利用定時器以加強精確度的模擬數字轉換器的製作方法
2023-06-22 00:32:41
專利名稱：利用定時器以加強精確度的模擬數字轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬數字轉換器，特別是涉及一種藉由計算電容充電時間以決定數字輸出電壓的模擬數字轉換器。
背景技術：
傳統上，模擬數字轉換器是用來將模擬的輸入電壓轉換為固定準確的數字輸出電壓，其用來決定模擬數字轉換器的精確程度。每一個不同的模擬數字轉換器都只能用來處理特定範圍的模擬輸入電壓，以避免使該模擬數字轉換器飽和。
請參閱圖1，圖1為已知模擬數字轉換器10的示意圖。模擬數字轉換器10包含輸入引腳16、18，用來接收模擬的輸入電壓。而輸入引腳12、14、20則分別用來提供一電壓輸入端、一參考地電壓以及一相對於模擬數字轉換器10的參考電壓。模擬數字轉換器10會計算輸入引腳16、18的模擬電壓的差，並將該模擬電壓轉換為一數字電壓，之後在多個輸出引腳25輸出該數字電壓。輸出引腳25的數量視模擬數字轉換器10的精確度而定。圖1的模擬數字轉換器10有n個輸出引腳對應到n位的精確度。舉例來說，數字電壓值的精確度以八位來表示時，就需要八個輸出引腳25來輸出該數字電壓。
可是，模擬數字轉換器10會因為模擬數字轉換器10會依據內部電路的複雜度來決定其固定的精確度。若欲改變模擬數字轉換器10的精確度，就必須重新設計模擬數字轉換器10，而且只有極少部分的設計是可以再利用的。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種利用一定時器以調整精確度的模擬數字轉換器，以解決上述問題。
本發明提供一模擬數字轉換器，其包含至少一輸入引腳、一電容、一第一開關、一比較器、一定時器以及一控制器。該輸入引腳用來接收一模擬輸入電壓。該電容用來儲存電荷，並產生該電容的跨壓。該電流源用來產生一電流流過該電容，以對該電容充電。該第一開關電連接於該電流源以及該電容之間，用來控制由該電流源的電流流至該電容。當該模擬輸入電壓與該電容的跨壓符合一預設關係時，該比較器用來輸出一第一比較值。該定時器用來計算該模擬輸入電壓與該電容的跨壓符合該預設關係時，所需要的充電時間，其中當該第一開關使該電流源電連接於該電容以對該電容充電時，該定時器會開始計算該充電時間，當該比較器輸出該第一比較值時，該定時器會停止計算該充電時間。該控制器用來控制該第一開關的操作，且當該第一開關使該電流源電連接於該電容以對該電容充電時，用來控制該定時器開始計時，且當該比較器輸出該第一比較值時，用來控制該定時器停止計時，且用來將該定時器所計算出的充電時間轉換為一數字輸出電壓。
本發明的優點在於模擬數字轉換器的精確度可以輕易地藉由調整定時器的時鐘來控制，如此一來，模擬數字轉換器就可以依據不同的應用而產生不同精確度的範圍，或是用於需要高精確度且不需要快速轉換時間的應用。
圖1為已知模擬數字轉換器的示意圖。
圖2為本發明的模擬數字轉換器的功能方塊圖。
圖3為輸入電壓Vin與對應的充電時間的關係圖。
圖4為本發明將模擬輸入電壓Vin轉換為數字輸出電壓的方法流程圖。
附圖符號說明10、50 模擬數字轉換器 12、14 輸入引腳16、18、20 輸入引腳25 輸出引腳52 比較器 54、56 開關58 恆流源 60 控制器62 定時器 P1、P2 輸入引腳C 電容 I/O1 引腳I/O2、I/O3 引腳
具體實施例方式
請參閱圖2，圖2為本發明的模擬數字轉換器50的功能方塊圖。模擬數字轉換器50包含一電容C，用來儲存電荷，電容C上則有一跨壓Vc。電容C與一恆流源58之間電連接一第一開關56。當第一開關56開啟時，電流Ic由恆流源58流至電容C以對電容C充電，並增加電容C的跨壓Vc；當第一開關56關閉時，電流Ic就不會流過電容C。因為恆流源58產生的電流Ic為一常數時，則跨壓Vc在電流Ic流過電容C的這段期間，會隨著充電時間而呈線性增加。
