模數轉換器、模數轉換系統、數據讀取系統及其相關方法

2023-09-16 01:23:50

專利名稱：模數轉換器、模數轉換系統、數據讀取系統及其相關方法
技術領域：
本發明是有關於一種模數轉換器(analog-to-digital converter),特別是關於 一種用於數據讀取系統(data readout system)的模數轉換器。
背景技術：
由於時常需要將大量的信息從模擬信號轉換成數位訊號，高速的模數轉 換器在現今的電路設計中佔有相當重要的一席之地，例如快閃式模數轉換器 (flash analog-to-digital converter)就常用於快速地將模擬信號轉換為數位訊號。 快閃式模數轉換器是利用平行操作來達到高速轉換。 一般n位的快閃式模數 轉換器需要同時使用2n-l個比較器來產生比較結果，再將比較結果編碼成n 位的數字輸出。然而，比較器所佔用的晶片面積龐大，且當需求的解析度越 高時，所需要的晶片面積就越大。對數據讀取系統(例如光碟機)而言，大量的數 據需要快速且可靠地從光碟中被讀取出來並轉換成數字格式。使用很多比較 器固然可增加數據讀取系統的解析度及正確性，但也會佔用晶片面積且提高 成本，因此，發展可具備高正確性、高速度但維持小面積及低成本的模數轉 換電路是有需要的。

發明內容
為解決上述具備高準確性與高速度的數據讀取系統中比較器佔用面積大 的問題，本發明提供一種模數轉換的解析度為非線性的數據讀取系統及其數 據讀取方法，其中模擬輸入信號中載有大部分信息的區間以較高解析度進行 量化，而載有較少信息的區間則以較低解析度進行量化，以減少數據讀取系統中比較器的數量並同時維持正確度。
根據本發明的一實施方式，其提供一種數據讀取系統。數據讀取系統包 含有用來讀取儲存在光碟中的數據並產生模擬信號的讀取頭、用來產生多個 參考電壓電平的參考電壓單元、用來將模擬信號與參考電壓電平進行比較的 多個比較器，以及將比較器的比較結果編碼成數位訊號的編碼模塊，其中參 考電壓單元所產生的多個參考電壓電平中，至少有兩個相鄰參考電壓電平間
的電壓差不相同。
根據本發明的另一實施方式，其提供一種模擬輸入信號處理方法。該方
法包含有提供多個參考電壓電平，依電壓電平排列成一鏈(chain),其中至少兩 個相鄰參考電壓電平間的電壓差不相同，接著比較模擬輸入信號與參考電壓 電平以產生比較結果。
根據本發明的另一實施方式，其提供一種將模擬信號轉換成數位訊號的 方法。該方法包含有提供非線性的數值轉換特性，存取儲存裝置以產生模擬 輸入信號，根據該非線性的數值轉換特性將模擬輸入信號轉換成輸出信號， 以及將輸出信號轉換成數位訊號。
根據本發明的另一實施方式，其提供一種模數轉換器，包含有用來產生 多個參考電壓電平的參考電壓單元，以及用來比較參考電壓電平以及模擬輸 入信號以產生多個比較結果的多個比較器，其中至少兩個相鄰參考電壓電平 間的電壓差不相同。
根據本發明的另一實施方式，其提供一種讀取數據的方法。該方法包含 有提供多個參考電壓電平，依電壓電平排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參 考電壓電平間的電壓差不相同以定義出至少一對應於第一轉換解析度的第一 區間，以及對應於第二轉換解析度的第二區間，其中第二轉換解析度不同於 第一轉換解析度；通過存取儲存裝置來產生模擬輸入信號；調整模擬輸入信 號以使模擬輸入信號的至少一部分落入第一區間或第二區間內；比較模擬輸 入信號以及多個參考電壓電平以產生多個比較結果，以及根據多個比較結果產生數位訊號。
根據本發明的另一實施方式，其提供一種具有非線性解析度的模數轉換 系統，包含有非線性轉換電路與模數轉換器。非線性轉換電路具有非線性的 數值轉換特性，用來將模擬輸入信號轉換成輸出信號，其中模擬輸入信號是 通過存取儲存裝置所產生。模數轉換器，耦接於非線性轉換電路，用來將非 線性轉換電路的輸出信號轉換成數位訊號。
上述模數轉換器、具有非線性解析度的模數轉換系統、數據讀取系統、 處理模擬輸入信號的方法、將模擬信號轉換成數位訊號的方法及數據讀取方 法通過比較參考電壓電平與模擬輸入信號，將模擬輸入信號中載有較多信息 的區間用較高解析度量化，從而達到了使模數轉換電路具備高正確性、高速 度但維持小面積及低成本的效果。


