一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和方法，包括：斜率調(diào)制器將斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓；將信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值M1，并將高速比較器輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器，所述斜率調(diào)制器將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，M1為二進(jìn)制數(shù)；將信號電壓與次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)；根據(jù)M1和M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。
【專利說明】
一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路領(lǐng)域，特別是涉及一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]模數(shù)轉(zhuǎn)換器是紅外成像系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分，是連接讀出電路模擬通道和后面信號處理的關(guān)鍵部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能直接影響整個焦平面陣列讀出電路的性能，而片內(nèi)集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器成了設(shè)計(jì)讀出電路的趨勢。
[0003]一般應(yīng)用在紅外成像系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可分為三種:芯片級、列并行、像素級。芯片級是指整個像素陣列共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，像素信號經(jīng)過行列選擇器，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，這樣要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率非常高，設(shè)計(jì)難度大。像素級是指每一個像素都有一個獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種方式速率最高，全并行，但是要求的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)和像素點(diǎn)一樣多，面積太大，并且噪聲也太大，一致性比較差。列并行是指每一列共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一行并行工作，降低的速度要求，且一列的一致性好，功耗和面積都比較折中。列并行結(jié)構(gòu)在功耗、速度、面積方面折中最好，被應(yīng)用的最為廣泛。
[0004]在列并行結(jié)構(gòu)中，單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器以其結(jié)構(gòu)簡單、噪聲性能好、一致性好等優(yōu)點(diǎn)而被運(yùn)用的很廣泛。但是單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大的缺點(diǎn)就是，一次轉(zhuǎn)換需要2~個時鐘，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，相同轉(zhuǎn)換時間下所需要的時鐘頻率比較高。在高精度應(yīng)用中，很難滿足要求。隨著陣列規(guī)模的變大、刷新率變快，一行時間即是給模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換時間也變短，這就要求時鐘頻率變高，但是高的時鐘頻率對比較器和后面數(shù)字處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都增加了很大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在平面陣列越來越大、刷新幀頻越來越快、轉(zhuǎn)換位數(shù)越來越多的情況下，如何降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主時鐘頻率的問題。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述電路包括:
[0007]斜坡發(fā)生器輸出斜坡電壓，所述斜坡發(fā)生器的輸出端與斜率調(diào)制器的輸入端相連接，所述斜率調(diào)制器的輸出端與高速比較器的負(fù)向輸入端相連接，采樣保持電路的輸入端輸入信號電壓，所述采樣保持電路的輸出端與所述高速比較器的正向輸入端相連接，所述高速比較器的輸出端分別與所述斜率調(diào)制器和計(jì)數(shù)器相連接，所述計(jì)數(shù)器的輸出端與寄存器的輸入端相連接，時鐘信號分別與所述高速比較器和所述計(jì)數(shù)器相連接；
[0008]所述斜率調(diào)制器將所述斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓，將所述信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器的值Ml，并將所述高速比較器輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器，所述斜率調(diào)制器將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，M1為二進(jìn)制數(shù)；
[0009]將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)；
[0010]根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。
[0011]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一技術(shù)方案如下:一種用于如主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所述的主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述方法包括:
[0012]斜率調(diào)制器將斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓；
[0013]將信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值Ml，并將高速比較器輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器，所述斜率調(diào)制器將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，Ml為二進(jìn)制數(shù)；
[0014]將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)；
[0015]根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。
