帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，解決了現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗浪費的問題。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括采樣保持電路、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、逐次逼近寄存器和邏輯控制器，所述采樣保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路共用電容陣列；所述電容陣列用于采集模擬信號，并在逐次逼近時將差分電壓按規(guī)律變化以實現(xiàn)每個比較位輸出，所述電容陣列的數(shù)字編程開關(guān)控制選通窗幅度大小；所述比較器用于比較雙側(cè)電容陣列上極板電壓大小，供給邏輯控制器進行后續(xù)邏輯控制及輸出該位數(shù)字編碼；所述邏輯控制器用于提供給系統(tǒng)逐次逼近算法的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號與選通窗大小的比較來確定是依序切換電容，還是跳過選通位以上高位電容的翻轉(zhuǎn)，直接進行低位電容比較。
【專利說明】帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子電路【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，醫(yī)用神經(jīng)電子學(xué)器件發(fā)展迅猛，人類由最初的通過大型設(shè)備對身體各項指標(biāo)進行監(jiān)控、治療，逐漸發(fā)展到通過便攜設(shè)備對生命體征進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。為了更長時間地使用便攜式設(shè)備，降低設(shè)備使用芯片的功耗就成為便攜式神經(jīng)信號采集系統(tǒng)的必然趨勢。在不同的神經(jīng)信號采集系統(tǒng)中，MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微機電系統(tǒng))感應(yīng)器與前端放大電路都不盡相同，需要根據(jù)實際信號情況進行設(shè)計。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器是所有神經(jīng)信號采集系統(tǒng)都必需的組件之一，它負責(zé)著將采集到的信號數(shù)字化輸出的重要任務(wù)。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗的降低對各種神經(jīng)信號采集系統(tǒng)總體功耗的降低都具有積極的意義。
[0003]由于極低功耗的限制要求，應(yīng)用于神經(jīng)信號采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須滿足苛刻的功耗限制。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換構(gòu)架以其較低的功率消耗成為面向神經(jīng)信號采集應(yīng)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的首選架構(gòu)。
[0004]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下技術(shù)問題:
[0005]由于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器每次數(shù)字化模擬信號，需要遍歷所有位電容，在電容翻轉(zhuǎn)上消耗的電流過大，而神經(jīng)信號具有小幅度噪聲持續(xù)時間長、信息脈沖間隔出現(xiàn)的特性，因此對大部分時間而言，模數(shù)轉(zhuǎn)換器高位電容在噪聲轉(zhuǎn)化時的翻轉(zhuǎn)造成功耗的浪費。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠降低神經(jīng)信號采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。
[0007]本發(fā)明提供一種帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括采樣保持電路、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、逐次逼近寄存器和邏輯控制器，所述采樣保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路共用電容陣列，所述電容陣列的上極板為輸出端，與所述比較器的輸入相連；
[0008]所述電容陣列，用于采集模擬信號，并在逐次逼近時將差分電壓按規(guī)律變化以實現(xiàn)每個比較位輸出，所述電容陣列的數(shù)字編程開關(guān)控制選通窗幅度大小；
[0009]所述比較器，用于比較雙側(cè)電容陣列上極板電壓大小，供給邏輯控制器進行后續(xù)邏輯控制及輸出該位數(shù)字編碼；
[0010]所述邏輯控制器，用于提供給系統(tǒng)逐次逼近算法的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號與選通窗大小的比較來確定是依序切換電容，還是跳過選通位以上高位電容的翻轉(zhuǎn)，直接進行低位電容比較。
