专利名称：宽动态范围模数转换的制作方法
背景技术：
1、发明领域本发明涉及一种模-数转换器电路，在该电路中，用一个输入信号作为一个模-数转换器的参考信号，所说转换器的工作范围适合不使用可变增益放大器时的输入信号电平范围。2、相关背景技术的讨论当将一个具有较大动态范围的模拟信号转换为一个数字信号时，通常需要一个高分辨率的模-数转换器(ADC)。一般来说，将分贝数范围除以6可给出ADC输出所需的比特数。例如，在一个无线接收器中，在输入信号电平可以在100dB的范围内改变时，根据这个规则就需要一个具有17比特或更多的ADC。例如，由于输入信号具有较大的频带宽度，除了需要较大的动态范围之外，还需要一个高的转换率(大于100kHZ)。
为满足这些要求，对于动态范围问题最一般的解决方法是引用被称为自动增益控制(AGC)的功能。在典型的AGC装置中，如
图1所示，输入信号Vin由一个检波器12检波，并由一个低通滤波器13滤波，以提取该信号的包络。将这个信号包络作为一个控制信号以控制一个可变增益放大器11的增益。如果所说输入信号，进而所说控制信号较大，则放大器11具有较小的增益，如果所说控制信号较小，那么放大器11将具有一个较大的增益。所说放大器在其后会提供一个具有压缩动态范围的输出信号。如果要将这个信号转换为一个数字信号，使用一个具有固定参考电压的ADC14。所说参考电压设定了ADC的范围。使用常规的AGC，为了获得足够宽的动态范围，必须将几个可变增益放大器串联连接。
另一种解决方法公开在美国专利No.4,990,913中，该专利1991年2月5日授予Beauducel。Beauducel的专利公开了一种使用可变参考电压的ADC。在经过固定增益放大器放大之后，所说输入信号被施加于一个采样保持单元，它的输出连接到一个ADC。选取一组可能的参考电压中的一个值做为ADC在采样输入和预置电压之间的一个比较值。
还有另一种解决方法公开在美国专利No.5,194,865中，该专利1993年3月16日授予Mason等人。Mason等人的专利公开了一种具有自动范围控制的ADC。所说自动范围控制是由一个峰值检波器、一个电平偏移电路、和一个ADC实现的，所说峰值检波器产生一个对应于输入信号峰值振幅的参考电位，所说电平偏移电路用于根据参考电位使输入信号直流电平偏移，所说ADC用于相对于参考电位将偏移的输入信号转换为高分辨率的数字输出信号。
其它的解决方法包括用于电视伴音的对数ADC系统和NICAM(准瞬时压缩-扩展声频复用)系统，其中采样块按照每块不同的偏移系数发生偏移，该方法被称作块浮点法。但是，这些解决方法的主要用途是减少在ADC之后的数字传输的比特率。这些ADC的功能可以利用一个高分辨率ADC并在其后加上某些减少输出比特数的操作(例如ROM表)来实施。然后在传输链的另一端执行相反的操作。如果目的是简化ADC本身而不是减少ADC后侧输出的比特率，那么这些解决方法并不十分适用。发明概要本发明提供一种不使用自动增益控制就能解决ADC动态范围问题的方法。本发明包括以常规方式对一个输入信号进行检波并且用低通滤波器对经过检波的输入信号进行滤波以提取信号的包络，但是其中不包括采用一个可变增益放大器，该信号包络用作ADC的参考信号。
本申请中公开了几种实施例。例如，所说模-数转换器电路还可以包括将所说参考信号作为偏移加入所说模拟输入信号中的加法器以及将所说参考信号加倍的乘法器，其中所说的加倍参考信号设定了具有二个参考输入端的模-数转换器工作范围。
而且，该模-数转换器电路还可以包括产生参考信号的互补信号的乘法器，其中所说参考信号和它的互补信号用于设定具有二个参考输入端的模-数转换器的工作范围。另外一种实施例能够测量输出信号电平的绝对值。
此外，还有一种实施例通过使用一个数字参考信号定标该数字输出信号，可在一段时间里保持信号通路内放大器的增益不变，从而使得要求具有这一特征的处理能够实施。
