一种增益自适应调节的模数转换芯片及其控制方法与流程

本发明涉及模数转换芯片，具体涉及一种增益自适应调节的模数转换芯片及其控制方法。

背景技术：

1、随着现代电子科学技术的发展，对不确定幅度的快脉冲模拟信号获取成为了芯片设计领域的一个难题。快脉冲模拟信号的获取一般是由数据采集系统中的模数转换芯片(adc)将模拟信号转换为数字信号，再输出至后端数字处理模块来实现的。模数转换芯片(adc)的性能优劣直接影响所需物理信号的准确性。现实中，由于信号源的不稳定性、探测器系统的差异以及信号在传播过程中衰减等因素的影响，作用在数据采集系统输入端的信号强度往往有很大的变化和起伏。而数据采集系统一般只能处理幅度在一定范围内变化的脉冲信号，容易在采集大幅度信号时出现“削顶”现象或在采集小幅度信号时出现分辨率过低现象，给后期信号分析带来不便。

2、现有的典型模数转换芯片(adc)如图1所示，包括滤波电路、增益放大器(opa)、采样保持电路(sha)、子模数转换模块(sub-adc)以及缓冲模块(buffer)。模拟输入信号进入模数转换芯片后，先通过滤波电路滤除不必要的高频成分，再通过增益放大器进行增益调节，然后通过采样保持电路和子模数转换模块分别对增益调节后的模拟信号进行模数转换的初步处理和精细处理，最后通过缓冲模块对转换后的数字信号进行优化后输出。但由于现有模数转换芯片的输入信号动态范围通常只能限制在一个很小的区间内，因此无法实现大动态范围信号采集与小信号精确获取的平衡。

3、目前，通常通过在模数转换芯片外围电路中进行增益设计来实现大动态范围输入信号的方法，例如在毛云山等人在电子科技，2021，34(2):57-61发表的《一种宽频带大动态agc电路设计》论文中，设计了一种适用于高频信号自动增益控制电路，其输入信号的动态范围达到了100db@2ghz，但这种设计会使得数据采集系统的规模过大、反馈速度慢且无法对信号中的直流分量进行有效检测。

4、如图2所示，还有一种通过电路极板实现大动态范围输入信号的方法，其将模拟输入信号等分为a分路和b分路，采用先衰减后放大的思路进行信号处理拼接，即a分路和b分路的信号先分别进行衰减，再通过相应分路上的adc进行放大，最后在处理器中进行信号处理拼接。a分路在保持信号原有特征的基础上有效抑制了模拟输入信号的反射，实现小幅度信号的精细测量；b分路以大衰减(例如10000倍)实现大信号的测量；然后将两个分路的测量范围相互补充，实现大动态信号的调理，将数据采集系统的动态范围由毫伏级扩大到百伏级。但由于a分路衰减小、增益大，对大幅度信号比较敏感，因此，若a分路输入了大幅度信号，该路信道会超出保护量程，导致模拟电路过载饱和，引入信号反射，从而将干扰信号引入b分路。另外，由于这种方法采用两个分路进行输入信号的量程搭接，使得数据采集成本较高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有实现大动态范围输入信号的方法存在的数据采集系统的规模过大、反馈速度慢、无法对信号中的直流分量进行有效检测以及数据采集成本较高的技术问题，而提供一种增益自适应调节的模数转换芯片及其控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

3、一种增益自适应调节的模数转换芯片，其特殊之处在于：包括按照输入输出依次连接的阻抗匹配电路、滤波电路、可调增益放大器、采样保持模块、子模数转换模块、缓冲器以及阈值比较模块；

4、所述阻抗匹配电路的输入端用于接收模拟输入信号，并对模拟输入信号进行阻抗匹配；

5、所述滤波电路，用于对阻抗匹配后的模拟信号进行高频成分滤除；

6、所述可调增益放大器，用于对滤波后的模拟信号进行增益调节；

7、所述采样保持模块，用于对增益调节后的模拟信号进行波形数字粗加工；

8、所述子模数转换模块，用于对粗加工后的模拟信号进行精确的模数转换，并确定采样率和垂直分辨率；

9、所述缓冲器用于对信号进行整形，并输出数字码信号；

10、所述阈值比较模块包括比较器和编码模块；所述比较器的第一输入端连接缓冲器的输出端，第二输入端用于输入预设的阈值数字码信号，通过比较器对缓冲器输入的数字码信号与预设的阈值数字码信号进行比较；比较器的输出端连接可调增益放大器的反馈输入端，用于根据比较结果调节可调增益放大器的增益系数；