模擬輸入電壓Vin是兩輸入引腳P1、P2的電壓差，當然如果輸入電壓Vin與模擬數字轉換器50有相同的接地端，則只用一個引腳作輸入端亦可。比較器52可讓輸入電壓Vin與跨壓Vc作比較，並產生一輸出訊號EQL。當輸入電壓Vin近似於跨壓Vc時，輸出訊號EQL為邏輯值「1」，若否，則輸出訊號EQL為邏輯值「0」。
第二開關54電連接於電容C以及接地端。在電流Ic流過電容C之前，第二開關54應開啟以使電容C放電。當電容C已完全放電後，則第二開關54再次關閉。控制器60用來控制模擬數字轉換器50的操作。控制器60使用I/O1和I/O2兩引腳以分別控制第一開關56和第二開關54。
控制器60包含一定時器62，其用來計算充電至電容C所需的時間。當控制器60開啟第一開關56以使電流Ic流過電容C時，控制器60同時開啟定時器62以開始計算計算充電時間。控制器60接著以I/O3引腳監測輸出訊號EQL的邏輯值以判斷跨壓Vc是否等於輸入電壓Vin，當輸出訊號EQL等於邏輯值「1」，控制器60停止定時器62並讀取此時定時器62所計算的充電時間。同時，第一開關56關閉以中止對電容C充電。控制器60接下來會將充電時間轉換為數字輸出電壓。模擬數字轉換器50的精確度主要隨著定時器62的特性而有所不同。定時器62的精確度越高，模擬數字轉換器50的精確度就會越高。此外，可調整定時器62的時鐘以控制模擬數字轉換器50的精確度。為了使控制器60轉換充電時間為該數字輸出電壓，控制器60必須依據恆流源58輸出的電流值Ic、電容C的特性以及定時器62的特性來調校。
請參閱圖3，圖3為輸入電壓Vin與對應的充電時間的關係圖。跨壓Vc隨著當電流Ic流過電容C時，定時器62所計算的充電時間而線性增加。如圖3所示，輸入電壓Vin越高，跨壓Vc充電至等於輸入電壓Vin的時間也就越長。
請參閱圖4，圖4為本發明將模擬輸入電壓Vin轉換為數字輸出電壓的方法流程圖。其相關步驟的詳細說明描述如後。
步驟100開始；步驟102提供一模擬輸入電壓Vin予兩輸入引腳P1、P2；步驟104開啟第二開關54以開始使電容C放電；在放電期間，第一開關56應關閉以使電流Ic不會流過電容C；步驟106在電容C放電使跨壓Vc等於0之後，關閉第二開關54；此時第一開關56仍處於關閉狀態；步驟108重置定時器62以恢復邏輯值「0」；步驟110開啟第一開關56以開始對電容C充電，並同時啟動定時器62以開始計算充電時間；步驟112當電容C的跨壓Vc等於輸入電壓Vin，則比較器52產生邏輯值「1」的輸出訊號EQL；控制器60讀取輸出訊號EQL的值後，停止定時器62，且同時關閉第一開關56以停止對電容C充電；步驟114控制器60轉換定時器62所計算的充電時間為一數字輸出電壓，因此轉換模擬輸入電壓Vin為該數字輸出電壓；以及步驟116結束。
為了使本發明的模擬數字轉換器50運作良好，定時器62計算時間的正確性是很重要的。當第一開關56開啟時，控制器60可以直接的控制定時器62開始計時的時間，而控制器60需要監控輸出訊號EQL的值以停止定時器62。為了監控輸出訊號EQL的狀態，控制器60定期地輪詢(poll)輸出訊號EQL的值。換言之，當輸出訊號EQL由邏輯值「0」變為邏輯值「1」時，控制器60內會產生一中斷(interrupt)，因此通知控制器60應停止定時器62。
