專利名稱：一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，具體涉及一種利用三角函數(shù)周期性進(jìn)行變換的模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，是模擬的現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字的智能世界 的橋梁，是通信、自動(dòng)控制、電子測(cè)量等系統(tǒng)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有積分型、逐次逼近型、并行比較型/ 串并行型、Σ -Δ調(diào)制型、電容數(shù)組逐次比較型及壓頻變換型等方法。其中，積分型、Σ -Δ 調(diào)制型、壓頻變換型等轉(zhuǎn)換速度慢；逐次逼近型(比較型)轉(zhuǎn)換速度快，但依賴于數(shù)字電路 時(shí)鐘，而轉(zhuǎn)換速度很快的并行比較型需要(N為AD轉(zhuǎn)換位數(shù))單元電路。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路，該電路利用余弦函數(shù)的周期性實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換速度。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，包括放大器、第一加法 電路、余弦函數(shù)電路、N-I個(gè)乘法減法組合電路、N個(gè)整形電路，N為自然數(shù)；輸入信號(hào)ν經(jīng)過放大電路和加法電路后映射到[-IV，IV]范圍內(nèi)的信號(hào)X，之后輸 入所述余弦函數(shù)輸出信號(hào)COS Θ，θ在
范圍內(nèi)，與X呈線性關(guān)系，N-I個(gè)乘法減法組 合電路對(duì)信號(hào)cose進(jìn)行乘法處理和加法處理后形成一組cos2n θ信號(hào)，其中η=1，2，...， N-I，各信號(hào)cos2n θ輸入閾值為OV的對(duì)應(yīng)的整形電路，比較整形后形成數(shù)字信號(hào)bn，另一 路輸出信號(hào)cos θ輸入閾值為OV的整形電路，比較整形后形成數(shù)字信號(hào)Iv，從而形成一組 數(shù)字信號(hào) 其中 i = 0,1,2, ... ,N-I0本發(fā)明中，所述第一加法電路的一路輸入信號(hào)為經(jīng)過放大器放大的輸入信號(hào)V，另 一路輸入信號(hào)為Δ ν。本發(fā)明中，所述余弦函數(shù)電路模擬乘法器1、模擬乘法器2、模擬乘法器3以及第二 加法電路；其中輸入信號(hào)χ輸入到模擬乘法器1的兩輸入端，輸出為信號(hào)X2，模擬乘法器2的 輸入信號(hào)為輸入信號(hào)X和信號(hào)X2，輸出為信號(hào)X3，模擬乘法器3的輸入信號(hào)為模擬乘法器1 的輸出信號(hào)X2和模擬乘法器2的輸出信號(hào)X3，輸出為信號(hào)X5，信號(hào)X、信號(hào)X3及信號(hào)X5輸入 到加法電路中產(chǎn)生輸入信號(hào)的余弦函數(shù)信號(hào)cos θ ；所述輸入信號(hào)χ為第一加法電路的輸出信號(hào)。本發(fā)明中，所述N-I個(gè)乘法減法組合電路包括乘法減法組合電路1、乘法減法組合 電路2···乘法減法組合電路η ；每個(gè)乘法減法組合電路包括一個(gè)乘法器和一個(gè)減法器，兩路輸入信號(hào)經(jīng)過乘法 器后輸入減法器，減法器的另一路輸入為信號(hào)IV，輸出為所述C0S2n Θ信號(hào)，其中η = 1， 2，…，N-I ；
所述乘法減法組合電路1的輸入信號(hào)為兩路余弦函數(shù)信號(hào)cos θ ；乘法減法組合電路2的兩路輸入信號(hào)為乘法減法組合電路1的輸出信號(hào)；乘法減法組合電路η的兩路輸入信號(hào)為乘法減法組合電路η-1的輸出信號(hào)；乘法減法組合電路1對(duì)應(yīng)輸出到整形電路2，乘法減法組合電路2對(duì)應(yīng)輸出到整形 電路3...乘法減法組合電路η對(duì)應(yīng)輸出到整形電路η+1。