[0011]本發(fā)明提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由數(shù)字編程控制選通窗選通位，即可改變選通窗大??；邏輯控制器能夠自動跳過選通窗編程位以上高控制位的電容翻轉(zhuǎn)過程，從而縮短了數(shù)字化時間，降低了電容翻轉(zhuǎn)的功耗。選通窗的數(shù)字編程選擇設(shè)計以及與電容陣列的復(fù)用技術(shù)，使得選通窗幅度的選擇便捷、準確而簡單，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器更具實用性與廣泛的適用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0013]圖1為本發(fā)明實施例提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)架；
[0014]圖2為本發(fā)明實施例提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的算法邏輯流程圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實施例提供的神經(jīng)信號展示圖；
[0016]圖4為本發(fā)明實施例提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與不帶數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分電容陣列上電壓變化的對比圖。

【具體實施方式】
[0017]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0018]本發(fā)明實施例提供一種帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，為所述帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)架，包括采樣保持電路、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、逐次逼近寄存器和邏輯控制器，所述采樣保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路共用電容陣列，且電容陣列中的權(quán)重按照二進制分配，整個電容陣列的上極板為輸出端，與所述比較器的輸入相連；
[0019]所述電容陣列，用于采集模擬信號，并在逐次逼近時將差分電壓按規(guī)律變化以實現(xiàn)每個比較位輸出，所述電容陣列的數(shù)字編程開關(guān)控制選通窗幅度大?。?br> [0020]所述比較器，用于比較雙側(cè)電容陣列上極板電壓大小，供給邏輯控制器進行后續(xù)邏輯控制及輸出該位數(shù)字編碼；
[0021]所述邏輯控制器，用于提供給系統(tǒng)逐次逼近算法的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號與選通窗大小的比較來確定是依序切換電容，還是跳過選通位以上高位電容的翻轉(zhuǎn)，直接進行低位電容比較。
[0022]其中，采樣信號進入系統(tǒng)在判別輸出符號位后，第二個比較周期先與指定選通窗進行比較，當(dāng)信號小于選通窗大小，則邏輯控制器直接跳過高位電容比較階段，并自動匹配選通窗編程位以上比較位相應(yīng)輸出數(shù)字碼；當(dāng)信號大于選通窗大小，則邏輯控制器按照常規(guī)逐次逼近邏輯運行，從最高位電容開始比較。
[0023]其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通窗通過與逐次逼近電容陣列復(fù)用實現(xiàn)。
[0024]其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通窗共有N-1位控制位，其中N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)，通過對所述選通窗數(shù)字位的控制改變選通窗的幅度大小。
[0025]其中，當(dāng)采樣信號小于選通窗大小時，數(shù)字控制邏輯在自動跳過高位電容比較的同時，邏輯控制器自動給高位比較位輸出賦值，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字碼的完整性與正確性。
[0026]對于N位逐次逼近寄存器型差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器而言，差分兩端電容陣列完全相同，每側(cè)電容陣列應(yīng)含有N-2個電容，若單位電容值設(shè)為C，則最高位(MSB)電容大小為2N_2C，最低位(LSB)電容大小為C。差分電容陣列雙側(cè)電容的上極板，分別接到比較器的正負輸入端。差分電容陣列雙側(cè)電容的下極板，在采樣時刻分別被連入差分模擬信號進行采樣；在轉(zhuǎn)換時刻，電容被數(shù)字模塊控制連入VMfp或者VMfn，以實現(xiàn)差分電壓逐次逼近比較。
[0027]其工作流程為:差分模擬輸入電壓Vip和Vin由對稱差分電容陣列下極板采集并保持；第一個比較周期開始后，電容陣列下極板與輸入斷開，接入?yún)⒖茧娖絍Mfp*VMfn，在該周期內(nèi)，比較結(jié)果指示Vip和Vin的大小，即輸出數(shù)字碼的符號位，將其存入逐次逼近寄存器的最高位；之后，根據(jù)符號位，邏輯控制器將操縱最高位電容下極板接入VMfp或VMfn，而其余電容下極板接入電平不變，得出(Vip-Vin)與(VMfp-V_)/2的大小，并將結(jié)果寫入逐次逼近寄存器次高位，然后根據(jù)二進制搜索算法，電容陣列的電容下極板將根據(jù)上一位寄存器比較結(jié)果，有規(guī)律變化當(dāng)前位電容下極板接入的參考電壓，直至最低有效位比較結(jié)束。整個過程結(jié)束，即完成了一次模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在寄存器內(nèi)，并由此最終輸出所轉(zhuǎn)化模擬量的數(shù)字碼。
