用于Sigma-DeltaADC的过载处理方法和系统与流程

用于sigma-deltaadc的过载处理方法和系统
技术领域
1.本发明涉及信号处理技术领域，更特别地，涉及一种用于sigma-delta adc的过载处理方法和系统。


背景技术：

2.随着超大规模集成电路技术的飞速发展，采用一片式传感器信号采集和智能计算，可使系统具有更高的可靠性和更低的成本。如何用尽量简单合适的结构和低的功耗来实现系统需要的功能，成为科学研究和产品开发的热点。sigma-delta adc（analog to digital converter，模数转换器）在高精度ad转换领域有着广泛的应用，并且在目前小尺寸cmos（complementary metal oxide semiconductor,互补金属氧化物半导体）工艺下能很好地集成在芯片系统中。
3.在sigma delta adc中经常存在过载现象，即积分器的理论输出超过了实际电路能够处理的范围。在现有的处理sigma delta adc过载的方法中，一般是使用复位积分器或者对adc下电后再上电。但是，前者会影响信号的建立，后者需要系统重新建立，adc恢复正常工作时间更久。目前还有的技术，是检测adc输入信号，内部各个积分器输出信号，然后如果积分器a发生过载，那么积分器a就被复位，虽然有针对性的对某个积分器复位，但系统信号的建立还是需要一定时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于sigma-delta adc的过载处理方法和系统，以在不影响内部积分器的信号的建立的情况下，通过动态调整adc的内部系数来避免adc发生过载出现不稳定情况。
5.根据本发明的一方面，提供一种用于sigma-delta adc的过载处理方法，包括如下步骤：检测输入信号的幅值；根据输入信号的幅值与adc的输入信号量程的比较结果，生成控制信号；以及根据所述控制信号，动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。
6.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理方法中，在根据输入信号的幅值与adc的输入信号量程的比较结果，生成控制信号的步骤中，如果输入信号的幅值大于adc的输入信号量程，则所述控制信号为低电平；如果输入信号的幅值小于adc的输入信号量程，则所述控制信号为高电平。
7.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理方法中，根据所述控制信号，动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数的步骤包括：根据所述控制信号，生成控制码；根据所述控制码，控制sigma-delta adc中的积分器的多个采样电容的连接来调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。
8.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理方法中，如果所述控制信号为高电平，则控制每个积分器中的所有采样电容都使能；如果所述控制信号为低电平，则控制每个积分器中的一个采样电容使能。
9.根据本发明的另一方面，还提供一种用于sigma-delta adc的过载处理系统，连接于sigma-delta adc，包括：过载检测模块，用于检测输入信号的幅值，根据输入信号的幅值与adc的输入信号量程的比较结果，生成控制信号；以及过载处理模块，用于根据所述控制信号，动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。
10.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理系统中，如果输入信号的幅值大于adc的输入信号量程，则所述控制信号为低电平；如果输入信号的幅值小于adc的输入信号量程，则所述控制信号为高电平。
11.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理系统中，所述过载处理模块根据所述控制信号，生成控制码；所述sigma-delta adc根据所述控制码，控制积分器的多个采样电容的连接来调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。
12.在本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理系统中，如果所述控制信号为高电平，则控制每个积分器中的所有采样电容都使能；如果所述控制信号为低电平，则控制每个积分器中的一个采样电容使能。
