一种主次斜率模数转换电路和方法
【专利摘要】本发明涉及一种主次斜率模数转换电路和方法，包括：斜率调制器将斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压；将信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值M1，并将高速比较器输出的控制信号发送给所述斜率调制器，所述斜率调制器将所述控制信号进行调制，其中，M1为二进制数；将信号电压与次斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值M2，其中，M2为二进制数；根据M1和M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。
【专利说明】
一种主次斜率模数转换电路和方法
技术领域
[0001]本发明涉及模数转换电路领域，特别是涉及一种主次斜率模数转换电路和方法。
【背景技术】
[0002]模数转换器是红外成像系统中关键组成部分，是连接读出电路模拟通道和后面信号处理的关键部分，模数转换器的性能直接影响整个焦平面阵列读出电路的性能，而片内集成模数转换器成了设计读出电路的趋势。
[0003]一般应用在红外成像系统中的模数转换器可分为三种:芯片级、列并行、像素级。芯片级是指整个像素阵列共用一个模数转换器，像素信号经过行列选择器，送到模数转换器的输入端，这样要求模数转换器的速率非常高，设计难度大。像素级是指每一个像素都有一个独立的模数转换器去转换数据，这种方式速率最高，全并行，但是要求的模数转换器的数据和像素点一样多，面积太大，并且噪声也太大，一致性比较差。列并行是指每一列共用一个模数转换器，一行并行工作，降低的速度要求，且一列的一致性好，功耗和面积都比较折中。列并行结构在功耗、速度、面积方面折中最好，被应用的最为广泛。
[0004]在列并行结构中，单斜率模数转换器以其结构简单、噪声性能好、一致性好等优点而被运用的很广泛。但是单斜率模数转换器的最大的缺点就是，一次转换需要2~个时钟，N为模数转换器的位数，相同转换时间下所需要的时钟频率比较高。在高精度应用中，很难满足要求。随着阵列规模的变大、刷新率变快，一行时间即是给模数转换器的最大转换时间也变短，这就要求时钟频率变高，但是高的时钟频率对比较器和后面数字处理系统的设计都增加了很大的难度。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是在平面阵列越来越大、刷新帧频越来越快、转换位数越来越多的情况下，如何降低模数转换器的主时钟频率的问题。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种主次斜率模数转换电路，所述电路包括:
[0007]斜坡发生器输出斜坡电压，所述斜坡发生器的输出端与斜率调制器的输入端相连接，所述斜率调制器的输出端与高速比较器的负向输入端相连接，采样保持电路的输入端输入信号电压，所述采样保持电路的输出端与所述高速比较器的正向输入端相连接，所述高速比较器的输出端分别与所述斜率调制器和计数器相连接，所述计数器的输出端与寄存器的输入端相连接，时钟信号分别与所述高速比较器和所述计数器相连接；
[0008]所述斜率调制器将所述斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压，将所述信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录所述计数器的值Ml，并将所述高速比较器输出的控制信号发送给所述斜率调制器，所述斜率调制器将所述控制信号进行调制，其中，M1为二进制数；
[0009]将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器的值M2，其中，M2为二进制数；
[0010]根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。
[0011]本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下:一种用于如主次斜率模数转换电路所述的主次斜率模数转换方法，其特征在于，所述方法包括:
[0012]斜率调制器将斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压；
[0013]将信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值Ml，并将高速比较器输出的控制信号发送给所述斜率调制器，所述斜率调制器将所述控制信号进行调制，其中，Ml为二进制数；
[0014]将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器的值M2，其中，M2为二进制数；
[0015]根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。
[0016]本发明的有益效果:通过将信号电压分别与主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值，分别得到Ml和M2，根据Ml和M2得到数字输出值M，从而降低主时钟的工作频率，减小功耗，降低设计难度，以较低的时钟频率实现比较高的分辨率。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例提供的一种主次斜率模数转换电路示意图；
[0018]图2为本发明实施例提供的一种主次斜率模数转换方法流程图；
[0019]图3为本发明实施例提供的斜率调制器逻辑框图；
[0020]图4为本发明实施例提供的主次斜率模数转换电路工作时序图；
[0021]图5为本发明实施例提供的主斜率斜坡电压与次斜率斜坡电压比较时刻示意图。