还有另外一种实施例通过将所说数字参考信号转换为用于确定宽范围ADC的范围的模拟参考信号，从而减少量化误差。附图简介通过以下对本发明的详细描述并参照附图，将会更加明确地了解本发明的其它特征、性质和各种优点，其中图1为常规自动增益控制模-数转换器示意图；图2为按照本发明的第一实施例的示意图；图3为按照本发明的第二实施例的示意图；图3(a)为适用于图3所示实施例的一种乘法器的示意图；图3(b)为适用于图3所示实施例的一种加法放大器的示意图；图4为按照本发明第三实施例的示意图；图4(a)为适用于图4所示实施例的一种乘法器的示意图；图5为按照本发明第四实施例的示意图；和图6和图7为按照本发明的第五实施例的示意图。优选实施例详细介绍图2表示本发明的第一实施例，其中一个输入信号Vin由一个检波器22检波，并且由一个低通滤波器23滤波，以提供代表该输入信号Vin的信号包络的参考电压Vref。所说输入信号Vin还输入到ADC25的输入端，以将其转换为一个数字信号。于是如同通常在自动增益控制中所做的一样，所说输入信号Vin经过检波和低通滤波，但是不同的是不包括一个具有可变增益的放大器，得到的信号包络被用作模-数转换中的一个参考信号。所说参考信号Vref设定了ADC25的范围，并且该ADC25的工作范围适合于所说输入信号Vin的电平范围。一个与参考输入Vref同电平的输入采样给出所说ADC25输出的最大码。对于一个8比特位的转换器，输出的最大码是255比特。这个实施例可以在无需可变增益放大器情况下解决自动增益控制所包含的同样问题。
本发明的另一个优点是，由于制造宽范围可变增益放大器存在问题，本发明更易于工作在比可变增益放大器更宽的动态范围。
大部分市售的ADC都具有二个参考输入端，一个对应于给出最大输出码的输入电平，一个对应于给出最小输出码的输入电平。市售ADC的一个实例是国家半导体公司生产的ADC0820。
为简明起见，在第一实施例中只使用了最大参考输入。但是，对于具有两个参考电压输入端的ADC，可以如图3和图4所示实施本发明。
图3所示为第二实施例，其中将ADC25的反相参考输入端设为0V(接地)，通过一个乘法器38将ADC25的同相输入端设置为低通滤波器23的输出的二倍(2×Vref)。偏移Vref(低通滤波器23的输出)通过加法器39与输入信号Vin相加。因此，ADC25的全范围是从0V到一个最大值(即2×Vref)的范围以内变化，并且随着输入信号Vin的升高而变化。
图3(a)表示乘法器38的一种实现方法。其中乘法器38采用一个放大器38B的形式，该放大器38B的输出通过一个电阻R38A反馈到它的反相输入端。连接放大器38B反相输入端和电阻R38A的节点通过另一个电阻R38C接地。由于电阻R38A＝R38C，进而使放大器38B的输入Vref被放大二倍。必须强调的是，实现这种乘法器38的方法有许多种，图3(a)仅仅是其中之一。
图3(b)表示一个加法放大器39，当图3中所示的所有电阻值均相等以适用于图3所示实施例时，该加法放大器增益为1。可以使用任何合适的加法放大器，图3(b)所示的仅仅是一个实例。在这个示例性实施例中，二个输入信号Vref和Vin分别通过电阻R39A和R39B被输入。电阻R39A和R39B的输出在一个节点处与一个第一放大器39C通过反馈电阻R39D的反馈输出信号汇接。这个节点处的信号输入到放大器39C的反相输入端。放大器39C的同相输入端接地。放大器39C的输出通过另一个电阻R39E与一个第二放大器39F的反相输入端的反馈信号连接。放大器39F的同相输入端接地。反馈信号从反馈电阻R39G通过。这个电路部分的结构对于给定应用来说是特定的，所实施的具体设计是本领域人员所熟知的。
图4表示第三实施例，其中低通滤波器的输出端用作一个同相参考输入端，在通过互补负数转换(通过乘法器48乘以-1)之后又用作反相参考输入端。