13.实施本发明的用于sigma-delta adc的过载处理方法，具有以下有益效果：本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理方法，通过比较输入信号的幅值与adc的输入信号量程，产生一个控制信号去动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数，这样就可以在不影响内部积分器的信号建立的情况下，通过动态调整调整adc的内部系数来避免adc发生过载，具有恢复速度快和算法复杂度低的优点。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：图1所示是本发明一实施例提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的原理图；图2所示是将本发明一提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的应用于前馈型sigma delta adc的架构图；图3所示是将本发明一提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的应用于反馈型sigma delta adc的架构图；图4所示是积分器输出信号v
out
随时间变化的示意图；图5所示是图2和图3中的积分器内部的增益电路的具体实现。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在前馈型sigma delta adc（如图3所示）中，当输入信号增加时，第一级积分器的传输函数为v
out
=
ꢀ‑ꢀcs
*v
in
/cfꢀꢀꢀ
(1)其中，cs为采样电容，cf为积分电容。当v
in
增加时，v
out
就往相反方向增加。在实际电路中，v
out
的电压范围由0到电源电平。当v
out
到达0或者电源电平时，adc系统会发生过载，即adc输出长时间输出高电平或者低电平。
17.因此，本发明的总体思路是：针对现有技术中处理sigma-delta adc过载的方法存在积分器输出信号建立时间长的缺点，提供一种用于sigma-delta adc的过载处理方法，通过比较输入信号的幅值与adc的输入信号量程，产生一个控制信号去动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数，这样就可以在不影响内部积分器的信号建立的情况下，通过动态调整调整adc的内部系数来避免adc发生过载，具有恢复速度快和算法复杂度低的优点。
18.图1所示是本发明一实施例提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的原理图。如图1所示，本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理系统连接于sigma-delta adc 110，本领域技术人员可以理解的是，sigma-delta adc 110可以是前馈型sigma-delta adc（如图2所示），也可以是反馈型sigma-delta adc（如图3所示），本发明并不以此为限。该用于sigma-delta adc的过载处理系统包括过载检测模块120和过载处理模块130，过载检测模块120连接于过载处理模块130，过载处理模块130连接于sigma-delta adc 110。其中，过载检测模块120的输入端连接输入电压信号，用于检测输入信号的幅值，然后根据输入信号的幅值与adc的输入信号量程的比较结果，生成控制信号传递到过载处理模块130；过载处理模块130根据控制信号来动态调整sigma-delta adc的内部参数，内部参数为前馈系数或反馈系数。
19.实施例一图2所示是将本发明一提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的应用于前馈型sigma delta adc的架构图。如图2所示，该前馈型sigma delta adc包括依次串联的n个积分器（积分器1、积分器2......积分器n），每个积分器的输入端连接有积分器系数（积分器系数c1、积分器系数c2......积分器系数cn），每个积分器的输出端连接有前馈系数（前馈系数a1、前馈系数a2......前馈系数an）以及下一个积分器的积分器系数，所有的前馈系数连接于比较器a的输入端。例如，积分器1的输入端连接有积分器系数c1，积分器1的输出端连接有前馈系数a1和积分器2的积分器系数c2。在现有技术中，在sigma delta adc发生过载时，通过复位积分器或调整积分器系数来避免过载。从公式1可知，如图4所示，下一次信号转换时，如果利用复位积分器来调整过载，则v
out
需要从0电平或者共模电平上升到理论值所需的时间为t1。如果采用本实施例的方法，即通过调整积分器的前馈系数来调整过载，则积分器的v
out
不需要复位到0，而是从v
out
的某个电压开始，这样v
out
上升到理论值到所需要的时间为t2。如图4所示，t2小于t1。此外，如果通过调整积分器系数来避免过载，