[0022]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0023 ] 10、斜坡发生器，20、斜率调制器，30、高速比较器，40、计数器，50、寄存器，60、采样保持电路。
【具体实施方式】
[0024]图1为本发明实施例提供的一种主次斜率模数转换电路示意图。
[0025]参照图1，该电路包括斜坡发生器10、斜率调制器20、高速比较器30、计数器40、寄存器50和采样保持电路60。
[0026]斜坡发生器10输入斜坡电压，所述斜坡发生器10的输出端与斜率调制器20的输入端相连接，所述斜率调制器20的输出端与高速比较器30的负向输入端相连接，采样保持电路60的输入端输入信号电压，所述采样保持电路60的输出端与所述高速比较器30的正向输入端相连接，所述高速比较器30的输出端分别与所述斜率调制器20和计数器40相连接，所述计数器40的输出端与寄存器50的输入端相连接，时钟信号分别与所述高速比较器30和所述计数器40相连接；
[0027]所述斜率调制器20将所述斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压，将所述信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录所述计数器40的值Ml，并将所述高速比较器30输出的控制信号发送给所述斜率调制器20，所述斜率调制器20将所述控制?目号进行调制，其中，M1为二进制数；
[0028]将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器40的值M2，其中，M2为二进制数；
[0029]根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。
[0030]这里，斜坡发生器、数字处理都复位，信号电压经过采样保持电路，由上一行采样，到本行处于保持状态。复位信号结束，斜坡发生器开始工作。
[0031]斜率调制器根据所述控制信号进行调制，使输出斜波信号从主斜率切换到次斜率输出。
[0032]在本实施例中，所述电路还包括:当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器30的输出状态发生改变。
[0033]具体地，当所述主斜率斜坡电压上升到所述信号电压之前，所述高速比较器输出为高；当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器输出为低。
[0034]本实施例中，所述电路还包括:当所述次斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器30的输出状态发生改变。
[0035]具体地，当所述次斜率斜坡电压上升到所述信号电压之前，所述高速比较器输出为高；当所述次斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器输出为低。
[0036]具体地，所述电路还包括:根据公式(I)计算数字输出值M:
[0037]M=M1XA+(M2-M1) (I)
[0038]其中，Ml为所述主斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，M2为所述次斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，A为实数。
[0039]具体地，计算一下640X 512阵列，50Hz刷新率，实现14位模数转换的精度所需的主时钟频率。一行时间不变，具体为l/50/512 = 39us，第一次比较需要的最大时钟数目为:2~14/A，第二次比较的时钟数目由具体的实际电路决定，也与主次斜率的比例A有关。假如设置A为16，那第二次比较的时钟数目能控制在256个以内，最终的总的转换需要的时钟数目为:2~ 14/16+256 = 1280，需要主时钟频率为:32.8M，从而大大减低了主时钟的频率。
[0040]这里的主次斜率的比例A，决定的主次两次比较最大所需的时钟数目，它与主比较最大所需的时钟数目是反比，与次比较最大所需时钟数目成正比，所以可以根据实际的电路情况找到一个最优值。
[0041 ]图2为本发明实施例提供的一种主次斜率模数转换方法流程图。
[0042]参照图2，步骤S201，斜率调制器将斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压。
[0043]步骤S202，将信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值Ml，并将高速比较器输出的控制信号发送给所述斜率调制器，所述斜率调制器将所述控制信号进行调制，其中，Ml为二进制数。
[0044]步骤S203，将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器的值M2，其中，M2为二进制数。
[0045]步骤S204，根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。
[0046]本实施例中，所述方法还包括:当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器的输出状态发生改变。
[0047]本实施例中，所述方法还包括:当所述次斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器的输出状态发生改变。
[0048]本实施例中，所述方法还包括:根据公式(I)计算所述数字输出值M。
[0049]图3为本发明实施例提供的斜率调制器逻辑框图。