圖1為本發明數據讀取系統的一實施方式的示意圖。 圖2為圖1所示的模數轉換器的一實施方式的示意圖。
圖3為本發明具有非線性解析度的7位模數轉換器的轉換函數的一實施
方式示意圖。
圖4顯示具有以及不具有非線性量化特性的7位模數轉換器的輸出碼的 一實施方式。
圖5顯示信號調整前後的模數轉換器的輸入範圍。
圖6為本發明從儲存裝置讀取數據的一實施方式的流程圖。
圖7為本發明數據讀取系統的另一實施方式的示意圖。
圖8為本發明從儲存裝置讀取數據的另一實施方式的流程圖。
具體實施例方式
在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。本領域的技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。本 說明書及權利要求並不以名稱的差異作為區分組件的方式，而是以組件在功 能上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及權利要求當中所提及的"包含" 為開放式的用語，故應解釋成"包含但不限定於"。以外，"耦接" 一詞在此 包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接於第 二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或通過其它裝置 或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請同時參考圖1以及圖2，圖1為本發明數據讀取系統10的一實施方式
的示意圖，而圖2為圖1中模數轉換器(analog-to-digital converter)"的一實施 方式的示意圖。數據讀取系統10包含有讀取頭12、信號調整電路14、轉換 電路16、非線性解析度的模數轉換器18，以及處理器20。其中模數轉換器 18如圖2所示，包含有參考電壓單元183、多個比較器182，以及耦接於各比 較器182的輸出端185的編碼模塊184。參考電壓單元183產生多個參考電壓 電平。在本實施方式中，參考電壓單元183以包含有串接在第一參考電壓電 平Vi及第二參考電壓電平V2之間的多個電阻的參考電壓產生電路(reference ladder)來實作。然而在其它實施方式中，參考電壓單元183也可採用電阻以外 的組件實作，例如以電容以及電阻來形成參考電壓單元183。每個比較器182 均包含用來自轉換電路16接收模擬輸入信號的輸入端186、用來接收參考電 壓的參考端187，以及用來輸出模擬輸入信號與參考電壓的比較結果的輸出端 185。多個電阻分別耦接至比較器182的參考端187以產生不同的參考電壓， 且上述多個電阻的阻抗值並不完全相同，因此可定義出至少一第一區間，對 應於第一轉換解析度，以及第二區間，對應於與第一轉換解析度不同的第二 轉換解析度。編碼模塊184則根據比較器182的比較結果來產生數位訊號。
模數轉換器18中電阻鏈(resistor chain)的設計規則是要讓模擬輸入信號中 載有較多信息的區間在量化時可以具有較高的解析度，或載有較少信息的區 間在量化時具有較低的解析度。當數據讀取系統10是光碟機時，其檢測輸入信號的過零點(zero-crossingpoint)以輸出二階(2-level)信號，因此，過零點附近的 解析度應較高，此時電阻鏈設計成中心部分的電阻值小於外側部分的電阻值， 以在過零點附近提供較小的量化等級(quantization level)並在遠離過零點的 外部區間提供較大的量化等級，如圖3所示(圖3顯示本實施方式的具有非線 性解析度的7位模數轉換器的轉換函數)。而圖2中的m及ri2表示電阻的倍 率大小，其中m及n2的值與電阻值等於mR或n2R的電阻數目依系統的設計 需求而定。
