一种消除开关电源纹波对ADC输出产生干扰的校准方法

一种消除开关电源纹波对adc输出产生干扰的校准方法
技术领域：
1.本发明专利涵盖开关电源应用、模数转换器、噪声对消领域。


背景技术：

2.模数转换器是集成电路中的重要模块，在模拟电路与数字电路之间起着桥梁作用，是典型的数模混合电路。由于工艺制造水平和eda工具的发展，数字电路性能日益强大，一些在模拟领域无法或很难解决的问题可以在数字领域较好解决。因此，越来越多地adc电路在数字部分加入校准算法以提高整体性能，降低对模拟电路的要求。
3.开关电源供电在数字电路已经十分普及，由此节省的整体功耗非常可观。但在模拟领域，信号更容易被电源干扰，因此模拟电路通常使用较为干净的线性电源供电。然而，线性电源受限于自身结构，除了供电效率较低之外，整体功耗并不会随着供电电压的下降而下降，因此在adc的低功耗设计或性能可调设计中一般只关注其电流消耗。
4.本发明设计了一种预校准电路，当adc使用与之时钟同源的开关电源时，能够以较低的硬件代价消除开关电源的输出纹波对adc产生的负面影响，使得adc整体功耗仍然因使用开关电源而下降。


技术实现要素：

5.由开关电源供电的adc系统如附图1所示，其中包括了开关电源、adc、校准电路和时钟产生电路。其中，adc和开关电源的时钟由同源的时钟产生电路产生，这样它们的频率比例确定。在预校准阶段，adc的输入端接地，这时adc的输出为由开关电源纹波引入的干扰信号。校准电路记录adc输出的纹波干扰信号，之后循环播放作为参考信号。由于开关电源和adc的时钟同源，这样校准电路记录的干扰信号可以保证是完整周期的纹波信号，因而在循环播放时不会产生频谱泄露。adc的输出减去参考信号可以得到校准后的输出。假设adc的校准和正常工作模式下，开关电源状态平稳，输出纹波相位固定，则可以通过调整参考信号的相位，消除adc输出中的纹波干扰。
6.校准电路结构如附图2所示，主要由一个状态机和一个存储器构成(默认左侧为输入，右侧为输出)。存储器负责记录电源纹波作为参考信号，状态机负责算法步骤的控制和误差计算。
7.算法步骤如附图3所示，总共可分为如下步骤：第一步，在开关电源的开关周期与adc采样周期ts的公倍数时间tr内，记录adc的输出纹波干扰，记录的点数为公倍数时间tr与adc采样周期ts的比值nr；第二步，按adc的输出速率，将所记录的nr点纹波干扰循环顺序读取并反向叠加到adc的输出端，即将adc的输出减去记录的纹波干扰作为校准后的输出，对校准后的adc输出的绝对值求nr点的累加和；第三步，对循环播放的起始地址偏移量加1，重复第二步，获得新的播放起始地址下对应的nr个输出值的绝对值累加和；第四步，找出播放起始地址偏移量从0变化到n
r-1中产生绝对误差总量最小的地址偏移量，固定下来，循环播放存储的波形；第五步，adc开始正常工作。其中，前四步为预校准阶段，adc的输入端接地。
附图说明：
8.附图1系统原理图；
9.附图2校准电路结构；
10.附图3算法流程图；
具体实施方式：
11.该校准电路的核心思想是从adc输出端获取电源纹波的幅度和形状作为参考信号，控制其相位使其与adc实时输出的电源纹波反向相消。状态机是校准电路的核心，进行算法运算的同时，实现adc的启动过程的自动控制。状态机共有四个状态，分别为初始状态s0、存入过程s1、误差计算过程s2、正常工作状态s3。其中，s0-s2为adc预校准状态，adc的输入端接地。每个状态完成后自动跳转为下一状态，复位信号rst为1时跳转为s0。状态机的输入有：配置信号regu_sig，由系统给出纹波周期和需要参考信号的精度；final_out为最终输出数据，状态机在进行误差计算时需要该反馈回路；adc_out为adc未经校准的输出；data_r为存储器读取数据，在采集参考信号时需要。存储器与状态机相连接，其操作在状态机的控制下进行。电路状态以及具体行为如下：
12.s0为初始状态，用来初始化数据，完成后跳转为s1。
13.s1为参考信号的采集状态，对应算法的第一步。此时rd_en＝1、wrt_en＝1，同时进行读写。记纹波播放周期为tr，对应点数为nr，存储器地址在0～n
r-1内循环。为减小随机噪声引起的误差，可以对输出纹波进行多次采集后取均值。平均值的计算通过adc在某时刻实时输出的值经过算术右移除法运算后，与已存储的值相加后重新存储，待下一次循环时读出，继续完成该操作，不断刷新。完成设定好的循环次数后，参考信号则计算完成，跳转为s2状态。
14.s2为误差计算状态，对应算法第二、三、四步。此时rd_en＝1、wrt_en＝0，存储器只读取数据。读取地址adda_r＝basic_adda_r+delta_adda_r，即基本地址加上偏移地址。基本地址自s2开始循环，输出参考信号，而偏移地址每nr个时钟后加1，从0变化至n
r-1，使参考信号遍历所有相位。对于每一个地址偏移量，取final_out的绝对值进行积分，求得一个周期内的误差总量，与保存的误差值进行比较，若小于前值，则覆盖该值和对应的地址偏移量，最终得到误差最低时的地址偏移量，在该地址偏移量作用下，参考信号与纹波相位一致。预校准完成后，状态跳转为s3。
15.s3状态下，adc开始正常工作，对应算法第五步。rd_en＝1、wrt_en＝0，存储器只读取数据，地址偏移量固定为记录值。
16.附图标记列表：
17.state_machine
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状态机模块
18.ram
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双端口ram寄存器模块
19.add
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加法器模块
20.adc_out
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adc实时输出数据
21.rst
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重置端
22.regu_sig
ꢀꢀꢀꢀꢀ
配置信号
23.clk
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时钟
24.final_out
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最终输出数据
25.rd_en
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读取使能信号
26.wrt_en
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写入使能信号
27.addr_r
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读取地址
28.addr_w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
写入地址
29.data_r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
读取数据
30.data_w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
写入数据
31.clk_r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
读取时钟
32.clk_w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
写入时钟