[0016]本發(fā)明的有益效果:通過將信號電壓分別與主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值，分別得到Ml和M2，根據(jù)Ml和M2得到數(shù)字輸出值M，從而降低主時鐘的工作頻率，減小功耗，降低設(shè)計(jì)難度，以較低的時鐘頻率實(shí)現(xiàn)比較高的分辨率。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法流程圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的斜率調(diào)制器邏輯框圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作時序圖；
[0021]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的主斜率斜坡電壓與次斜率斜坡電壓比較時刻示意圖。
[0022]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0023 ] 10、斜坡發(fā)生器，20、斜率調(diào)制器，30、高速比較器，40、計(jì)數(shù)器，50、寄存器，60、采樣保持電路。
【具體實(shí)施方式】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖。
[0025]參照圖1，該電路包括斜坡發(fā)生器10、斜率調(diào)制器20、高速比較器30、計(jì)數(shù)器40、寄存器50和采樣保持電路60。
[0026]斜坡發(fā)生器10輸入斜坡電壓，所述斜坡發(fā)生器10的輸出端與斜率調(diào)制器20的輸入端相連接，所述斜率調(diào)制器20的輸出端與高速比較器30的負(fù)向輸入端相連接，采樣保持電路60的輸入端輸入信號電壓，所述采樣保持電路60的輸出端與所述高速比較器30的正向輸入端相連接，所述高速比較器30的輸出端分別與所述斜率調(diào)制器20和計(jì)數(shù)器40相連接，所述計(jì)數(shù)器40的輸出端與寄存器50的輸入端相連接，時鐘信號分別與所述高速比較器30和所述計(jì)數(shù)器40相連接；
[0027]所述斜率調(diào)制器20將所述斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓，將所述信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器40的值Ml，并將所述高速比較器30輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器20，所述斜率調(diào)制器20將所述控制?目號進(jìn)行調(diào)制，其中，M1為二進(jìn)制數(shù)；
[0028]將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器40的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)；
[0029]根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。
[0030]這里，斜坡發(fā)生器、數(shù)字處理都復(fù)位，信號電壓經(jīng)過采樣保持電路，由上一行采樣，到本行處于保持狀態(tài)。復(fù)位信號結(jié)束，斜坡發(fā)生器開始工作。
[0031]斜率調(diào)制器根據(jù)所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，使輸出斜波信號從主斜率切換到次斜率輸出。
[0032]在本實(shí)施例中，所述電路還包括:當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器30的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。
[0033]具體地，當(dāng)所述主斜率斜坡電壓上升到所述信號電壓之前，所述高速比較器輸出為高；當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器輸出為低。
[0034]本實(shí)施例中，所述電路還包括:當(dāng)所述次斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器30的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。
[0035]具體地，當(dāng)所述次斜率斜坡電壓上升到所述信號電壓之前，所述高速比較器輸出為高；當(dāng)所述次斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器輸出為低。
[0036]具體地，所述電路還包括:根據(jù)公式(I)計(jì)算數(shù)字輸出值M:
[0037]M=M1XA+(M2-M1) (I)
[0038]其中，Ml為所述主斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，M2為所述次斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，A為實(shí)數(shù)。
[0039]具體地，計(jì)算一下640X 512陣列，50Hz刷新率，實(shí)現(xiàn)14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度所需的主時鐘頻率。一行時間不變，具體為l/50/512 = 39us，第一次比較需要的最大時鐘數(shù)目為:2~14/A，第二次比較的時鐘數(shù)目由具體的實(shí)際電路決定，也與主次斜率的比例A有關(guān)。假如設(shè)置A為16，那第二次比較的時鐘數(shù)目能控制在256個以內(nèi)，最終的總的轉(zhuǎn)換需要的時鐘數(shù)目為:2~ 14/16+256 = 1280，需要主時鐘頻率為:32.8M，從而大大減低了主時鐘的頻率。
[0040]這里的主次斜率的比例A，決定的主次兩次比較最大所需的時鐘數(shù)目，它與主比較最大所需的時鐘數(shù)目是反比，與次比較最大所需時鐘數(shù)目成正比，所以可以根據(jù)實(shí)際的電路情況找到一個最優(yōu)值。
[0041 ]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法流程圖。
[0042]參照圖2，步驟S201，斜率調(diào)制器將斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓。
[0043]步驟S202，將信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值Ml，并將高速比較器輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器，所述斜率調(diào)制器將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，Ml為二進(jìn)制數(shù)。
[0044]步驟S203，將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)。
[0045]步驟S204，根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。
[0046]本實(shí)施例中，所述方法還包括:當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。
[0047]本實(shí)施例中，所述方法還包括:當(dāng)所述次斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。
[0048]本實(shí)施例中，所述方法還包括:根據(jù)公式(I)計(jì)算所述數(shù)字輸出值M。
