一種動態(tài)過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，特別是涉及2-A過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，具體為 2-AADC中的數(shù)字濾波器的電路設(shè)計方法，該數(shù)字濾波器用于濾除前端模擬2-A調(diào)制器 輸出信號中所包含的高頻量化噪聲，同時對輸出信號進(jìn)行降頻。
【背景技術(shù)】
[0002] 2-AADC采用過采樣和噪聲整形技術(shù)大大提高了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比，而且它 不要求高精度的模擬元件匹配和高性能的前端抗混疊濾波器，可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝與 其它數(shù)字電路模塊集成，提高了芯片的集成度。2-AADC主要由前端的模擬2-A調(diào)制 器和后端的數(shù)字降頻濾波器構(gòu)成，降頻濾波器通常采用數(shù)字SINC濾波器。為了實現(xiàn)更高 的精度，通常會采用高階的模擬2-A調(diào)制器和搭配高階的SINC濾波器，國外主要高精度 2 - A ADC廠家代表性產(chǎn)品如表1所示。
[0003] 表 1
[0004]
[0005] 由于采用了高階的SINC濾波器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要更多的輸出數(shù)據(jù)周期了胃以 滿足SINC濾波器的建立時間要求。假設(shè)SINC濾波器的階數(shù)為四階，且輸出數(shù)據(jù)周期為 100mS(10Hz)，則當(dāng)芯片上電、芯片從掉電模式進(jìn)入工作模式、輸出數(shù)據(jù)速率改變、輸入通道 切換或通道增益改變時，ADC芯片需要400mS的建立時間才會輸出第一個有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
[0006] 隨著2-A過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來越廣，特別是在手機(jī)和移動設(shè)備上的 應(yīng)用，其輸出數(shù)據(jù)建立時間長的缺點，很大程度上影響了整個系統(tǒng)使用時的待機(jī)時間，對于 系統(tǒng)待機(jī)功耗要求比較高的應(yīng)用場合十分不利。如在計量稱重市場，為了降低系統(tǒng)待機(jī)功 耗，通常會在待機(jī)狀態(tài)時令A(yù)DC芯片和傳感器間歇性的進(jìn)入掉電模式、工作模式。對于同樣 的待機(jī)狀態(tài)稱重響應(yīng)速度，系統(tǒng)處在掉電模式的時間越長，處在工作模式的時間越短，即系 統(tǒng)進(jìn)入工作模式后ADC芯片越快輸出有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)待機(jī)功耗越低。以Is響應(yīng)時 間為例，由于系統(tǒng)進(jìn)入工作模式后需要等待400mS才能對重量進(jìn)行判斷，所以系統(tǒng)處于掉 電模式的時間最多為600mS。若能加快SINC濾波器的建立時間，如只需等待200mS，甚至 100mS，則同樣的響應(yīng)速度，系統(tǒng)待機(jī)功耗可以節(jié)約2倍，甚至4倍。
[0007]高階SINC濾波器與低階SINC濾波器相比，雖然具有更寬的陷波寬度、更強(qiáng)的陷 波頻率抑制和更大的阻帶衰減，特別是當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率比較高（超過lKHz)時能提供更高 的精度，但需要更長的建立時間。而對于低輸出數(shù)據(jù)速率，低階SINC濾波器能提供與高階SINC濾波器相似的均方根噪聲性能和精度，且只需較短的建立時間。所以可以在系統(tǒng)參數(shù) 改變時，利用低階SINC濾波器建立時間短的特點，通過動態(tài)調(diào)整數(shù)字濾波器的階數(shù)實現(xiàn)快 速恢復(fù)的過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，以用于對系統(tǒng)待機(jī)功耗要求比較高的場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種動態(tài)過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其設(shè)計方法。
[0009] 所述這動態(tài)過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)有：
[0010] 數(shù)字控制模塊，數(shù)字控制模塊用于監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，所述系統(tǒng)參數(shù)包括但不限于上 電復(fù)位和掉電使能、輸出數(shù)據(jù)速率、輸入通道、通道增益等，作為使能快速恢復(fù)的控制信 號；
[0011] 高低階SINC濾波器模塊，高低階SINC濾波器模塊用于將前端模擬2 -A調(diào)制器 輸出的高速率低精度位流轉(zhuǎn)換成低速率高精度數(shù)字信號輸出；
[0012] 數(shù)字控制模塊的輸入端外接監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)輸出端，高低階SINC濾波器模 塊的輸入端外接模擬2 - △調(diào)制器的高速率低精度位流的輸出端，高低階SINC濾波器模塊 的控制信號輸入端接數(shù)字控制模塊的使能快速恢復(fù)控制信號輸出端，高低階SINC濾波器 模塊的低速率高精度數(shù)字信號輸出端輸出低速率高精度數(shù)字信號。
