具多阶范围的模拟数字转换器及转换方法与放大电路技术

具多阶范围的模拟数字转换器及转换方法与放大电路。该放大电路，用来将一模拟输入电压的电压电平分成多个范围，针对不同范围对应的放大倍率，分别进行信号放大或衰减(例如，放大低电压电平信号，以及衰减高电压电平信号)。多阶模拟数字转换电路对放大或衰减后的模拟输入电压进行模拟数字转换，以产生一放大数字码，再根据放大倍率的倒数及该放大数字码，产生一输出数字码。如此一来，本发明专利技术的多阶模拟数字转换电路可适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。

【技术实现步骤摘要】
具多阶范围的模拟数字转换器及转换方法与放大电路
本专利技术涉及一种具多阶转换范围的模拟数字转换器、放大电路及相关模拟数字转换方法，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。
技术介绍
模拟数字转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)广泛地应用于微控制器领域，然而在使用与设计的过程中，申请人注意到以下两个主要的问题。第一，当输入来源信号的最大电压电平大于模拟数字转换器的最大允许输入电压电平时，须先对输入来源信号做衰减，才可将衰减后的输入来源信号输入到模拟数字转换器。然而，当上述设计应用在低电压电平的输入来源信号时(例如，电压电平为0～1伏特的小信号)，小信号的数字输出信号的量化误差(QuantizationError)将大于未预做衰减的转换量化误差，如此导致准确率降低。第二，在特定应用领域中，对低电平范围的小信号的准确率要求较高，然而适用于高电平范围的模拟数字转换器难以确保低电平范围的量化误差。尤其是当采用均匀量化误差设计时，输入来源信号的电压电平越小，则量化误差越大，如此牺牲了小信号的准确率。因此，实有必要提供一种模拟数字转换器，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。
技术实现思路
因此，本专利技术的主要目的即在于提供一种具多阶转换范围的模拟数字转换器、放大电路及相关模拟数字转换方法，适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。本专利技术公开一种放大电路，用于一多阶模拟数字转换电路，包含一第一比较器、一第一运算放大器、一第一开关、一或非门、一第二运算放大器、一第二开关、一第二比较器、一第三运算放大器、一第三开关。该第一比较器用来根据一第一阈值电压以及一模拟输入信号，输出一第一控制信号。该第一运算放大器用来根据一第一放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第一放大模拟输入信号。该第一开关耦接于该第一比较器以及该第一运算放大器，用来根据该第一控制信号，控制是否输出该第一放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上小于该第一阈值电压时，该第一开关控制输出该第一放大模拟输入信号。该或非门用来根据该第一控制信号以及一第三控制信号，产生一第二控制信号。该第二运算放大器用来根据一第二放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第二放大模拟输入信号。该第二开关耦接于该或非门以及该第二运算放大器，用来根据该第二控制信号，控制是否输出该第二放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第一阈值电压且小于一第二阈值电压时，该第二开关控制输出该第二放大模拟输入信号。该第二比较器，用来根据该第二阈值电压以及该模拟输入信号，输出该第三控制信号。该第三运算放大器用来根据一第三放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生一第三放大模拟输入信号。该第三开关耦接于该第二比较器以及该第三运算放大器，用来根据该第三控制信号，控制是否输出该第三放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第二阈值电压时，该第三开关控制输出该第三放大模拟输入信号。本专利技术另公开一种多阶模拟数字转换电路，包含上述公开的该放大电路以及一微控制器。该微控制器耦接于该放大电路，用来对该第一放大模拟输入信号、该第二放大模拟输入信号及该第三放大模拟输入信号中的一个，进行模拟数字转换，以产生一放大数字码，以及根据该放大数字码、该第一控制信号对应的该第一放大倍率、该第二控制信号对应的该第二放大倍率及该第三控制信号对应的该第三放大倍率中的一个，产生一数字输出码。本专利技术另公开一种模拟数字转换的方法，用于一多阶模拟数字转换电路，包含根据多个控制信号，判断一放大倍率；根据该放大倍率，放大一模拟输入信号，以产生一放大模拟输入信号；对该放大模拟输入信号，进行模拟数字转换，以产生一放大数字码；以及根据该放大倍率的倒数及该放大数字码，产生一输出数字码。