下面来具体解释本申请实施例中提供的模数转换装置中的电压放大相加模块的具体结构关系。

图4为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图三，请参照图4，电压放大相加模块150包括：放大单元151和电压加法器152；放大单元151的输入端与第一模数转换器110的模拟输出端连接；放大单元151的输出端与电压加法器152的第一输入端连接；电压加法器152的第二输入端与环路滤波模块140的输出端连接；电压加法器152的输出端与第二模数转换器120的模拟输入端连接。

可选地，放大单元151具体可以是放大器，由于第一模数转换器110模拟输出端输出的为未进行模数转换的余量电压，因此，该电压值可能相对较小，通过放大单元151可以对输出的余量电压进行放大处理，例如：放大g倍(g为根据实际需求进行放大的倍数，用户可以根据实际情况具体设置，在此不作限制)。

可选地，电压加法器152可以将第一模数转换器110输出的余量电压与环路滤波模块140输出的滤波后的模拟电压进行相加处理，然后将相加处理后的电压输入至第二模数转换器120。其中，相加处理即为将两个模拟电压信号作和处理。

电压放大相加模块150具体工作过程如下：第一模数转换器110输出模拟信号(余量电压)后，放大单元151对该模拟信号进行放大g倍后输入至电压加法器152中，电压加法器152将放大单元151输出的模拟信号和环路滤波模块140输出的模拟信号(滤波后的模拟电压)进行相加处理后，将相加处理后的模拟电压信号输入至第二模数转换器120中。

可选地，电压放大相加模块150为余量电压放大相加模块。

下面来解释本申请实施例中提供的模数转换装置中的第一模数转换器以及第二模数转换器的具体结构关系。

图5为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图四，请参照图5，第一模数转换器110还包括：第一比较器，第一比较器用于输入第一量化噪声信号。

其中，第一量化噪声信号可以是给第一模数转换器110中引入的噪声信号。

第一模数转换器110输入的模拟信号可以先被第一模数转换器110进行采样和量化处理，模数转换器的作用是将输入的模拟电压信号转换为输出的数字编码信号，理论上希望输入和输出保持一致，然而在实际工作时，由于模数转换器的精度问题，会产生误差，也就导致了输出的数字编码信号通常会有损失，这部分损失的信号称为第一量化噪声信号。

可选地，在量化编码的过程中，可以得到对应的数字编码信号，该数字编码信号可以存储于第一模数转换器110中的寄存器内，在转换的过程中，量化的编码信号还会被第一模数转换器110中的数模转换器转换为模拟电压信号，并从输入的模拟信号中减去，进而得到第一模数转换器110输出的余量电压，也即是第一模数转换器110的模拟输出端输出的模拟电压信号。

可选地，第二模数转换器120还包括：第二比较器，第二比较器用于输入第二量化噪声信号。

其中，第二量化噪声信号可以是给第二模数转换器120中引入的噪声信号。

可选地，第二模数转换器120的工作过程与第一模数转换器110的工作过程相类似，第二模数转换器120输入的模拟信号可以先被第二模数转换器120进行采样和量化处理。

可选地，在量化编码的过程中，可以得到对应的数字编码信号，该数字编码信号可以存储于第二模数转换器120中的寄存器内，在转换的过程中，量化的编码信号还会被第二模数转换器120中的数模转换器转换为模拟电压信号，并从输入的模拟信号中减去，进而得到第二模数转换器120输出的余量电压，也即是第二模数转换器120的模拟输出端输出的模拟电压信号。

下面来解释本申请实施例中提供的模数转换装置中的编码处理模块的具体结构关系。

图6为本申请实施例提供的模数转换装置的结构示意图五，请参照图6，编码处理模块130包括：编码加法器131；编码加法器131的输入端分别连接第一模数转换器110的编码输出端以及第二模数转换器120的编码输出端；编码加法器131的输出端用于对第一模数转换器110输出的第一数字信号以及第二模数转换器120输出的第二数字信号进行处理，并输出处理后的数字信号。

可选地，编码加法器131具体可以是用于对第一数字信号以及第二数字信号进行相关加法处理的电路器件。

可选地，该装置还包括：信号缩减电路160；信号缩减电路160的输入端与第二模数转换器120的编码输出端连接，信号缩减电路160的输出端与编码加法器131连接。

可选地，由于第二模数转换器120中输入的信号被电压放大相加模块150进行了放大，因此，第二模数转换器中输出的第二数字信号的大小是经过放大后的数字信号，在第二模数转换器120和编码加法器131之间还可以设置信号缩减电路160，信号缩减电路160可以是任意类型的数字缩小电路，例如可以将第二模数转换器120输出的第二数字信号缩小g倍，进而将缩小后的第二数字信号输入至编码加法器131中。