如此一來，外部區間的比較器182數目得以減少，因此數據讀取系統IO 的比較器182總數可以變少，舉例來說，7位的模數轉換器只需要少於127個 比較器就可以產生7位的數字輸出。編碼模塊184基本上與現有技術編碼器 的運作相同，差別在於編碼模塊184的一些輸入端可能耦接於同一個比較器 182，這是由於比較器的數量減少了。比較器182與編碼模塊184間較佳的耦 接方式是將編碼模塊184的在先前技術中耦接於被省略的比較器的輸入端， 耦接至被省略的比較器附近的比較器。由於編碼模塊184的內部電路並沒有 更動，編碼模塊184的輸出碼的位長度仍然是7位，但輸出碼的種類少於127， 與比較器182的數目有關。圖4即表列出不具有以及具有非線性量化特性的7
位模數轉換器的輸出碼的一實施方式。
請參考圖5，圖5顯示信號調整前後的模數轉換器的輸入範圍。由於儲存 裝置(例如光碟機)的特性各有不同，讀取頭12存取儲存裝置所讀出的模擬輸入 信號(圖中所示的虛線)可能不對稱，亦即模擬輸入信號的過零點可能不落在信 號的中央區域，故過零點可能不落在模數轉換器18預設的高解析度區間。當 此情況發生時，圖1中的信號調整電路14可調整模擬輸入信號的增益(gain) 或偏移量(offset)，以令模擬輸入信號的過零點落入預設的高解析度區間內， 如圖5中的實線所示。
此外，在一實施方式中，轉換電路16為具有對數(log)數值轉換特性的對 數濾波器(log filter),用來放大信號調整電路14的輸出以特別放大模擬輸入信號過零點附近的範圍，如此一來，模數轉換器18的量化結果可以更為精確。 請注意，轉換電路16並不是數據讀取系統10的必要組件，也就是說，即使
省略轉換電路16，數據讀取系統10仍可因模數轉換器18而具有非線性的分 辨率。
在模擬信號經模數轉換器18轉換成數位訊號後，處理器20，例如數字信 號處理器(digital signal processor),接著處理數位訊號以從數位訊號中解碼出 數據，並控制信號調整電路14及轉換電路16來根據數位訊號的處理結果調 整模擬輸入信號。此外，處理器20更根據數位訊號的處理結果來調整模數轉 換器18的採樣時鐘，使數字轉換器18的採樣時鐘與解碼數據同步。
圖6為上述實施方式從儲存裝置中讀取出數據的方法的流程圖，包含有 以下步驟
步驟602:提供多個參考電壓電平，依電壓電平排列成一鏈，其中相鄰的 參考電壓電平間的電壓差並非完全相同，因此可定義出至少一對應於第一轉 換解析度的第一區間，以及對應於與第一轉換解析度不同的第二轉換解析度 的第二區間。步驟604:存取儲存裝置以產生模擬輸入信號。
步驟606:調整模擬輸入信號的增益或偏移量以使模擬輸入信號的至少一 部分落入第一區間或第二區間中。
步驟608:以具有非線性數值轉換特性的轉換電路放大模擬輸入信號。
步驟610:比較模擬輸入信號與多個參考電壓電平以產生多個比較結果。 步驟612:根據多個比較結果產生數位訊號。
步驟614:處理數位訊號，並根據數位訊號的處理結果控制步驟606以調
整模擬輸入信號。
由於本領域的技術人員可在閱讀完上述揭示後了解圖6所示的操作步驟， 故詳細說明便在此省略，不再贅述。
圖7為本發明數據讀取系統70的另一實施方式的示意圖。如圖7所示，具有非線性解析度的數據讀取系統70包含讀取頭71、信號調整電路72、模 數轉換系統74，以及處理器76，其中模數轉換系統74包含有具有非線性數 值轉換特性的非線性轉換電路742以及快閃式模數轉換器744。讀取頭71、 信號調整電路72、模數轉換系統74中的非線性轉換電路742以及處理器76 實質上分別等同於圖1中的讀取頭12、信號調整電路14、轉換電路16以及 處理器20。數據讀取系統10與數據讀取系統70間的主要差異在於，數據讀 取系統10中的模數轉換器以現有技術的快閃式模數轉換器744取代，而非線 性轉換電路742為數據讀取系統70的必要組件。由於非線性轉換電路742具 有非線性的數值轉換特性，例如非線性轉換電路742以對數濾波器來加以實 作，因此可定義出至少一對應於第一斜率的第一輸入範圍，以及對應於與第 一斜率不同的第二斜率的第二輸入範圍，而模擬信號中載有大部分信息的範 圍在經過信號調整電路72的調整後落入第一及第二輸入範圍中具有較大斜率 的輸入範圍中而被放大，故快閃式模數轉換器744的量化動作可視為非線性 的量化，模數轉換系統74的準確度因此獲得提升。
