一种积分型模数转换器及其模数转换方法

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，尤其涉及一种积分型模数转换器及其模数转换方法。

背景技术

在电子技术领域，多斜积分方法是提高积分型模数转换器转换速率的常见方法。现有技术中，利用电阻网络实现多斜积分方法面临电阻比例漂移影响模数转换精度与稳定性的问题，以及多斜积分斜率数量与斜率进制不可调整的问题。

积分型模数转换器的基本工作原理，是将固定积分时间内被测电压信号的平均值，转换成与之成正比的时间间隔并测量该时间间隔。积分型模数转换器的工作过程可以分为两个积分阶段。如图1所示，在第一积分阶段，开关S

上述积分型模数转换器被称为双斜积分型模数转换器，由式(1)可知，其优势在于，模数转换结果只与参考电压的准确性以及定时计数准确性有关，而对于电阻R、电容C等电路参数不敏感。在双斜积分型模数转换器中，时间T

多斜积分方法是一种维持测量分辨率的前提下有效缩短时间T

在保证同等模数转换分辨率条件下，应用多斜积分方法前、后存在如下对应关系：R＝R

现有技术中基于电阻网络的多斜积分实现方法，虽然能提高模数转换效率，但是存在如下两方面问题：

如式(2)所示，电阻比值R

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种转换精度和准确性高且采样速率高的积分型模数转换器及其转换方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种积分型模数转换器，包括积分器和过零比较器，所述积分器输出端连接所述过零比较器输入端，所述积分器包括限流电阻、运算放大器和积分电容，所述限流电阻电连接所述运算放大器输入端，所述积分电容并联于所述运算放大器，还包括：

控制器，所述控制器电连接有程控电压参考源、程控多路开关、时间计数器和所述过零比较器，所述控制器被配置为基于所述过零比较器输出电平变化生成控制信号以控制所述程控电压参考源、程控多路开关和时间计数器工作；

程控电压参考源，被配置为基于所述控制器控制信号输出对应的电压信号；

程控多路开关，被配置为基于所述控制器控制信号导通各输入端与输出端之间的内部电路通道，包括至少两个输入端和一输出端，所述输出端电连接所述限流电阻，所述输入端分别电连接程控电压参考源和被测电压信号；

时间计数器，被配置为基于所述控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。

进一步的，所述程控电压参考源设为可编程约瑟夫森量子电压基准装置。

进一步的，所述积分电容并联有电荷释放电路，所述电荷释放电路包括相互串联的功率电阻和程控单路开关，所述程控单路开关电控制端连接所述控制器。

进一步的，所述多路程控开关和所述限流电阻之间还串联有电压缓冲器。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种模数转换方法，采用如上所述的积分型模数转换器，包括：

Q1：将被测电压信号输入积分器进行定时积分并记录积分时间；

Q2：设置程控电压参考源初始输出电压并使其极性与被测电压信号相反；

Q3：将程控电压参考源输出电压信号输入积分器进行一次定值积分直到过零比较器输出电平发生变化后断开，记录积分时间；

Q4：调节程控电压参考源的输出电压幅值并改变极性；

Q5：重复执行步骤Q3和Q4若干次；

Q6：根据定时积分阶段输入电荷与定值积分阶段输入电荷总量相等计算并输出所述被测电压信号量化结果。

进一步的，步骤Q2中程控电压参考源初始输出电压幅值设置为x

进一步的，步骤Q4中程控电压参考源的输出电压幅值调节方式为以固定倍率x缩小当前程控电压参考源输出电压幅值。

进一步的，步骤Q5中所述重复执行步骤Q3和Q4的次数为y-1次。

进一步的，所述步骤Q1的定时积分方法是将被测电压信号输入积分器进行积分时时间计数器开始计数，时间计数器计满至预设值后断开被测电压信号。

进一步的，在执行步骤Q1之前还包括：通过控制器控制程控单路开关闭合，将所述积分电容中的残余电荷通过功率电阻快速释放至清零，然后断开所述程控单路开关。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用输出电压可编程调节的程控电压参考源代替现有技术中的固定电压源加电阻网络的组合，消除电阻网络对模数转换结果的影响，提高了模数转换器的准确性和稳定性；同时，程控电压参考源的输出电压调节范围大，调节过程简单方便，只需要设定各输出电压之间的倍率关系和输出电压调节次数即可达到调节多斜斜率数量和斜率进制的效果，因此本发明的模数转换器在具有高准确性和稳定性的同时还具有极好的适应性。

附图说明

图1是现有技术中双斜积分型模数转换器的工作原理图。

图2是现有技术中多斜积分型模数转换器的工作原理图。

图3是本发明实施例的模数转换器电路原理框图。

图4是本发明实施例的模数转换方法流程图。

图5是本发明实施例的积分器输出电压波形图。

其中，附图标记为：1、程控电压参考源；2、控制器；3、时间计数器；4、功率电阻；5、程控单路开关；6、积分电容；7、过零比较器；8、运算放大器；9、限流电阻；10、电压缓冲器；11、程控多路开关；12、被测电压信号输入端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明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，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合附图描述本发明的实施例。