[0050]参照图3，斜率调制器通过列并行结构实现平面阵列模数转换。图中为列并行转换，共用一个斜坡发生器，其他的模块都是每一列都有一份。斜坡发生器产生所有列共用的斜坡，斜坡给到每一列的斜率调制器，斜率调制器将斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压，其中，次斜率斜坡电压是主斜率斜坡电压的I /A倍，主斜率斜坡电压与次斜率斜坡电压的切换时刻由第一次比较的结束时刻决定。
[0051 ]图4为本发明实施例提供的主次斜率模数转换电路工作时序图。
[0052]参照图4，将信号电压与主斜率斜坡电压进行比较，得到输出信号OUTl，从复位信号的下降沿到OUTl信号的下降沿，通过数字处理计数器计数得到信号与主斜率比较的时钟数Ml，将信号电压与次斜率斜坡电压进行比较，得到输出信号0UT2，从复位信号的下降沿到0UT2信号的下降沿，通过数字处理计数器计数得到信号与主斜率比较的时钟数M2;其中，TI i ne为阵列中整个一行的时间。
[0053]图5为本发明实施例提供的主斜率斜坡电压与次斜率斜坡电压比较时刻示意图。
[0054]参照图5，对于主斜率斜坡电压，在O?tl时刻，当主斜率斜坡电压上升到所述信号电压之前，所述高速比较器输出为高;在tl?t2时刻，当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器输出为低。
[0055]对于次斜率斜坡电压，在在tl?t2时刻，当次斜率斜坡电压上升到信号电压之前，高速比较器输出为高;在大于t2时刻时，当次斜率斜坡电压超过信号电压时，高速比较器输出为低。
[0056]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0057]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种主次斜率模数转换电路，其特征在于，所述电路包括: 斜坡发生器(10)输出斜坡电压，所述斜坡发生器(10)的输出端与斜率调制器(20)的输入端相连接，所述斜率调制器(20)的输出端与高速比较器(30)的负向输入端相连接，采样保持电路(60)的输入端输入信号电压，所述采样保持电路(60)的输出端与所述高速比较器(30)的正向输入端相连接，所述高速比较器(30)的输出端分别与所述斜率调制器(20)和计数器(40)相连接，所述计数器(40)的输出端与寄存器(50)的输入端相连接，时钟信号分别与所述高速比较器(30)和所述计数器(40)相连接； 所述斜率调制器(20)将所述斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压，将所述信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录所述计数器(40)的值Ml，并将所述高速比较器(30)输出的控制信号发送给所述斜率调制器(20)，所述斜率调制器(20)将所述控制信号进行调制，其中，Ml为二进制数； 将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器(40)的值M2，其中，M2为二进制数； 根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。2.根据权利要求1所述的一种主次斜率模数转换电路，其特征在于，所述电路还包括: 当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器(30)的输出状态发生改变。3.根据权利要求2所述的一种主次斜率模数转换电路，其特征在于，所述电路还包括: 当所述次斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器(30)的输出状态发生改变。4.根据权利要求3所述的一种主次斜率模数转换电路，其特征在于，所述电路还包括: 根据下式计算所述数字输出值M: M=M1XA+(M2-M1) 其中，Ml为所述主斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，M2为所述次斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，A为实数。5.—种用于如权利要求1所述的一种主次斜率模数转换方法，其特征在于，所述方法包括: 斜率调制器将斜坡电压生成主斜率斜坡电压和次斜率斜坡电压； 将信号电压与所述主斜率斜坡电压进行比较，并通过数字处理记录计数器的值Ml，并将高速比较器输出的控制信号发送给所述斜率调制器，所述斜率调制器将所述控制信号进行调制，其中，M1为二进制数； 将所述信号电压与所述次斜率斜坡电压进行比较，并通过所述数字处理记录所述计数器的值M2，其中，M2为二进制数； 根据所述Ml和所述M2得到数字输出值M，其中，M为二进制数。6.根据权利要求5所述的一种主次斜率模数转换方法，其特征在于，所述方法还包括: 当所述主斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器的输出状态发生改变。7.根据权利要求6所述的一种主次斜率模数转换方法，其特征在于，所述方法还包括: 当所述次斜率斜坡电压超过所述信号电压时，所述高速比较器(30)的输出状态发生改变。8.根据权利要求7所述的一种主次斜率模数转换方法，其特征在于，所述方法还包括: 根据下式计算所述数字输出值M: M=M1XA+(M2-M1) 其中，Ml为所述主斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，M2为所述次斜率斜坡电压与所述信号电压比较后的所述计数器的值，A为实数。
【文档编号】H03M1/56GK105897273SQ201610184245
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】李聪科, 俞白军
【申请人】烟台睿创微纳技术有限公司