虽然信号的建立完成所需要的时间短，但还是影响到了积分器输出信号的建立。而本发明通过调整积分器的前馈系数，只是影响信号的前馈加和，对积分器输出信号的建立无影响，因此，本发明可以在不影响内部积分器的信号建立的情况下，通过动态调整调整adc的内部系数在短时间内调整adc的过载现象。
20.具体地，在本发明一实施例中，如图2所示，本实施例提供的过载处理系统的过载检测模块120采用电压比较器。该电压比较器的正向输入端输入该前馈型sigma delta adc的满量程阈值电压，反向输入端连接该前馈型sigma delta adc的输入电压信号v
in
。当输入电压信号v
in
小于满量程阈值电压时，该电压比较器输出高电平至过载处理模块130；当输入电压信号v
in
大于满量程阈值电压时，该电压比较器输出低电平至过载处理模块130。
21.具体地，在本发明一实施例中，如图2所示，过载处理模块130在收到来自过载检测模块120的控制信号后，需要根据该控制信号输出相应的控制码；该前馈型sigma-delta adc收到控制码后，根据该控制码来控制相应积分器的前馈系数。图5所示是图2中的一个积分器内部的增益电路，如图5所示，每个积分器包括一个比较器op，比较器的两个输入端分别连接并联的n个采样电容支路，每个采样电容支路包括一个采样电容cs和一个采样电容开关（k1......kn）。来自过载处理信号130的控制码通过控制采样电容开关的接入或断开来控制采样电容的工作，通过控制采样电容支路的连接可以调整积分器的前馈系数，即通过调整接入电路的采样电容的数量来实现前馈系数的倍数的调整。
22.在本发明一实施例中，在过载检测模块120检测到输入信号的幅值小于adc的输入信号量程时，说明没有发生过载，此时过载检测模块120输出高电平的控制信号；过载处理模块130根据高电平的控制信号生成高电平的控制码，例如，如果控制码为3位，即输出3’b111的控制码；sigma-delta adc的积分器在收到3’b111的控制码后，将全部的采样电容模块使能，即采样电容开关k1~kn和k1b~knb全部闭合，此时，v
out
输出较大的信号，积分器增益较大。本领域技术人员可以理解的是，控制码的位数还可以是其他数量，例如，如果控制码为4位，则在过载处理模块130收到高电平的控制信号时，其生成4’b1111的控制码发送至积分器；在过载处理模块130收到低电平的控制信号时，其生成4’b00000的控制码发送至积分器，本发明并不以此为限。
23.在本发明另一实施例中，在过载检测模块120检测到输入信号的幅值大于adc的输入信号量程时，说明发生过载，此时过载检测模块120输出低电平的控制信号；过载处理模块130根据低电平的控制信号生成低电平的控制码，例如，如果控制码为3位，即输出3’b000的控制码；sigma-delta adc的积分器在收到3’b000的控制码后，仅使能积分器的一个采样电容模块，即闭合采样电容开关k1和k1b，而采样电容开关k2~kn和k2b~knb保持断开状态，此时v
out
输出较小的信号，积分器增益较小，以保证经过几个周期后，输出信号可以稳定。
24.实施例二图3所示是将本发明一提供的一种用于sigma-delta adc的过载处理系统的应用于反馈型sigma delta adc的架构图。如图3所示，该反馈型sigma delta adc包括依次串联的n个积分器（积分器1、积分器2......积分器n），每个积分器的输入端连接有积分器系数（积分器系数c1、积分器系数c2......积分器系数cn）和反馈系数（反馈系数a1、反馈系数a2......反馈系数an），每个积分器的输出端连接有下一个积分器的积分器系数和反馈系数，所有的反馈系数连接于比较器的输出端。例如，积分器1的输入端连接有积分器系数c1
和反馈系数a1，积分器1的输出端连接积分器2的积分器系数c2和反馈系数a2。在现有技术中，在sigma delta adc发生过载时，通过复位积分器或调整积分器系数来避免过载。从公式1可知，如图4所示，下一次信号转换时，如果利用复位积分器来调整过载，则v
out
需要从0电平或者共模电平上升到理论值所需的时间为t1。如果采用本实施例的方法，即通过调整积分器的前馈系数来调整过载，则积分器的v
out
不需要复位到0，而是从v
out
的某个电压开始，这样v
out
上升到理论值到所需要的时间为t2。如图4所示，t2小于t1。此外，如果通过调整积分器系数来避免过载，虽然信号的建立完成所需要的时间短，但还是影响到了积分器输出信号的建立。而本发明通过调整积分器的反馈系数，只是影响信号的反馈加和，对积分器输出信号的建立无影响，因此，本发明可以在不影响内部积分器的信号建立的情况下，通过动态调整调整adc的反馈系数在短时间内调整adc的过载现象。
25.具体地，在本发明一实施例中，如图3所示，本实施例提供的过载处理系统的过载检测模块120采用电压比较器。该电压比较器的正向输入端输入该反馈型sigma delta adc的满量程阈值电压，反向输入端连接该反馈型sigma delta adc的输入电压信号v
in
。当输入电压信号v