本专利技术将模拟输入电压的电压电平分成多个范围，针对不同范围对应的放大倍率，分别进行信号放大或衰减(例如，放大低电压电平信号，以及衰减高电压电平信号)。如此一来，本专利技术的多阶模拟数字转换电路可适用于高电平范围的输入电压，也可确保低电平范围的输入电压的准确率与量化误差。附图说明图1为一模拟数字转换器的功能方块图。图2为0～1伏模拟输入信号的解析度及量化误差的曲线图。图3为0～5伏模拟输入信号的转换曲线及量化误差曲线。图4为本专利技术实施例一模拟数字转换电路的功能方块图。图5为图4的模拟数字转换电路的解析度及量化误差的曲线图。图6为本专利技术实施例一模拟数字转换流程的流程图。【符号说明】1模拟数字转换器11采样与保持单元12N位数字模拟转换器13逻辑控制电路14N位寄存器V_SAMP采样信号V_DA模拟参考电压RST比较结果D_BIT位数值D_OUT数字输出信号4多阶模拟数字转换电路40放大电路41或非门42微控制器COM1、COM2比较器OP_AMP1、OP_AMP2、运算放大器OP_AMP3SW1、SW2、SW3开关V_IN、V_IN_AMP1、模拟输入信号V_IN_AMP2、V_IN_AMP3GPIO1、GPIO2、GPIO3控制信号AV1、AV2、AV3放大倍率V-_TH1、V-_TH2阈值电压V_MAX最大电压RNG1、RNG2、RNG3电压电平范围6流程61、62、63、64步骤具体实施方式图1为一模拟数字转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)1的功能方块图。模拟数字转换器1用来将一模拟输入信号V_IN转换为一数字输出信号D_OUT，其包含一比较器10、一采样与保持单元11、一N位数字模拟转换器(Digital-to-AnalogConverter，DAC)12、一逻辑控制电路13以及一N位寄存器14。采样与保持单元11耦接于比较器10，用来对模拟输入信号V_IN进行采样，以产生一采样信号V_SAMP至比较器10。比较器10耦接于采样与保持单元11、数字模拟转换器12以及逻辑控制电路13，包含一正输入端、一负输入端以及一输出端，用来比较采样电压V_SAMP及一模拟参考电压V_DA，以产生一比较结果RST至逻辑控制电路13。逻辑控制电路13耦接于比较器10及寄存器14，用来根据比较结果RST，产生一位数值D_BIT至寄存器14。寄存器14耦接于数字模拟转换器12及逻辑控制电路13，用来根据位数值D_BIT，产生数字输出信号D_OUT至数字模拟转换器12，以及输出数字输出信号D_OUT。数字模拟转换器12耦接于比较器10以及寄存器14，用来根据一参考电压V_REF，将数字输出信号D_OUT转换为模拟参考电压V_DA，以输出至比较器10的负输入端。假设模拟输入信号V_IN是电压电平为0～1伏特的模拟小信号，且模拟数字转换器1的转换位数为八位(即，N＝8bits)。在操作上，比较器10可比较采样信号V_SAMP及模拟参考电压V_DA，当采样信号V_SAMP大于模拟参考电压V_DA时，则比较结果RST为高电压电平，故逻辑控制电路13产生的位数值D_BIT为逻辑“1”；反之，当采样信号V_SAMP小于模拟参考电压V_DA时，则比较结果RST为低电压电平，故逻辑控制电路13产生的位数值D_BIT为逻辑“0”。接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种放大电路，用于多阶模拟数字转换电路，包含：第一比较器，用来根据第一阈值电压以及模拟输入信号，输出第一控制信号；第一运算放大器，用来根据第一放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第一放大模拟输入信号；第一开关，耦接于该第一比较器以及该第一运算放大器，用来根据该第一控制信号，控制是否输出该第一放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上小于该第一阈值电压时，该第一开关控制输出该第一放大模拟输入信号；或非门，用来根据该第一控制信号以及第三控制信号，产生第二控制信号；第二运算放大器，用来根据第二放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第二放大模拟输入信号；第二开关，耦接于该或非门以及该第二运算放大器，用来根据该第二控制信号，控制是否输出该第二放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第一阈值电压且小于第二阈值电压时，该第一开关控制输出该第二放大模拟输入信号；第二比较器，用来根据该第二阈值电压以及该模拟输入信号，输出该第三控制信号；第三运算放大器，用来根据第三放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第三放大模拟输入信号；以及第三开关，耦接于该第二比较器以及该第三运算放大器，用来根据该第三控制信号，控制是否输出该第三放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第二阈值电压时，该第三开关控制输出该第三放大模拟输入信号。...