[0028]如圖2所示，為所述帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的算法邏輯流程圖。圖3所示為一般神經(jīng)信號展示圖，在神經(jīng)信號中，帶有信息的沖突信號(AP)間隔出現(xiàn)，其余大部分時間為小幅度的噪聲信號。因此，在神經(jīng)信號數(shù)字化時，帶有選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有明顯的優(yōu)勢，它避免了噪聲信號轉(zhuǎn)化時高位電容的翻轉(zhuǎn)，從而為系統(tǒng)節(jié)省了大部分功耗。而對于不同的神經(jīng)信號，如腦電信號、心電信號和肌電信號等，由于產(chǎn)生部位和信號強弱不同，噪聲信號的幅度也不盡相同。因此選擇窗大小的數(shù)字編程可控特性，使得本發(fā)明可以將應(yīng)用拓展到多種神經(jīng)信號探測系統(tǒng)中。
[0029]本發(fā)明實施例提供的帶有數(shù)字可編程選通窗通過控制指定位差分電容陣列開關(guān)接入相應(yīng)參考電壓VMfp或Vrefn實現(xiàn)。數(shù)字可編程選通窗控制信號nsas，選值范圍為I到N-1的整數(shù)，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)。以10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，若選通窗的數(shù)字控制碼為010000000，則意味著數(shù)字碼將控制開關(guān)S7+和S7_在選通窗與Vaw= Vip-Vin比較階段，分別根據(jù)Vip和Vin的大小關(guān)系接入Vrefp或Vrefn,從而實現(xiàn)Vaw= Vip-Vin直接與V34ms =(Vrefp-Vrefn)It的比較，進而決定后續(xù)邏輯控制流程走向。
[0030]當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換開始后，電容采樣周期結(jié)束后，第一個比較周期確定比較器差分輸入兩端信號大小，即確定輸出數(shù)字碼的符號位，該結(jié)果輸入邏輯控制器。在第二個比較周期，邏輯控制器根據(jù)提前寫入的選通窗數(shù)字控制位、結(jié)合第一個比較輸出確定的數(shù)字碼，將差分電容陣列對應(yīng)指定位分別接入Vrefp或者VMfn，以實現(xiàn)在此周期內(nèi)對采樣信號Vaw=Vip-Vin與選通窗信號Vms= (v_-v_)/2n選通窗進行比較。(其中nsas為數(shù)字編程選通窗控制信號，選值范圍為I到N-1的整數(shù)，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù))當(dāng)V—與Vsm比較結(jié)束后，比較器將結(jié)果輸入給邏輯控制器，若結(jié)果為1，即Vaw大于Vsm，則邏輯控制器將在第二個周期改變的選通窗電容位開關(guān)重新接入采樣狀態(tài)，使得電容陣列上極板電容恢復(fù)采樣電壓，然后在第三個比較周期，邏輯控制器按照傳統(tǒng)逐次逼近算法從控制最高位電容翻轉(zhuǎn)開始，使Vaw逐個與階梯電壓進行比較，直至全部數(shù)字位轉(zhuǎn)化完畢；若結(jié)果為O，即Vaw小于Vsas,則邏輯控制器將跳過選通窗數(shù)字控制位之上的高位電容翻轉(zhuǎn)階段，并賦予這些高位比較位正確的輸出結(jié)果，在第三個比較周期，邏輯控制器將從選通窗選擇位開始遍歷其之下位的電容陣列，直至全部數(shù)字位轉(zhuǎn)化完畢。
[0031]本發(fā)明所涉及的邏輯控制算法是在傳統(tǒng)二進制搜索算法的基礎(chǔ)上添加了選通窗設(shè)計，從而實現(xiàn)了更加快速便捷完成模擬信號數(shù)字化的過程。其整個電路的運行流程可以從差分電容陣列上極板電壓V+和V-的變化清晰說明。
[0032]如圖4所示，在同步時序逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中:第一個時鐘周期用來對電路各個部分進行清零，對電容陣列前次比較的殘余電荷進行泄放；第二個時鐘周期完成模擬電壓采樣；第三個時鐘周期開始，比較器迅速對Vip和Vin的大小做出判斷，并作為指導(dǎo)對應(yīng)選通窗數(shù)字位正端電容和負端電容分別連入VMfp或VMfn的依據(jù)，且V+和V-電壓隨著選定位電容下極板接入?yún)⒖茧妷旱淖兓兓?；第四個時鐘周期開，比較器快速輸出第三個周期V+和V-的電壓比較結(jié)果，并指導(dǎo)相應(yīng)電容位開關(guān)動作，其結(jié)果為Vaw= Vip-Vin與
V選通窗=(Vrefp-Vrefn)/2η?通窗的大小；
[0033]若Vaw小于VSM，則在第五個時鐘周期開始，電容陣列將從選通窗數(shù)字編程位開始，按照二進制搜索算法，遍歷選通窗數(shù)字編程碼以下的各個位，而跳過高位電容的比較過程，且根據(jù)Vip和Vin大小比較結(jié)果，對各個高位輸出數(shù)字碼正確賦值I或者O ;
[0034]若Vaw大于VSM，則在第五個時鐘周期開始，電容陣列從最高位開始，按照二進制搜索算法，逐一比較得出各位數(shù)字輸出結(jié)果。