图4(a)表示乘法器48的一种实现方法。其中乘法器48采用放大器48A的形式，它的输出通过电阻R48B反馈到放大器48A的反相输入端。连接放大器48A的反相输入端和电阻R48B的节点还与通过另一个电阻R48C的输入信号Vref连接。放大器48A的同相输入端接地。借助于这种电路结构，放大器48A的输入信号Vref的增益为-1。如在图3(a)中一样，必须强调的是，实现这样一个乘法器48的方法有许多种，图4(a)仅仅表示其中之一。
虽然图2、3和4所示的电路能解决提供具有宽动态范围输入信号的问题，但仍存在一些明显的限制。图2、3和4所示电路的一个缺点是它不能测量信号电平的绝对值。另一个缺点是在ADC之后的信号处理过程中，可能需要假设信号通路的增益在一段时间内保持不变。
应该指出也有没有这种问题的情况以及图2所示的电路的工作令人满意的情况。一个简单的FM-解调器就是一个实例。同时还应指出在图1所示的现有技术中也存在这些缺点。
图5所示的第四实施例没有这些缺点，因为它可以提供绝对电平的测量。除了第一ADC55以外，还包括一个第二ADC56用以测量由低通滤波器23输出的参考电压Vref。根据本发明，低通滤波器23的时间常数一般比输入信号的变化时间长。即参考电压Vref的变化比输入信号Vin慢。因此，可以使用较慢的ADC作为第二ADC56，它比第一ADC55容易实现并且价格便宜。
第二ADC56具有一个固定的参考电平Vfix。低通滤波器23的输出Vref是随输入信号Vin的包络变化的一个信号，因此第二ADC56的输出Dref可用于输入信号电平的绝对测量。在某些应用场合，它完全可以以低于第一ADC55采样率的速率测量绝对电平。例如，在一个蜂窝电话系统中，信号强度的绝对电平测量被用作切换算法的输入信号。
但是，如果要解决对子序列信号处理具有影响的可变增益问题，那么就必须用参考电压Vref定标每个输出采样Dout。图6所示的实施例具备了这种能力。正如图5所示的第四实施例一样，低通滤波器23输出的包络信号Vr在第二ADC66中进行模-数转换。第一ADC65没有使用模拟信号Vr作为参考电压，它的参考电压Vref是由数字信号处理器(DSP)68通过数-模转换器(DAC)67提供的。图6所示的DSP68可以用专用集成电路(ASIC)来实现。设置DAC67的优点将在下面介绍。
图7所示的是如何定标输出采样的一个实例。这种方法与图5所示的实施例相比有一个优点。特别是DSP68可以包括一个乘法器69，用软件实现，以定标第一ADC65的数字输出信号。图5所示方法中第一ADC55的输出为Dout=VinVr2N+qerrl]]>式中N是第一ADC55中的比特数，量化误差qerr1=trunc(VinVr2N)-VinVr2N]]>如果用与图2所示实施例相类似的方法用Dref(ADC56的一个输出)定标第一ADC55的数字输出Dout以使其与参考电平无关，那么DoutScoled=(VinVr2N+qerr1)Dref]]>式中M是第二ADC56中的比特数、Vfix是其参考值以及Dref=VrVfix2M+qerr2]]>在ADC2中的量化误差qerr2=trunc(VrVfix2M)-VrVfix2M]]>进而DoutScoled=(VinVr2N+qerr1)(VrVfix2M+qerr2)]]>DoutScoled=VinVfix2(N+M)+(VinVr2N)qerr2+qerr1(VrVfix2M+qerr2)]]>可惜依赖于第二ADC56的量化误差(即qerr2)的第二项，不能消除。如果用图6和7所示的电路代替，那么DouttScaled变为DoutScaled=(VinVref2N+qerr1)Dref]]>以及Vref=Dref(Vfix2M)]]>进而DoutScaled=(VinDref(Vfix2M)2N+qerr1)Dref]]>DoutScaled=VinVfix2(N+M)+qerr1Dref]]>