相应地，编码加法器131可以将第一模数转换器110的编码输出端输出的第一数字信号与信号缩减电路输出的缩小后的第二数字信号进行编码加法处理，也即是将第一数字信号的值与缩小后的第二数字信号的值进行相加处理，得到处理后的数字信号，并可以将该数字信号输出。

下面来通过相关计算公式来具体解释本申请实施例中提供的模数转换装置工作的具体流程。

图7为本申请实施例提供的模数转换装置工作的信号转换示意图，请参照图7，其中，第一模数转换器输入的模拟电压信号为vin(z)，第一模数转换器输出的模拟电压信号为vres1(z)，第一模数转换器输出的数字编码信号为d1(z)；第二模数转换器输入的模拟电压信号为vin2(z)，第二模数转换器输出的模拟电压信号为vres2(z)，第二模数转换器输出的数字编码信号为d2(z)；放大单元输出的信号为vra(z)，环路滤波模块输出的信号为vh(z)，编码处理模块输出的信号为do(z)。

首先，输入的模拟信号被第一模数转换器采样和量化，在量化过程中，会引入第一量化噪声信号。经过量化后，可以得到第一模数转换器输出的数字编码信号，并被寄存器暂时存储。在转换的过程中，数字编码信号也会被第一模数转换器中的数模转换器转换为模拟电压，并从输入信号中减去。当第一级转换完成后即得到第一模数转换器模拟输出端所输出的模拟信号，也即是余量电压。第一级的转换过程可以通过以下两个公式来描述，计算公式如下：

d1(z)＝vin(z)+q1(z)；

vres1(z)＝vin(z)-d1(z)；

其中，q1(z)为引入的第一量化噪声信号。

第一模数转换器转换完成后，输出的模拟信号被余量电压放大器放大g倍，得到放大单元输出的信号。该信号可以与环路滤波模块的输出电压相加。相加后的电压为第二模数转换器输入的模拟信号。在第二模数转换器中，第二模数转换器输入的模拟信号经过量化后，加入了第二量化噪声信号，可以得到第二模数转换器输出的数字编码信号。另外，第二模数转换器输出的数字编码信号经过第二模数转换器中的数模转换器转换成模拟电压值，生成第二模数转换器模拟输出端所输出的模拟信号，也即是余量电压。这个过程可以通过以下两个公式描述：

d2(z)＝vin2(z)+q2(z)；

vres2(z)＝vin2(z)-d2(z)；

其中，q2(z)为引入的第二量化噪声信号。

在环路滤波模块中进行滤波处理的具体过程如下公式所示：

vh(z)＝vres2(z)×h(z)；

其中，h(z)为环路滤波模块进行滤波时的传输函数。

编码处理模块的计算公式具体如下：

do(z)＝d1(z)+d2(z)/g；

其中，g为放大单元放大的倍数。

可选地，结合上述公式，进而可以得到：

do(z)＝vin(z)+(1-h(z))×q2(z)/g。

根据以上公式可以得到，q2(z)/g为缩小后的第二量化噪声信号，因此，噪声整形的具体滤波效果可以通过如下公式进行表示：

ntf＝1-h(z)；

其中，ntf即为噪声传输方程。

下面来解释本申请实施例中提供的噪声传输方程的具体表示关系。

图8为本申请实施例提供的噪声传输方程的传输曲线示意图，请参照图8，其中，曲线①为h(z)＝z^-1时的ntf曲线，曲线②为h(z)＝-2z^-1+z^-2时的ntf曲线，曲线③为h(z)＝-3z^-1+3z^-2-z^-3时的ntf曲线。

图8中的横坐标是归一化频率，纵坐标代表ntf曲线的幅度值。该幅度值小于0db时，代表其幅度是小于1的，即对于经过该ntf滤波的电压具有衰减作用。从图中看到，对于曲线①，即滤波器输出电压仅仅是输入电压一个周期的延时，便可以获得较好的噪声整形效果，量化噪声在低频阶段具有-20db/dec的抑制效果。虽然更复杂的h(z)可以获得更好的噪声抑制效果，但是这样的滤波器实现起来也会越复杂，需要更多的硬件电路。因此，具体h(z)的可以根据需要来进行设置确定。

可选地，本申请实施例中提供的模数转换装置具体可以应用于多种类型的工作系统中，例如：通信系统、物联网系统等，下面以通信系统为例来解释本申请实施例中提供的应用场景。

图9为本申请实施例提供的通信系统的结构示意图，请参照图9，该通信系统包括上述模数转换装置100以及模拟前端电路200、数字信号处理装置300。

其中，模拟前端电路200可以依次与模数转换装置100、数字信号处理装置300连接，进而实现该通信系统中的模数转换处理工作。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。