舉例來說，當數據讀取系統70為光碟機時，模擬輸入信號通過存取光碟而 被讀取，而非線性轉換電路742設計成具有對數(log)函數的數值轉換特性以 放大模擬輸入信號在過零點附近的區間。雖然現有技術快閃式模數轉換器744 的量化等級都一樣，但由於過零點附近的區間先經非線性轉換電路742放大， 所以此區間的量化結果會較其它區間更為靈敏，而後續處理器76的解碼結果 會更加準確。
圖8為上述實施方式從儲存裝置中讀取出數據的方法的流程圖，包含有 以下步驟
步驟802:提供非線性的數值轉換特性以定義出至少一對應於第一斜率的 第一輸入範圍，以及對應於與第一斜率不同的第二斜率的第二輸入範圍。 步驟804:存取儲存裝置以產生模擬輸入信號。
步驟806:調整模擬輸入信號的增益或偏移量以使模擬輸入信號的至少一部分落入第一輸入範圍或第二輸入範圍中。
步驟808:根據該非線性數值轉換特性放大模擬輸入信號以產生輸出信號。
步驟810:將輸出信號轉換成數位訊號。
步驟812:處理數位訊號，並根據數位訊號的處理結果控制步驟806以調 整模擬輸入信號。
由於本領域的技術人員可在閱讀完上述揭示後了解圖8所示的操作步驟，
故詳細說明便在此省略，不再贅述。
綜上所述，本發明利用模數轉換的非線性量化特性使數據讀取系統可在 維持，甚至是增進效能的同時減少所需的比較器數目，由於數據讀取系統的 電路尺寸(晶片尺寸)取決於比較器的面積大小，本發明可成功地降低系統尺寸 以及比較器的功率消耗。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，凡依本發明權利要求所做的均等 變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種模數轉換器，其特徵在於，該模數轉換器包含有參考電壓單元，用來產生多個參考電壓電平，其中至少有兩個相鄰參考電壓電平間的電壓差不相同；以及多個比較器，用來比較多個所述的參考電壓電平以及模擬輸入信號以產生多個比較結果。
2. 如權利要求1所述的模數轉換器，其特徵在於，還包含有編碼模塊，耦接於多個所述的比較器，用來根據多個比較器的比較結果產生數位訊號。
3. 如權利要求2所述的模數轉換器，其特徵在於，該模數轉換器為N位 的模數轉換器，多個所述的比較器的總數少於2N-1，且至少一比較器耦接至 所述的編碼模塊的多個輸入端。
4. 如權利要求1所述的模數轉換器，其特徵在於，所述的參考電壓單元包 含有阻抗串，且該阻抗串中位於中心部分的阻抗組件的阻抗值小於該阻抗串 中位於外側部分的阻抗組件的阻抗值。
5. 如權利要求1所述的模數轉換器，其特徵在於，所述的模擬輸入信號是 通過存取儲存裝置所產生。
6. —種具有非線性解析度的模數轉換系統，其特徵在於，該模數轉換系統 包含有非線性轉換電路，具有非線性的數值轉換特性，用來將模擬輸入信號轉 換成輸出信號，其中該模擬輸入信號是通過存取儲存裝置所產生；以及模數轉換器，耦接於所述的非線性轉換電路，用來將該非線性轉換電路 的所述的輸出信號轉換成數位訊號。
7，如權利要求6所述的具有非線性解析度的模數轉換系統，其特徵在於， 所述的非線性轉換電路為對數濾波器。
8.如權利要求6所述的具有非線性解析度的模數轉換系統，其特徵在於，其是設置在數據讀取系統中的。
9. 一種數據讀取系統，通過讀取頭從光碟讀取數據，其特徵在於，該數據讀取系統包含有參考電壓單元，用來產生多個參考電壓電平，其中至少有兩個相鄰參考 電壓電平間的電壓差不相同；多個比較器，用來比較多個所述的參考電壓電平以及所述的讀取頭所輸 出的模擬輸入信號以產生多個比較結果；以及編碼模塊，用來將多個所述的比較結果編碼成數位訊號。
10. 如權利要求9所述的數據讀取系統，其特徵在於，至少一比較器耦接 至所述的編碼模塊的多個輸入端。
11. 如權利要求9所述的數據讀取系統，其特徵在於，所述的參考電壓單 元包含有阻抗串，且該阻抗串中位於中心部分的阻抗組件的阻抗值小於該阻 抗串中位於外側部分的阻抗組件的阻抗值。
