一种多通道模数转换器及其校准方法与流程

1.本发明涉及一种多通道模数转换器及其校准方法，属于模拟和数模混合集成电路技术领域。


背景技术：

2.模数转换器（adc）将模拟信号转换成数字信号，是外部世界到数字计算机的桥梁。模数转换器也是高精度传感器芯片中至关重要的一部分，高精度传感器在工业、医疗、汽车等领域成为必不可少的芯片之一。高精度传感器芯片要求高精度和高线性度。这依靠传感器芯片内部多个模数转换器对温度、应力、电源等进行校准，而依靠一个多通道模数转换器就可以很好实现这些功能。相比于使用多个模数转换器，多通道模数转换器面积更小，功耗更低。电压-电流转换模块将电压转换成电流，随后模数转换器对电流进行转换。而电压-电流转换模块的上拉电流和下拉电流存在失配，不可避免会影响adc的转换精度，因此，需要设计有效的消除上述失配影响的方法，提高adc的转换精度。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种多通道模数转换器及其校准方法，通过增加一个校准通道，利用模数转换器转换出失配信息，设计校准方法消除该失配的影响。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种多通道模数转换器，所述多通道模数转换器包括：基准电路、多路选择器、电压-电流转换模块、模数转换器、数字逻辑控制模块以及数字计算模块；所述基准电路、多路选择器、电压-电流转换模块、模数转换器和数字计算模块依次连接，所述多路选择器、模数转换器分别连接所述数字逻辑控制模块；所述模数转换器包括依次连接的积分器、比较器和上下计数器；所述基准电路用于生成并输出第一电压、第二电压以及参考电压；所述多路选择器用于根据数字逻辑控制模块发出的控制信号选择第一电压、第二电压以及参考电压的其中一个，并将选择的电压输出到电压-电流转换模块；所述电压-电流转换模块用于接收所述多路选择器选择的电压，并将接收的电压转换成上拉电流和下拉电流；所述积分器用于接收上拉电流和下拉电流，并对上拉电流和下拉电流进行积分生成积分电压；所述比较器用于比较积分电压和外部参考电压的大小，并将比较结果输出至上下计数器和数字逻辑控制模块；所述上下计数器根据比较结果生成并输出对应数字码；所述数字逻辑控制模块用于根据比较器输出的比较结果，控制所述多路选择器选
择第一电压、第二电压以及参考电压的其中一个；所述数字计算模块用于接收所述上下计数器输出的数字码，并根据数字码计算校准系数，根据校准系数计算并输出校准后的数字码。
5.作为本发明多通道模数转换器的一种优选方案，所述多路选择器包括受控开关sw1、受控开关sw2和受控开关sw3，所述数字逻辑控制模块输出的控制信号包括控制信号clk1、控制信号clk2和控制信号clk3；所述受控开关sw1的输入端接第一电压，受控信号端接控制信号clk1，在clk1为高电平时多路选择器输出第一电压；所述受控开关sw2的输入端接第二电压，受控信号端接控制信号clk2，在clk2为高电平时多路选择器输出第二电压；所述受控开关sw3的输入端接参考电压，受控信号端接控制信号clk3，在clk3为高电平时多路选择器输出参考电压。
6.作为本发明多通道模数转换器的一种优选方案，所述电压-电流转换模块的输入端连接所述多路选择器的输出端，电压-电流转换模块的输出端连接所述积分器的输入端。
7.作为本发明多通道模数转换器的一种优选方案，所述积分器的输入端接收上拉电流和下拉电流，输出端输出积分电压v并连接到比较器正输入端；比较器负输入端接收外部参考电压vcm，根据积分电压v和外部参考电压vcm的大小输出比较结果；上下计数器的输入端接收比较结果，生成并输出对应数字码。
8.根据所述的多通道模数转换器的校准方法，所述校准方法具体如下：将校准方法分为两个阶段，每个阶段对应的周期时长相同，第一个阶段为校准周期，第二阶段为计算通道周期；在校准周期，数字逻辑控制模块输出控制信号clk3，多路选择器根据控制信号clk3选择参考电压输出到电压-电流转换模块，电压-电流转换模块将参考电压转换为电流并输出至模数转换器，上下计数器输出数字码，并从开始计数，经过个转换周期输出第一数字码code1至数字计算模块，数字计算模块计算第一校准系数ratio1：；在计算通道周期，数字逻辑控制模块根据比较结果的高低交替输出控制信号clk1和clk2，多路选择器根据控制信号clk1或clk2选择第一电压或第二电压输出到电压-电流转换模块，同样经过电压-电流转换模块和模数转换器转换后，上下计数器输出数字码，并从开始计数，经过个转换周期输出第二数字码code2至数字计算模块，数字计算模块计算第二校准系数ratio2：；数字计算模块根据第一校准系数ratio1和第二校准系数ratio2，计算校准后的数