技术特征：
1.一种由开关电源给adc供电并在数字输出端消除开关电源引入的纹波干扰的方法，其特征在于：a.采用开关频率与adc的采样频率源于同一时钟的开关电源给adc供电；b.在adc整个预校准阶段，adc输入端短路到地，并执行下列步骤：步骤一、在开关电源的开关周期与adc采样周期t
s
的公倍数时间t
r
内，记录adc的输出纹波干扰，记录的点数为公倍数时间t
r
与adc采样周期t
s
的比值n
r
；步骤二、按adc的输出速率，将所记录的n
r
点纹波干扰循环顺序读取并反向叠加到adc的输出端，即将adc的输出减去记录的纹波干扰作为校准后的输出；步骤三、对校准后的adc输出的绝对值求n
r
点的累加和；步骤四、调整循环播放所记录的n
r
点纹波干扰的起始地址，使adc输出的n
r
点绝对值累加和s
e
最小；步骤五、固定最小累加和s
e
所对应的纹波播放的起始地址，循环播放所记录的纹波干扰，完成预校准。

技术总结
模数转换器(ADC)是集成电路中的重要模块，在模拟电路与数字电路之间起着桥梁作用。在模拟领域，信号更容易被电源干扰，因此模拟电路通常使用较为干净的线性电源供电。但线性电源的在供电效率和灵活性上不如开关电源，ADC使用开关电源供电在低功耗方面的优势很明显。本发明设计了一种由开关电源给ADC供电并在数字输出端消除开关电源引入的纹波干扰的方法，当ADC使用与之时钟同源的开关电源时，能够以极低的硬件代价消除ADC由于开关电源纹波对ADC产生的干扰，使得ADC系统整体功耗因使用开关电源而下降。开关电源而下降。开关电源而下降。


技术研发人员：杜长青 卜刚
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.04.09
技术公布日：2022/10/17