[0049]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的斜率調(diào)制器邏輯框圖。
[0050]參照圖3，斜率調(diào)制器通過列并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面陣列模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖中為列并行轉(zhuǎn)換，共用一個斜坡發(fā)生器，其他的模塊都是每一列都有一份。斜坡發(fā)生器產(chǎn)生所有列共用的斜坡，斜坡給到每一列的斜率調(diào)制器，斜率調(diào)制器將斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓，其中，次斜率斜坡電壓是主斜率斜坡電壓的I /A倍，主斜率斜坡電壓與次斜率斜坡電壓的切換時刻由第一次比較的結(jié)束時刻決定。
[0051 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作時序圖。
[0052]參照圖4，將信號電壓與主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，得到輸出信號OUTl，從復(fù)位信號的下降沿到OUTl信號的下降沿，通過數(shù)字處理計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到信號與主斜率比較的時鐘數(shù)Ml，將信號電壓與次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，得到輸出信號0UT2，從復(fù)位信號的下降沿到0UT2信號的下降沿，通過數(shù)字處理計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到信號與主斜率比較的時鐘數(shù)M2;其中，TI i ne為陣列中整個一行的時間。
[0053]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的主斜率斜坡電壓與次斜率斜坡電壓比較時刻示意圖。
[0054]參照圖5，對于主斜率斜坡電壓，在O?tl時刻，當(dāng)主斜率斜坡電壓上升到所述信號電壓之前，所述高速比較器輸出為高;在tl?t2時刻，當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器輸出為低。
[0055]對于次斜率斜坡電壓，在在tl?t2時刻，當(dāng)次斜率斜坡電壓上升到信號電壓之前，高速比較器輸出為高;在大于t2時刻時，當(dāng)次斜率斜坡電壓超過信號電壓時，高速比較器輸出為低。
[0056]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0057]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電路包括: 斜坡發(fā)生器(10)輸出斜坡電壓，所述斜坡發(fā)生器(10)的輸出端與斜率調(diào)制器(20)的輸入端相連接，所述斜率調(diào)制器(20)的輸出端與高速比較器(30)的負(fù)向輸入端相連接，采樣保持電路(60)的輸入端輸入信號電壓，所述采樣保持電路(60)的輸出端與所述高速比較器(30)的正向輸入端相連接，所述高速比較器(30)的輸出端分別與所述斜率調(diào)制器(20)和計(jì)數(shù)器(40)相連接，所述計(jì)數(shù)器(40)的輸出端與寄存器(50)的輸入端相連接，時鐘信號分別與所述高速比較器(30)和所述計(jì)數(shù)器(40)相連接； 所述斜率調(diào)制器(20)將所述斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓，將所述信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器(40)的值Ml，并將所述高速比較器(30)輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器(20)，所述斜率調(diào)制器(20)將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，Ml為二進(jìn)制數(shù)； 將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器(40)的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)； 根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電路還包括: 當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器(30)的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電路還包括: 當(dāng)所述次斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器(30)的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電路還包括: 根據(jù)下式計(jì)算所述數(shù)字輸出值M: M=M1XA+(M2-M1) 其中，Ml為所述主斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，M2為所述次斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，A為實(shí)數(shù)。5.—種用于如權(quán)利要求1所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述方法包括: 斜率調(diào)制器將斜坡電壓生成主斜率斜坡電壓和次斜率斜坡電壓； 將信號電壓與所述主斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過數(shù)字處理記錄計(jì)數(shù)器的值Ml，并將高速比較器輸出的控制信號發(fā)送給所述斜率調(diào)制器，所述斜率調(diào)制器將所述控制信號進(jìn)行調(diào)制，其中，M1為二進(jìn)制數(shù)； 將所述信號電壓與所述次斜率斜坡電壓進(jìn)行比較，并通過所述數(shù)字處理記錄所述計(jì)數(shù)器的值M2，其中，M2為二進(jìn)制數(shù)； 根據(jù)所述Ml和所述M2得到數(shù)字輸出值M，其中，M為二進(jìn)制數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述方法還包括: 當(dāng)所述主斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述方法還包括: 當(dāng)所述次斜率斜坡電壓超過所述信號電壓時，所述高速比較器(30)的輸出狀態(tài)發(fā)生改變。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種主次斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述方法還包括: 根據(jù)下式計(jì)算所述數(shù)字輸出值M: M=M1XA+(M2-M1) 其中，Ml為所述主斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，M2為所述次斜率斜坡電壓與所述信號電壓比較后的所述計(jì)數(shù)器的值，A為實(shí)數(shù)。
【文檔編號】H03M1/56GK105897273SQ201610184245
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】李聰科, 俞白軍
【申請人】煙臺睿創(chuàng)微納技術(shù)有限公司