字码codet：。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的校准方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的校准方法的步骤。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过增加一条校准通道和校准周期，利用校准周期获得校准通道的失配信息，利用失配信息对计算通道周期获得的数字码进行校准，得到精准的数字码。
附图说明
12.图1是本发明一种多通道模数转换器的结构示意图；图2是本发明实施例一温度通道模数转换器的结构示意图；图3是本发明校准方法的信号时序图；图4是本发明校准方法的流程图。
实施方式
13.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
14.如图1所示，本发明提出一种多通道模数转换器，包括：基准电路，用于生成并输出第一电压、第二电压以及参考电压。
15.多路选择器，根据数字逻辑控制模块输出的控制信号选择上述电压中的其中一个，输出电压到电压-电流转换模块；多路选择器，包括受控开关sw1、受控开关sw2以及受控开关sw3，其中，受控开关sw1，其输入端接第一电压，受控信号端接控制信号clk1，并在clk1为高电平时输出第一电压；受控开关sw2，其输入端接第二电压，受控信号端接控制信号clk2，并在clk2为高电平时低输出第二电压；受控开关sw3，其输入端接参考电压，受控信号端接控制信号clk3，并在clk3为高电平时低输出参考电压；电压-电流转换模块，接收多路选择器选择的电压，生成并输出相应大小的上拉电流和下拉电流；电压-电流转换模块输入端连接多路选择器输出电压，输出端连接到积分器；模数转换器（adc），包括积分器、比较器和上下计数器，积分器接收上拉电流和下拉电流，并积分生成积分电压v，比较器比较积分电压v和外部参考电压vcm，根据比较结果
输出0或1（），上下计数器根据0或1生成并输出相应数字码；积分器输入端接上拉电流和下拉电流，输出端输出积分电压v并连接到比较器正输入端；比较器正输入端接收积分电压v，负输入端接收外部参考电压vcm，生成并输出比较数字信号；上下计数器输入端接收数字信号，生成并输出计数结果。
16.数字逻辑控制模块，根据比较器输出结果，控制多路选择器选择相应的电压；数字计算模块，接收数字码，并依据数字码计算出相应校准系数ratio，根据校准系数输出校准后的数字码codet。
17.实施例一下面以温度通道为例说明本发明提出的多通道模数转换器。如图2所示，当通道为温度通道时，基准电路为温度系数基准电路，温度系数基准电路用于生成并输出正温度系数电压、负温度系数电压以及零温度系数参考电压；多路选择器，根据数字逻辑控制模块输出的控制信号选择上述电压中的其中一个，输出电压到电压-电流转换模块；多路选择器，包括受控开关sw1、受控开关sw2以及受控开关sw3，其中，受控开关sw1，其输入端接正温度系数电压，受控信号端接控制信号clk1，并在clk1为高电平时输出正温度系数电压；受控开关sw2，其输入端接负温度系数电压，受控信号端接控制信号clk2，并在clk2为高电平时低输出负温度系数电压；受控开关sw3，其输入端接零温度系数参考电压，受控信号端接控制信号clk3，并在clk3为高电平时低输出零温度系数参考电压；电压-电流转换模块，接收多路选择器选择的电压，生成并输出相应大小的上拉电流和下拉电流；模数转换器（adc），包括积分器、比较器和上下计数器，积分器接收上拉电流和下拉电流，并积分生成积分电压v，比较器比较积分电压v和外部参考电压vcm，根据比较结果输出0或1（），上下计数器根据0或1生成并输出相应数字码；数字逻辑控制模块，根据比较器输出结果，控制多路选择器选择相应的电压；数字计算模块，接收数字码，并依据数字码计算出相应校准系数ratio，根据校准系数输出校准后的温度数字码codet。