本發(fā)明中，包括一個(gè)編碼電路，N個(gè)整形電路輸出的信號(hào)k 信號(hào)bN_i輸入到編碼 器，根據(jù)信號(hào)k Iv1與輸入信號(hào)大小對(duì)應(yīng)關(guān)系，變換到編碼電路輸出信號(hào)Dtl 信號(hào)DN_lt)有益效果本發(fā)明電路首先產(chǎn)生與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的余弦變換cos θ，再利用模 擬乘法器和加法電路根據(jù)余弦函數(shù)公式實(shí)現(xiàn)cos2n θ (其中η = 1，2，...，Ν-1，Ν為模數(shù)轉(zhuǎn) 換的最高位數(shù))，對(duì)每個(gè)η的cos2n θ信號(hào)通過閾值為0的比較器整形為數(shù)字信號(hào)，最后根據(jù) 余弦函數(shù)的周期性編碼產(chǎn)生輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。除了輸入信號(hào)前端可以根據(jù)需要設(shè) 置的采樣保持電路外，本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路不需要數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，減少了數(shù)字信號(hào)對(duì)模 數(shù)轉(zhuǎn)換的干擾，提高轉(zhuǎn)換速度，所需要的單元電路數(shù)等于AD轉(zhuǎn)換位數(shù)，易于集成電路實(shí)現(xiàn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。圖Ia為本發(fā)明以最高冪次為5的多項(xiàng)式組合電路實(shí)現(xiàn)的余弦函數(shù)電路示意圖。圖Ib為本發(fā)明利用三角函數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖。圖2a為以4位為例說(shuō)明本發(fā)明電路工作原理中輸入電壓信號(hào)ν與角度θ的映射 關(guān)系圖。圖2b 圖2i為本發(fā)明中不同輸入電壓信號(hào)ν下的COdi θ及b”
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將一定范圍內(nèi)的輸入信號(hào)線性地映射到0 π范圍內(nèi)的角度，再得到對(duì)應(yīng) 角度的余弦變換輸出信號(hào)，這個(gè)完整變換可以用多項(xiàng)式展開擬合。設(shè)輸入信號(hào)ν的范圍為 [V1, V2]，將它映射為角度的變換為

這個(gè)角度的余弦變換用多項(xiàng)式展開擬合為其中，N為多項(xiàng)式最高冪次，它越大則擬合精度越高，但對(duì)應(yīng)的電路越復(fù)雜。a。k為 余弦擬合多項(xiàng)式中第k次冪的系數(shù)。在電路中，運(yùn)用模擬乘法器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二次方，多次應(yīng)用模擬乘法器則能實(shí) 現(xiàn)信號(hào)的高次方。對(duì)這樣產(chǎn)生的信號(hào)各次冪，使用加法電路對(duì)它們進(jìn)行線性組合，可以完成 式⑵的多項(xiàng)式，即產(chǎn)生輸入信號(hào)的余弦變換，如圖1(a)所示。兩倍角余弦公式為cos2 θ = (cos θ )2-1(3)
反復(fù)利用公式(3)可以得到cos2n θ。同樣，公式(3)的實(shí)現(xiàn)只需要模擬乘法器和 加法電路，如圖Ib所示。余弦函數(shù)cos θ的周期為2 π，cos2n θ的周期為2 π /2n。cos θ的過零點(diǎn)為θ = ^/2,cos2n6 的過零點(diǎn)為(2j+l) π/2η+1(其中 j =0，1，2，··.，2η-1)。對(duì)上述各Codi θ信號(hào)(其中，i = 0，1，2，. . .，N-l，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換的最高位數(shù)) 使用閾值為0的比較器整形為數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)余弦函數(shù)的周期性，如圖2所示，進(jìn)行編碼， 就能得到輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，如圖Ib所示。