in
小于满量程阈值电压时，该电压比较器输出高电平至过载处理模块130；当输入电压信号v
in
大于满量程阈值电压时，该电压比较器输出低电平至过载处理模块130。
26.具体地，在本发明一实施例中，如图3所示，过载处理模块130在收到来自过载检测模块120的控制信号后，需要根据该控制信号输出相应的控制码；该反馈型sigma-delta adc收到控制码后，根据该控制码控制相应积分器的反馈系数。图5所示是图3中的一个积分器内部的增益电路，如图5所示，每个积分器包括一个比较器op，比较器的两个输入端分别连接并联的n个采样电容支路，每个采样电容支路包括一个采样电容cs和一个采样电容开关（k1......kn）。来自过载处理信号130的控制码通过控制采样电容开关的接入或断开来控制采样电容的工作，通过控制采样电容支路的连接可以调整积分器的反馈系数，即通过调整接入电路的采样电容的数量来实现反馈系数的倍数的调整。
27.在本发明一实施例中，在过载检测模块120检测到输入信号的幅值小于adc的输入信号量程时，说明没有发生过载，此时过载检测模块120输出高电平的控制信号；过载处理模块130根据高电平的控制信号生成高电平的控制码，例如，如果控制码为3位，即输出3’b111的控制码；sigma-delta adc的积分器在收到3’b111的控制码后，将全部的采样电容模块使能，即采样电容开关k1~kn和k1b~knb全部闭合，此时，v
out
输出较大的信号，积分器增益较大。本领域技术人员可以理解的是，控制码的位数还可以是其他数量，例如，如果控制码为4位，则在过载处理模块130收到高电平的控制信号时，其生成4’b1111的控制码发送至积分器；在过载处理模块130收到低电平的控制信号时，其生成4’b00000的控制码发送至积分器，本发明并不以此为限。
28.在本发明另一实施例中，在过载检测模块120检测到输入信号的幅值大于adc的输入信号量程时，说明发生过载，此时过载检测模块120输出低电平的控制信号；过载处理模块130根据低电平的控制信号生成低电平的控制码，例如，如果控制码为3位，即输出3’b000的控制码；sigma-delta adc的积分器在收到3’b000的控制码后，仅使能积分器的一个采样电容模块，即闭合采样电容开关k1和k1b，而采样电容开关k2~kn和k2b~knb保持断开状态，此时v
out
输出较小的信号，积分器增益较小，以保证经过几个周期后，输出信号可以稳定。
29.实施例三
本发明还提供一种用于sigma-delta adc的过载处理方法，包括如下步骤：步骤s1、检测输入信号的幅值；具体地，在本发明一实施例中，通过过载检测模块检测sigma-delta adc的输入电压的幅值。
30.步骤s2、根据输入信号的幅值与adc的输入信号量程的比较结果，生成控制信号；具体地，在本发明一实施例中，比较输入信号的幅值与adc的输入信号量程，如果输入信号的幅值大于adc的输入信号量程，则生成低电平的控制信号；如果输入信号的幅值小于adc的输入信号量程，则生成高电平的控制信号。
31.步骤s3、根据所述控制信号，动态调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。
32.具体地，在本发明一实施例中，根据所述控制信号，生成控制码；然后根据所述控制码，控制sigma-delta adc中的积分器的多个采样电容的连接来调整sigma-delta adc的前馈系数或反馈系数。进一步地，如果所述控制信号为高电平，则控制每个积分器中的所有采样电容都使能；如果所述控制信号为低电平，则控制每个积分器中的一个采样电容使能。由此，可以在不影响内部积分器的信号建立的情况下，通过动态调整调整adc的反馈系数在短时间内调整adc的过载现象。
33.本发明提供的用于sigma-delta adc的过载处理方法通过调整sigma delta adc的内部系数a1~an来解决sigma delta adc过载问题，不仅适用于前馈型sigma delta adc，同样适用于反馈型sigma delta adc。通过比较输入信号的幅值与adc的输入信号量程来控制sigma delta adc的内部系数，相比于传统的对adc进行复位，积分器输出信号建立所需要的时间更短。
34.上文已经描述了本发明的某些具体实施例。注意，在此使用的术语仅为了描述具体实施例而并非旨在于限制公开内容。例如，除非上下文另有明示,在此使用的单数形式“一个/ 一种”和“该”旨在于也包括复数形式。还将理解措词“包括”在使用于本说明书中时指定存在声明的特征、整件、步骤、操作、单元和/或部件而未排除存在或者添加一个或者多个其他特征、整件、步骤、操作、单元、部件和/或其组合。
35.尽管已经在上文参考附图描述了本发明的若干实施例，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施例。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。