以及Dref=VrVfix2M+qerr2;]]>Dr≡Dref进而DoutScaled=VinVfix2(N+M)+qerr1(VrVfix2M+qerr2)]]>这就是说依赖于第二ADC66的量化误差的第二项可以在定标的输出DoutScaled中被消除。换句话说，不是使用非量化电压Vr作为第一ADC65的参考信号然后用它的量化值Dref定标Dout，而是最好使用与没有量化误差的Dref完全一致的量化电压Vref。
即使提取的信号包络Vr在每个数字采样Dr之间的时间内发生变化，也不会引入其它的误差。如果第二ADC66的采样率比第一ADC65的采样率低，那么上述这一特征也是很重要的。输出DoutScaled仍以用来设定第一ADC65的工作范围的完全相同的参考电压进行定标。但是，如果将数字采样Dr用作绝对信号强度的测量值，就会产生量化误差qerr2。
在图6和7所示实施例的实施中，第二ADC66可以是包含一个DAC的一种类型，例如逐次近似转换器。在这种情况下就可能会从第二ADC66直接得到量化电压Vref。应当指出类似图6和7中所示电路实现的转换器具有N+M比特位的动态范围。但是其量化误差与N比特转换器的相似。还应指出，图7的DSP68中如果使用不同的算法以及不使用低通滤波器，就可以模仿在Beauducel专利中所述电路的结果。在这种情况下，二个ADC的采样率应该是相同的。
本领域的技术人员应当理解本发明可以用除上述实施例以外的其它方式实现，本发明的上述实施例的作用只是解释本发明而不是限制本发明。本发明的范围应以所附权利要求书为准。
权利要求
1.一种模-数转换器电路，它包括一个用于检波模拟输入信号的检波器；一个与所说检波器可操作相连的滤波器，用于对从所说检波器输出的检波模拟信号滤波，以提供一个参考信号；和一个在一定范围内将所说模拟输入信号转换为数字信号的第一模-数转换器，所说范围是根据由所说滤波器提供的所说参考信号动态设定的。
2.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，其特征在于所说滤波器是一个低通滤波器。
3.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，还包括一个将所说参考信号作为偏移加入所说模拟输入信号的加法器，和一个将所说参考信号加倍的乘法器，所说加倍的参考信号用于设定所说第一模-数转换器的工作范围。
4.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，还包括一个用于产生所说参考信号的互补信号的乘法器，其中所说参考信号和所说参考信号的互补信号用于设定所说第一模-数转换器的工作范围。
5.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，还包括一个第二模-数转换器，用于将所说参考信号转换为数字参考信号。
6.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，还包括用于将所说参考信号转换为数字参考信号的第二模-数转换器；和用于将所说数字参考信号与所说第一模-数转换器输出的所说数字信号相乘、以定标所说数字信号的装置。
7.一种如权利要求1所述的模-数转换电路，还包括一个用于将所说参考信号转换为数字参考信号的第二模-数转换器；一个用于将所说数字参考信号转换为第二模拟参考信号的数-模转换器，所说第二模拟参考信号用于设定所说第一模-数转换器的工作范围；和用于将所说数字参考信号与所说第一模-数转换器输出的所说数字信号相乘、以定标所说数字信号的装置。
全文摘要
一种模－数转换电路,在该电路中采用输入信号的提取包络作为一个模－数转换器的参考信号,它能够在无需自动增益控制的前提下提供较宽的动态范围。
文档编号H03M1/18GK1179243SQ9619268
公开日1998年4月15日 申请日期1996年1月24日 优先权日1996年1月24日
发明者F·詹森 申请人:艾利森电话股份有限公司