【技术特征摘要】
2017.10.02 TW 1061340601.一种放大电路，用于多阶模拟数字转换电路，包含：第一比较器，用来根据第一阈值电压以及模拟输入信号，输出第一控制信号；第一运算放大器，用来根据第一放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第一放大模拟输入信号；第一开关，耦接于该第一比较器以及该第一运算放大器，用来根据该第一控制信号，控制是否输出该第一放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上小于该第一阈值电压时，该第一开关控制输出该第一放大模拟输入信号；或非门，用来根据该第一控制信号以及第三控制信号，产生第二控制信号；第二运算放大器，用来根据第二放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第二放大模拟输入信号；第二开关，耦接于该或非门以及该第二运算放大器，用来根据该第二控制信号，控制是否输出该第二放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第一阈值电压且小于第二阈值电压时，该第一开关控制输出该第二放大模拟输入信号；第二比较器，用来根据该第二阈值电压以及该模拟输入信号，输出该第三控制信号；第三运算放大器，用来根据第三放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第三放大模拟输入信号；以及第三开关，耦接于该第二比较器以及该第三运算放大器，用来根据该第三控制信号，控制是否输出该第三放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上大于该第二阈值电压时，该第三开关控制输出该第三放大模拟输入信号。2.如权利要求1所述的放大电路，其中该第一控制信号对应该第一放大倍率，该第二控制信号对应该第二放大倍率，且该第三控制信号对应该第三放大倍率，该第一放大倍率对应第一电压电平范围，该第二放大倍率对应第二电压电平范围，以及该第三放大倍率对应第三电压电平范围。3.如权利要求2所述的放大电路，其中该模拟输入信号的电压电平实质上为0～5伏，该多阶模拟数字转换电路的转换电压电平实质上为0～1.2伏，该第一阈值电压实质上为0.5伏，该第二阈值电压实质上为1伏，该第一电压电平范围实质上为0～0.5伏，该第二电压电平范围实质上为0.5～1伏，且该第三电压电平范围实质上为1～5伏。4.如权利要求2所述的放大电路，其中该第一放大倍率实质上大于1，该第二放大倍率实质上等于1，且该第三放大倍率实质上小于1。5.如权利要求2所述的放大电路，其中该多阶模拟数字转换电路，包含微控制器，耦接于该放大电路，用来对该第一放大模拟输入信号、该第二放大模拟输入信号及该第三放大模拟输入信号中的个，进行模拟数字转换，以产生放大数字码，以及根据该放大数字码以及该第一控制信号对应的该第一放大倍率、该第二控制信号对应的该第二放大倍率及该第三控制信号对应的该第三放大倍率中的个，产生数字输出码。6.如权利要求5所述的放大电路，其中当该第一开关控制输出该第一放大模拟输入信号时，该微控制器根据该第一放大倍率的倒数，将该放大数字码还原为该数字输出码；当该第二开关控制输出该第二放大模拟输入信号时，该微控制器根据该第二放大倍率的倒数，将该放大数字码还原为该数字输出码；以及当该第三开关控制输出该第三放大模拟输入信号时，该微控制器根据该第三放大倍率的倒数，将该放大数字码还原为该数字输出码。7.如权利要求1所述的放大电路，其中：该第一比较器包含第一正输入端，用来接收该第一阈值电压；第一负输入端，用来接收该模拟输入信号；以及第一输出端，用来输出该第一控制信号至该第一开关；该或非门包含第一输入端，用来接收该第一控制信号；第二输入端，用来接收该第三控制信号以及；以及第二输出端，用来输出该第二控制信号至该第二开关；以及该第二比较器包含第二正输入端，用来接收该模拟输入信号；第二负输入端，用来接收该第二阈值电压；以及第三输出端，用来输出该第三控制信号至该第三开关。8.一种多阶模拟数字转换电路，包含：放大电路，包含：第一比较器，用来根据第一阈值电压以及模拟输入信号，输出第一控制信号；第一运算放大器，用来根据第一放大倍率，放大该模拟输入信号，以产生第一放大模拟输入信号；第一开关，耦接于该第一比较器以及该第一运算放大器，用来根据该第一控制信号，控制是否输出该第一放大模拟输入信号，其中当该模拟输入信号实质上小于该第一阈值电压时，该第一开...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡孟儒，
申请(专利权)人：纬创资通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71