11、所述编码模块的第一输入端连接缓冲器的输出端，其第二输入端连接比较器的输出端，用于对缓冲器输入的数字码信号和比较器的比较结果进行拼接；编码模块的输出端作为模数转换芯片的输出端口，输出拼接后的数字码。

12、进一步地，所述可调增益放大器在小幅度信号采集阶段的增益系数为1～10，在大幅度信号采集阶段的增益系数置为1/1000～1/10。

13、进一步地，所述可调增益放大器在小幅度信号采集阶段的增益系数为1，在大幅度信号采集阶段的增益系数置为1/1000。

14、进一步地，还包括过压保护电路；

15、所述过压保护电路的输入端用于接收模拟输入信号，通过过压保护电路对模拟输入信号进行过压保护，其输出端连接阻抗匹配电路的输入端。

16、进一步地，所述可调增益放大器包括晶体管m1、晶体管m2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、运算放大器a以及反相器；

17、所述电阻r4的一端连接滤波电路的输出端，另一端连接运算放大器a的同相输入端，运算放大器a的输出端与其反相输入端连接，同时连接采样保持模块的输入端；

18、所述晶体管m1、晶体管m2均为nmos管；晶体管m1的源极接地，漏极通过电阻r6与运算放大器a的同相输入端连接；晶体管m2的源极接地，漏极通过电阻r5与运算放大器a的同相输入端连接，栅极连接反相器的输出端；

19、所述晶体管m1的栅极与反相器的输入端连接，作为可调增益放大器的反馈输入端，连接比较器的输出端，用于根据比较结果控制晶体管m1、晶体管m2的通断以实现增益系数的调节。

20、进一步地，所述阈值比较模块中的比较器采用模拟电路搭建。

21、进一步地，所述阻抗匹配电路为π型网络。

22、进一步地，所述阻抗匹配电路包括电阻r1、电阻r2、以及电阻r3；

23、所述电阻r1和电阻r2的一端均连接过压保护电路的输出端，电阻r1的另一端和电阻r3的一端均连接滤波电路的输入端，电阻r2和电阻r3的另一端均接地。

24、本发明还提供了一种增益自适应调节的模数转换芯片的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

25、将模拟输入信号通过模数转换芯片的输入端输入，依次经阻抗匹配电路和滤波电路处理后输出至可调增益放大器；

26、同时，可调增益放大器初始工作在低增益阶段，其输出信号经由采样保持模块、子模数转换模块以及缓冲器加工、转换整形后将获得的数字码信号输出至阈值比较模块中，阈值比较模块中的比较器对缓冲器输入的数字码信号与预设的阈值数字码信号进行比较；若缓冲器输入的数字码信号大于预设的阈值数字码信号，比较器输出的反馈信号控制可调增益放大器的增益系数调整或保持大幅度信号采集阶段的增益系数，若缓冲器输入的数字码信号小于等于预设的阈值数字码信号，比较器输出的反馈信号控制可调增益放大器的增益系数调整或保持小幅度信号采集阶段的增益系数；

27、同时，阈值比较模块中的编码模块将缓冲器输入的数字码信号code和比较器输出的比较结果进行拼接，并输出拼接后的数字码。

28、本发明相比于现有技术的有益效果为：

29、1、本发明提供的一种增益自适应调节的模数转换芯片，在模数转换芯片内部集成了阈值比较模块，通过阈值比较模块中的比较器将缓冲器输入的数字码信号与预设的阈值数字码信号的比较结果反馈至可调增益放大器，根据比较结果对可调增益放大器的增益系数进行调节，使得模数转换芯片采用单通道就可以工作在两种增益模式下(低增益段和高增益段)，节省了通道数量，提高了信道的经济使用效能，降低了使用成本，同时提高了信号采集范围，实现了大动态范围的信号采集，可以完成毫伏至百伏级信号的高质量采集，对特定环境下的不确定幅度信号的模数转换具有重要意义。

30、2、本发明提供的一种增益自适应调节的模数转换芯片，可调增益放大器采用晶体管的形式，通过阈值比较模块的反馈信号控制晶体管的关断与导通，实现可调增益放大器的增益系数调节，这种硬件直接处理的方式，大幅提高了运算速度。

31、3、本发明提供的一种增益自适应调节的模数转换芯片，将阻抗匹配电路及过压保护电路集成于模数转换芯片内部，提高了芯片对大幅度信号的抗冲击能力，有效保护了芯片后级的可调增益放大器。

32、4、本发明提供的一种增益自适应调节的模数转换芯片的控制方法，控制简单，高效节能，可以自适应实现大动态范围的信号采集。