12. 如權利要求9所述的數據讀取系統，其特徵在於，還包含有 濾波器，耦接於所述的讀取頭與多個所述的比較器之間，該濾波器具有非線性的數值轉換特性，用來將所述的模擬輸入信號轉換成輸出信號；其中多個所述的比較器根據所述的濾波器的輸出信號來產生多個所述的 比較結果。
13. —種處理模擬輸入信號的方法，其特徵在於，該方法包含有 提供多個參考電壓電平，依電壓電平排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參考電壓電平間的電壓差不相同；以及將所述的模擬輸入信號與多個所述的參考電壓電平比較以產生多個比較 結果。
14. 如權利要求13所述的處理模擬輸入信號的方法，其特徵在於，位於所 述的鏈中心部分的參考電壓電平間的電壓差小於位於該鏈外側部分的參考電 壓電平間的電壓差。
15. 如權利要求13所述的處理模擬輸入信號的方法，其特徵在於，還包含 有通過存取儲存裝置來產生所述的模擬輸入信號。
16. —種將模擬信號轉換成數位訊號的方法，其特徵在於，該方法包含有 提供非線性的數值轉換特性； 通過存取儲存裝置來產生模擬輸入信號；根據所述的非線性的數值轉換特性，將所述的模擬輸入信號轉換成輸出 信號；以及將所述的輸出信號轉換成所述的數位訊號。
17. 如權利要求16所述的模擬信號轉換成數位訊號的方法，其特徵在於， 所述的非線性的數值轉換特性為對數轉換函數。
18. —種讀取數據的方法，其特徵在於，該方法包含有 提供多個參考電壓電平，依電壓電平排列成一鏈，其中至少有兩個相鄰參考電壓電平間的電壓差不相同，以定義出至少一對應於第一轉換解析度的 第一區間，以及對應於第二轉換解析度的第二區間，其中所述的第二轉換分 辨率不同於所述的第一轉換解析度；通過存取儲存裝置來產生模擬輸入信號；調整所述的模擬輸入信號以使所述的模擬輸入信號的至少一部分落入所 述的第一區間或第二區間內；比較所述的模擬輸入信號以及所述的多個參考電壓電平以產生多個比較 結果；以及根據多個所述的比較結果產生數位訊號。
19. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，該方法還包含有-處理所述的數位訊號，並根據處理該數位訊號的結果控制所述調整模擬輸入信號的步驟。
20. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，所述調整模擬輸 入信號的步驟包含有調整該模擬輸入信號的增益或偏移量以使該模擬輸入信號的部分落入所述的第一區間或第二區間內。
21. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，位於所述的鏈中 心部分的參考電壓電平間的電壓差小於位於該鏈外側部分的參考電壓電平間 的電壓差。
22. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，所述的模擬輸入信號的部分包含有該模擬輸入信號的多個過零點。
23. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，所述的儲存裝置 為光碟。
24. 如權利要求18所述的讀取數據的方法，其特徵在於，還包含有 利用具有非線性數值轉換特性的濾波器來放大所述的模擬輸入信號。
25. 如權利要求24所述的讀取數據的方法，其特徵在於，所述的濾波器為 對數濾波器。
全文摘要
本發明提出一種模數轉換器、模數轉換系統、數據讀取系統及其相關方法。該數據讀取系統包含有用來讀取儲存在光碟中的數據並產生模擬信號的讀取頭、用來產生多個參考電壓電平的參考電壓單元、用來將模擬信號與參考電壓電平進行比較以產生多個比較結果的多個比較器，以及將比較器的比較結果編碼成數位訊號的編碼模塊，其中參考電壓單元所產生的參考電壓電平中，至少有兩個相鄰的參考電壓電平間的電壓差不相同。上述數據讀取系統達到了使模數轉換電路具備高正確性、高速度但維持小面積及低成本的效果。
文檔編號G11B7/005GK101286742SQ200810092429
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月11日 優先權日2007年4月11日
發明者康宗弘 申請人:聯發科技股份有限公司