對(duì)于電壓χ在[-IV，IV]范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，式⑵可以寫成y = cos θ = w1x+w3x3+w5x5(4)其中，wi、w3、w5是加權(quán)系數(shù)，W1 = -1.5704，W3 = 0.6428，W5 = -0.0724。這里僅以 最高冪次5的情況為例說(shuō)明本發(fā)明。如果需要提高電路精度，可以取更高冪次的擬合多項(xiàng) 式。式(4)的實(shí)現(xiàn)電路如圖Ia所示。其中輸入信號(hào)x輸入到模擬乘法器1的兩輸入 端，輸出X2信號(hào)；模擬乘法器2的輸入信號(hào)為χ和模擬乘法器1的輸出信號(hào)X2，輸出X3信 號(hào)；模擬乘法器3的輸入信號(hào)為模擬乘法器1的輸出信號(hào)X2和模擬乘法器2的輸出信號(hào)χ3， 輸出χ5信號(hào)。信號(hào)x、x3及χ5輸入到加法電路中根據(jù)式⑷產(chǎn)生輸入信號(hào)的余弦函數(shù)信號(hào)
COS θ 0圖Ib是利用圖Ia的余弦函數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。輸入信號(hào)ν經(jīng)過放大器 A和加法電路映射[-IV，IV]范圍內(nèi)，滿足式(4)對(duì)輸入信號(hào)的要求，放大電路和第一路加法 電路(Δν)將任意范圍[νι，ν2]的輸入信號(hào)ν線性地變換到[_1V，1V]范圍的χ，放大電路的 放大倍數(shù)和Δ ν根據(jù)力和 值確定，[-IV，IV]范圍內(nèi)的χ對(duì)應(yīng)
中的θ。。余弦電 路采用圖Ia的方案，輸出信號(hào)cos θ。然后根據(jù)式(3)，反復(fù)使用模擬乘法器和加法電路產(chǎn) 生各COS2n9 (1!=1，2，...力-1)。信號(hào)(3080輸入到第1個(gè)模擬乘法器的兩輸入端，產(chǎn)生信 號(hào)cos2 θ，它輸入到第1個(gè)減法電路，減去1后產(chǎn)生輸出信號(hào)cos2 θ。信號(hào)C0S2 θ輸入到 第2個(gè)模擬乘法器的兩輸入端，產(chǎn)生信號(hào)cos22 θ，它輸入到第2個(gè)減法電路，減去1后產(chǎn)生 輸出信號(hào)cos4 0。依次類推，產(chǎn)生各cos2ne信號(hào)(n = 1，2，...，N-1)。各信號(hào)Codi θ (i =0,1,..., N-l)輸入閾值為OV的整形電路，整形成數(shù)字信號(hào)b“i =0,1,2,..., N-l)輸 出，如圖2所示。數(shù)字信號(hào)、(1 =0，1，2，...，N-1)再輸入到編碼電路，它根據(jù)圖2中余弦 信號(hào)的周期性對(duì)所有h進(jìn)行編碼，最后產(chǎn)生反映輸入信號(hào)大小的輸出數(shù)字信號(hào)Dtl DN_lt)數(shù)字信號(hào)、(1 = 0,1,2,... ,N-1)本身能反映輸入信號(hào)的大小，如果本AD轉(zhuǎn)換電 路的輸出送給CPU處理，可以省略編碼電路，由CPU根據(jù)信號(hào)bi (i = 0，1，2，. . . ,N-1)獲得 輸入信號(hào)的大小信息。圖2a表示余弦函數(shù)電路輸入χ的范圍為[-IV，IV]，代表
范圍內(nèi)的余弦函 數(shù)中的角度θ。以 ν = 4 為例。圖 2b、2d、2f、2h 為電路中 cos θ、C0S2 θ、C0S4 θ 和 C0S8 θ 信號(hào) 大小與θ的關(guān)系。對(duì)COS θ、COS2 θ、COS4 θ和C0S8 θ信號(hào)用閥值為0的比較器進(jìn)行整 形，分別變?yōu)閿?shù)字信號(hào)K、bp b2和b3、得到對(duì)應(yīng)的圖2c、2e、2g、2i，表示余弦函數(shù)電路輸入 信號(hào)χ與K、bp b2和b3的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1 :表1
權(quán)利要求
1. 一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括放大器、第一加法電路、余弦函數(shù)電路、N-I個(gè) 乘法減法組合電路、N個(gè)整形電路，N為自然數(shù)；輸入信號(hào)ν經(jīng)過放大電路和加法電路后映射到[-IV，IV]范圍內(nèi)的信號(hào)X，之后輸入所 述余弦函數(shù)輸出信號(hào)cos θ，θ在