18.本发明还提出一种多通道模数转换器的校准方法，以温度通道为例，图3为校准方法的信号时序图，整个校准周期分为φ1和φ2，图4为校准方法的流程图，其中φ1为校准周期，adc转换出第一数字码code1，同时数字计算模块将计算出第一校准系数ratio1，φ2为温度通道周期，adc转换出第二数字码code2，同时数字计算模块将计算出第二校准系数ratio2。最后数字计算模块根据ratio1和ratio2计算出校准后的温度码codet。
19.在φ1周期，不论比较器输出的是高是低，数字逻辑控制模块都将clk1、clk2拉
低，clk3拉高，多路选择器中受控开关sw3闭合，受控开关sw1、sw2断开，此时多路选择器选择基准电路中的参考电压作为输出。
20.输入到电压-电流转换模块，被转换成上拉电流和下拉电流，模数转换器对这两个电流进行积分，同时比较器根据积分电压v的大小输出比较结果，随后送入到上下计数器和数字逻辑控制模块，上下计数器从开始计数经过个计数周期输出计数结果code1。需要注意此时送入数字逻辑控制模块，但并不影响数字逻辑控制模块的输出，数字逻辑控制模块始终将clk1、clk2拉低，clk3拉高。
21.数字计算模块根据输入的第一数字码code1计算出ratio1，并存储在内部为下次计算做准备：
22.理想情况下，在φ1周期时，上拉电流的大小等于下拉电流，上下计数器从开始计数，输出计数结果code1=，此时ratio=1。而在实际上由于电压-电流转换模块内部电路存在失配，上拉电流的大小并不等于下拉电流，上下计数器输出结果code1≠，ratio≠1。此时电压-电流转换模块的失配信息包含在code1中。
23.在φ2周期，数字逻辑控制模块根据di的高低交替输出clk1、clk2，而不论比较器输出的大小，clk3都是低电平。多路选择器中受控开关sw3始终断开，而受控开关sw1、受控开关sw2的断开闭合取决于，此时多路选择器选择基准电路中的正温度系数电压、负温度系数电压作为输出。
24.、输入到电压-电流转换模块，将转换为上拉电流，将转换为下拉电流并输入到模数转换器中。
25.模数转换器对这两个电流进行积分，同时比较器根据积分电压v和外部参考电压的大小输出比较结果，随后比较结果送入到上下计数器和数字逻辑控制模块，上下计数器从开始计数经过个计数周期输出计数结果code2。不同于φ1周期，数字逻辑控制模块将根据的高低控制clk1、clk2的输出，而clk3始终为低，以保证不会被多路选择器选中输出。
26.数字计算模块根据输入的数字码code2计算出ratio2，并依据φ1周期计算出的ratio1计算出校准后的温度码codet：
27.在φ2周期时，模数转换器转换温度信息，上下计数器输出相应温度码code2，在理想情况下，电压-电流转换模块不存在失配，codet=code2。而实际上，由于电压-电流转换模
块内部电路存在失配，此时code2中既有温度信息也有失配信息，利用校准通道转换出的code1即可计算出校准后的温度码codet。
28.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述的校准方法的步骤。
29.基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述的校准方法的步骤。
30.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
31.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
32.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
33.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
34.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。