[0035]本發(fā)明所基于的思想是在邏輯控制器中，由數(shù)字編程控制選通窗選通位，即可改變選通窗大小。同時，當(dāng)比較出采樣電壓小于選通窗電壓時，邏輯控制器自動跳過選通窗編程位以上高控制位電容翻轉(zhuǎn)過程，從而降低了電容翻轉(zhuǎn)功耗，節(jié)省了比較時間，提高了芯片使用靈活度。此外，邏輯控制器的算法設(shè)計，不限于比較器形式與電容陣列位數(shù)，具有應(yīng)用的廣泛適用性。
[0036]本發(fā)明基于電容陣列采樣電荷守恒原理，設(shè)計的選通窗大小由數(shù)字開關(guān)控制電容陣列變化生成，當(dāng)采樣電壓大于選通窗大小時，電容陣列可恢復(fù)采樣電壓，從而不影響其重新進行傳統(tǒng)逐次逼近算法比較。電荷守恒原則從理論上確保了上述過程的正確進行，即是否添加選通窗功能，并不會影響采樣電荷的多少，因此，當(dāng)信號大于選通窗時，可以繼續(xù)恢復(fù)按照原始二進制搜索算法運行，而不影響其正確性。從圖4中可以看出，未帶選通窗的傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在小信號采樣時浪費了大量的功耗和比較時間，而本發(fā)明實施例提供的帶有可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅避免了高位電容的翻轉(zhuǎn)，還縮短了數(shù)字化時間，降低了功耗。
[0037]本發(fā)明實施例中選通窗的基準電平無需外部提供，而是通過數(shù)字算法與電容陣列的開關(guān)復(fù)用實現(xiàn)，且選通窗的大小可以根據(jù)選擇的電容位來精確改變，便捷高效，且可將應(yīng)用拓展到不同噪聲情況的神經(jīng)信號數(shù)字化應(yīng)用。此外，本發(fā)明實施例中對輸入信號的共模電平?jīng)]有特殊要求，使得該發(fā)明的實際應(yīng)用成為可能。
[0038]本發(fā)明實施例提供的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可適用于多種神經(jīng)信號的采集系統(tǒng)，例如腦神經(jīng)信號、心電神經(jīng)信號、肌電神經(jīng)信號等信號采集系統(tǒng)，以及其他低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。選通窗的引入使得小信號噪聲通過采集系統(tǒng)時，避免高位大電容的電平翻轉(zhuǎn)，從而將大幅度降低系統(tǒng)功耗。選通窗的數(shù)字編程選擇設(shè)計以及與電容陣列的復(fù)用技術(shù)，使得選通窗幅度的選擇便捷、準確而簡單，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器更具實用性與廣泛的適用性。
[0039]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括采樣保持電路、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、逐次逼近寄存器和邏輯控制器，其特征在于:所述采樣保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路共用電容陣列，所述電容陣列的上極板為輸出端，與所述比較器的輸入相連； 所述電容陣列，用于采集模擬信號，并在逐次逼近時將差分電壓按規(guī)律變化以實現(xiàn)每個比較位輸出，所述電容陣列的數(shù)字編程開關(guān)控制選通窗幅度大??； 所述比較器，用于比較雙側(cè)電容陣列上極板電壓大小，供給邏輯控制器進行后續(xù)邏輯控制及輸出該位數(shù)字編碼； 所述邏輯控制器，用于提供給系統(tǒng)逐次逼近算法的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號與選通窗大小的比較來確定是依序切換電容，還是跳過選通位以上高位電容的翻轉(zhuǎn)，直接進行低位電容比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，采樣信號進入系統(tǒng)在判別輸出符號位后，第二個比較周期先與指定選通窗進行比較，當(dāng)信號小于選通窗大小，則邏輯控制器直接跳過高位電容比較階段，并自動匹配選通窗編程位以上比較位相應(yīng)輸出數(shù)字碼；當(dāng)信號大于選通窗大小，則邏輯控制器按照常規(guī)逐次逼近邏輯運行，從最高位電容開始比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通窗通過與逐次逼近電容陣列復(fù)用實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選通窗共有N-1位控制位，其中N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)，通過對所述選通窗數(shù)字位的控制改變選通窗的幅度大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有數(shù)字可編程選通窗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，當(dāng)采樣信號小于選通窗大小時，數(shù)字控制邏輯在自動跳過高位電容比較的同時，邏輯控制器自動給高位比較位輸出賦值，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字碼的完整性與正確性。
【文檔編號】H03M1/38GK104410419SQ201410743034
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】劉暢, 閻躍鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所