[0013] 所述高低階SINC濾波器模塊采用HogenauerCIC結(jié)構(gòu)，高低階SINC濾波器模塊 設(shè)有積分器、降采樣開關(guān)、微分器、增益調(diào)整電路和濾波器，該結(jié)構(gòu)中的最高階SINC濾波器 至少為四階，增益調(diào)整電路用于調(diào)整低階SINC濾波器的增益，以實現(xiàn)低階SINC濾波器和高 階SINC濾波器增益的一致。SINC濾波器的增益GAIN與降采樣因子R和濾波器階數(shù)L有 關(guān)，具體如下式：
[0014] GAIN = Rl
[0015] 其中降采樣因子R為模擬2-A調(diào)制器的采樣頻率和數(shù)字濾波器輸出數(shù)據(jù)速率 的比值。由濾波器的增益表達(dá)式可以看出階數(shù)越低，增益越小，所以需要將低階SINC濾波 器的增益調(diào)整到與最高階SINC濾波器一致。本發(fā)明中的增益調(diào)整電路通過調(diào)整低階SINC 濾波器的輸出值大小來實現(xiàn)增益的一致，具體為將二進(jìn)制乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制加法運(yùn)算 來實現(xiàn)，2的整數(shù)次方采用移位操作來實現(xiàn)。以降采樣因子R= 23040為例，一階SINC濾 波器增益GAIN1 = 230403= 2 43+241+24°+237-23°-2 28-227+23;二階SINC濾波器增益GAIN2 = 230402= 2 29-222-221+218;三階SINC濾波器增益GAIN3 = 23040 = 2 14+212+2n+29。對于降采 樣因子為2的整數(shù)次方時，增益調(diào)整電路更為簡單，如R= 32768 = 215, 一階SINC濾波器 增益GAIN1 = 327683= 2 45;二階SINC濾波器增益GAIN2 = 32768 2= 2 3°;三階SINC濾波 器增益GAIN3 = 32768 = 215。
[0016] 當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，SEL[1:0]值由2'13〇0遞增到2'1311，并保持在2'1311，即 第一個數(shù)據(jù)由一階SINC濾波器輸出，第二個數(shù)據(jù)由二階SINC濾波器輸出，第三個數(shù)據(jù)由三 階SINC濾波器輸出，第四個及之后的數(shù)據(jù)由四階SINC濾波器輸出。同樣以輸出數(shù)據(jù)周期 為100mS為例，SINC濾波器的建立時間由400mS提高到100mS，系統(tǒng)待機(jī)功耗約為原來的 1/4〇
[0017] 所述動態(tài)過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法，包括以下步驟：
[0018] ⑴數(shù)字控制模塊檢測各系統(tǒng)參數(shù)是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則進(jìn)入步驟⑵；若未 發(fā)生變化，則進(jìn)入步驟⑶；
[0019] (2)SEL[1:0]=2'b00,第一個輸出數(shù)據(jù)時鐘的上升沿，數(shù)字濾波器輸出一階SINC 濾波器的濾波值；
[0020] ⑶第一個輸出數(shù)據(jù)時鐘的下降沿，SEL[1:0] = 2'b01 ;
[0021] (4)SEL[1:0] = 2'bOl，第二個輸出數(shù)據(jù)時鐘的上升沿，數(shù)字濾波器輸出二階SINC 濾波器的濾波值；
[0022] ⑶第二個輸出數(shù)據(jù)時鐘的下降沿，SEL[1:0] = 2'blO;
[0023] (6)SEL[1:0] = 2'blO,第三個輸出數(shù)據(jù)時鐘的上升沿，數(shù)字濾波器輸出三階SINC 濾波器的濾波值；
[0024] (7)第三個輸出數(shù)據(jù)時鐘的下降沿，SEL[1:0] = 2'bll;
[0025] (8)SEL[1:0] = 2'bll，第四個及之后輸出數(shù)據(jù)時鐘的上升沿，數(shù)字濾波器輸出四 階SINC濾波器的濾波值。
[0026] 本發(fā)明利用常見系統(tǒng)在待機(jī)和正常工作兩種狀態(tài)時，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度要 求不同的特點，提出了一種動態(tài)調(diào)整2-△過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中濾波參數(shù)的設(shè)計方法。該 設(shè)計方法利用低階SINC濾波器建立時間短的特點，將低階SINC濾波器和高階SINC濾波器 結(jié)合起來，在系統(tǒng)參數(shù)改變時，最先輸出的幾個數(shù)據(jù)由較低階SINC濾波器按階數(shù)由低到高 依次輸出，從而有效的縮短數(shù)字濾波器建立時間，實現(xiàn)了快速恢復(fù)的2-A過采樣模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器；而且待最高階SINC濾波器完全建立起來，之后的數(shù)據(jù)都由其輸出，又保證了系統(tǒng)在 正常工作狀態(tài)時對模/數(shù)轉(zhuǎn)換器高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。而且采用本發(fā)明的設(shè)計方法， 較低階SINC濾波器共用最高階SINC濾波器的積分器電路，有效減少了數(shù)字濾波器的面積。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明實施例的總體電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例的高低階SINC濾波器結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0029] 參見圖1，所述這動