范圍內(nèi)，與χ呈線性關(guān)系，N-I個(gè)乘法減法組合 電路對(duì)信號(hào)cose進(jìn)行乘法處理和加法處理后形成一組cos2n θ信號(hào)，其中η = 1，2，...， N-I，各信號(hào)Cos2ne輸入閾值為OV的對(duì)應(yīng)的整形電路，比較整形后形成數(shù)字信號(hào)bn，另一 路輸出信號(hào)cos θ輸入閾值為OV的整形電路，比較整形后形成數(shù)字信號(hào)Iv，從而形成一組 數(shù)字信號(hào) 其中 i = 0,1,2, ... ,N-I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述第一加法電路的一路 輸入信號(hào)為經(jīng)過放大器放大的輸入信號(hào)v，另一路輸入信號(hào)為Δ ν。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述余弦函數(shù)電路模擬乘 法器1、模擬乘法器2、模擬乘法器3以及第二加法電路；其中輸入信號(hào)χ輸入到模擬乘法器1的兩輸入端，輸出為信號(hào)X2，模擬乘法器2的輸入 信號(hào)為輸入信號(hào)X和信號(hào)X2，輸出為信號(hào)X3，模擬乘法器3的輸入信號(hào)為模擬乘法器1的輸 出信號(hào)χ2和模擬乘法器2的輸出信號(hào)χ3，輸出為信號(hào)χ5，信號(hào)χ、信號(hào)χ3及信號(hào)χ5輸入到加 法電路中產(chǎn)生輸入信號(hào)的余弦函數(shù)信號(hào)cos θ ；所述輸入信號(hào)χ為第一加法電路的輸出信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述N-I個(gè)乘法減法組合電 路包括乘法減法組合電路1、乘法減法組合電路2…乘法減法組合電路η ；每個(gè)乘法減法組合電路包括一個(gè)乘法器和一個(gè)減法器，兩路輸入信號(hào)經(jīng)過乘法器后輸 入減法器，減法器的另一路輸入為信號(hào)IV，輸出為所述COS2n0信號(hào)，其中n= 1,2,...， N-I ；所述乘法減法組合電路1的輸入信號(hào)為兩路余弦函數(shù)信號(hào)cos θ ；乘法減法組合電路2的兩路輸入信號(hào)為乘法減法組合電路1的輸出信號(hào)；乘法減法組合電路η的兩路輸入信號(hào)為乘法減法組合電路η-1的輸出信號(hào)；乘法減法組合電路1對(duì)應(yīng)輸出到整形電路2，乘法減法組合電路2對(duì)應(yīng)輸出到整形電路 3...乘法減法組合電路η對(duì)應(yīng)輸出到整形電路η+1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括一個(gè)編碼電路，N個(gè)整 形電路輸出的信號(hào)k 信號(hào)Iv1輸入到編碼器，根據(jù)信號(hào)k Iv1與輸入信號(hào)大小對(duì)應(yīng)關(guān) 系，變換到編碼電路輸出信號(hào)Dtl 信號(hào)DN_lt)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，它利用余弦函數(shù)電路將輸入模擬信號(hào)變換成代表其大小的數(shù)字信號(hào)。輸入信號(hào)首先線性地映射到0～π中某一角度θ，再通過余弦函數(shù)電路變換成該角度的余弦函數(shù)值。隨后利用電路實(shí)現(xiàn)cos2nθ，其中n＝1，2，...，N-1，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換的最高位數(shù)。上述各倍角余弦值由模擬乘法器和加法電路根據(jù)公式cos2nθ＝(cos2n-1θ)2-1實(shí)現(xiàn)。對(duì)這些余弦函數(shù)信號(hào)通過閾值為0的整形電路整形成數(shù)字量。最后根據(jù)余弦函數(shù)的周期性對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行編碼得到輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。
文檔編號(hào)H03M1/64GK102006076SQ20101060398
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者方暉, 李大相 申請(qǐng)人:南京大學(xué)