如图3所示，一种模数转换器，包括积分器和过零比较器7，所述积分器包括限流电阻9、运算放大器8和积分电容6，所述运算放大器8输出端电连接所述过零比较器7输入端，所述限流电阻9一端连接所述运算放大器8输入端，所述积分电容6并联于所述运算放大器8。所述模数转换器还包括控制器2、程控电压参考源1、程控多路开关11和时间计数器3，所述控制器2输入端电连接所述过零比较器7输出端，并基于所述过零比较器7输出电平变化生成控制信号以控制程控电压参考源1、程控多路开关11和时间计数器3工作。

程控多路开关11，包括两个输入端和一个输出端，输入端A电连接被测电压信号输入端12，输入端B电连接程控电压参考源1的输出端，输出端电连接串联一电压缓冲器10后与限流电阻9串联，控制器2可控制程控多路开关11输入端A或输入端B中的一端与输出端之间导通。时间计数器3被配置为基于所述控制器控制信号进行计时并将计时结果反馈于控制器。

积分电容6的两端还并联有电荷释放电路，所述电荷释放电路包括相互串联的功率电阻4和程控单路开关5，程控单路开关5包括一控制端，其控制端与控制器2电连接。电荷释放电路作用是在电路开始工作前将积分电容6中的残余电荷通过功率电阻4快速释放清零，避免积分电容6中的残余电荷影响模数转换结果的准确性。

程控电压参考源1包括一控制端和一电压输出端，控制端电连接控制器2的输出端，电压输出端电连接程控多路开关11的其中一个输入端，程控电压参考源1的输出电压由控制器2控制调节。具体调节方式是：通过在控制器中设置参数x，y，使程控电压参考源1的输出电压幅值满足x

程控电压参考源1可选用的方案包括但不限于：数模转换器(DAC)、可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)或脉冲驱动型约瑟夫森量子电压基准装置(ACJVS)，本实施例采用可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)作为程控电压参考源1，因为可编程约瑟夫森量子电压基准装置(PJVS)输出电压的可调范围宽(目前最大能力：±10V)，且具有10

PJVS系统在本发明中的应用过程为：PJVS系统在接收控制器2发送的目标电压参数后，将自动解算与该目标电压相匹配的子结阵驱动电流并通过其内部的驱动器进行输出，PJVS芯片在接收驱动电流信号之后，即刻产生量子电压。

如图4所示，一种模数转换方法，具体步骤包括：

(1)通过控制器设置初始参数x＝B，变量y＝N，程控多路开关11断开，程控单路开关5闭合；程控单路开关5闭合后，积分电容6和功率电阻4以及程控单路开关组成回路，积分电容6中的残余电荷通过功率电阻4快速释放。初始参数B表征为多斜积分方法中的斜率进制，即为程控电压参考源输出电压的变化倍率，初始参数N表征为多斜积分方法中的斜率数量，即为程控电压参考源输出电压的变化次数。

(2)控制器2控制程控多路开关11的通道A导通，同时控制时间计数器3开始计时，被测电压信号经由电压缓冲器10缓冲后，通过限流电阻9转换成充电电流输入至由运算放大器8和积分电容6组成的积分器中，直到时间计数器3计满至预设值T

(3)令变量y＝y-1，检测过零比较器7的输出电平状态，若为高电平时控制程控电压参考源输出反向电压，否则，输出正向电压；输出电压幅值为x

(4)控制器2控制程控多路开关11的通道B导通，同时控制时间计数器3开始计时，程控电压参考源的输出电压信号经由电压缓冲器10缓冲后，通过限流电阻9转换成充电电流至由运算放大器8和积分电容6组成的积分器中。

(5)检测过零比较器7的输出电平变化，当过零比较器7的输出电平由正转负或由负转正时，控制器2控制程控多路开关11断开，时间计数器3停止计时并记录当前计时t

(6)检测变量y是否为零，若否，则执行步骤(3)，若是，则输出模数转换结果并结束，其中数模转换结果的计算方法为：

如图5所示，为方便说明本发明的方案，本实施例将以初始参数B＝10，N＝4对模数转换方法的定值积分阶段进行进一步说明，第一次执行步骤(3)时，执行指令y＝y-1后变量y等于3，若假设被测电压为正电压，则程控电压参考源1的输出电压为-1000|V

综上所述，本发明在实现多斜积分方法的前提下，模数转换结果只与参考电压的准确性以及定时计数准确性有关，而不再与传统方法中的电阻比例准确性与稳定性有关，减少了一项重要的误差来源，而且采用可编程约瑟夫森量子电压基准装置作为参考电压源，其具有10

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术方案，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的方案，而不能以任何方式解释为对发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。