相較於已知技術，本發明的模擬數字轉換器50的精確度可以藉由改變定時器62的特性來調整，定時器62的時鐘的增加可以快速的提升模擬數字轉換器50的精確度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明的權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一模擬數字轉換器，其包含至少一輸入引腳，用來接收一模擬輸入電壓；一電容，用來儲存電荷，並產生該電容的跨壓；一電流源，用來產生一電流流過該電容，以對該電容充電；一第一開關，電連接於該電流源以及該電容之間，用來控制由該電流源流至該電容的電流；一比較器，當該模擬輸入電壓與該電容的跨壓符合一預設關係時，該比較器輸出一第一比較值；一定時器，用來計算該電容的跨壓與該模擬輸入電壓符合該預設關係時所需要的充電時間，其中當該第一開關使該電流源電連接於該電容以對該電容充電時，該定時器開始計算該充電時間，當該比較器輸出該第一比較值時，該定時器停止計算該充電時間；以及一控制器，用來控制該第一開關的操作，且當該第一開關使該電流源電連接於該電容以對該電容充電時，用來控制該定時器開始計時，且當該比較器輸出該第一比較值時，用來控制該定時器停止計時，且用來將該定時器所計算出的充電時間轉換為一數字輸出電壓。
2.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其中該模擬輸入電壓與該電容的跨壓的預設關係是指該模擬輸出電壓大致等於該電容的跨壓。
3.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其還包含一第二開關，電連接於該電容與接地端，其中在該第一開關使該電流源電連接於該電容以對該電容充電之前，該第二開關會電連接至接地端一段時間，使得該電容放電。
4.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其中該控制器包含一第一輸入埠，用來周期性地輪詢該比較器輸出的第一比較值是否存在。
5.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其中該控制器包含一第一輸入埠，用來接收該比較器輸出的第一比較值的中斷。
6.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其中該電流源提供的電流是一定電流。
7.如權利要求1所述的模擬數字轉換器，其中該電容的跨壓與該電流源對該電容充電的時間大致為線性關係。
8.一種用來轉換一模擬電壓為一數字電壓的方法，其包含提供一電容用來儲存電荷，並產生該電容的跨壓；產生一第一電流流過該電容，以對該電容充電；比較一比較器的二輸入端的電壓，以判斷該模擬輸入電壓與該電容的跨壓是否符合一預設關係；計算一充電時間，該充電時間是由該第一電流流過該電容開始，直到該模擬輸入電壓與該電容的跨壓符合該預設關係為止；轉換該充電時間為一數字輸出電壓。
9.如權利要求8所述的方法，其中該模擬輸入電壓與該電容的跨壓的預設關係是指該模擬輸出電壓大致等於該電容的跨壓。
10.如權利要求8所述的方法，其還包含以一第一開關控制該第一電流流經該電容。
11.如權利要求8所述的方法，其還包含當該第一電流流經該電容之前，對該電容放電。
12.如權利要求8所述的方法，其還包含周期性地比較該電容的跨壓與該模擬輸入電壓，以判斷該電容的跨壓是否大致等於該模擬輸入電壓。
13.如權利要求8所述的方法，其還包含當該電容的跨壓大致等於該模擬輸入電壓時，產生一中斷。
14.如權利要求8所述的方法，其中該電流源提供的電流是一定電流。
15.如權利要求8所述的方法，其中該電容的跨壓與該電流源產生的電流對該電容充電的時間大致為線性關係。
全文摘要
一模擬數字轉換器包含至少一輸入引腳、一電容、一第一開關、一比較器、一定時器以及一控制器。電容用來儲存電荷。電流源用來產生一電流以對電容充電。第一開關用來控制由電流源的電流流至電容。當輸入引腳接收的模擬輸入電壓與電容的跨壓符合一預設關係時，比較器輸出一第一比較值。定時器用來計算模擬輸入電壓與電容的跨壓符合該預設關係時所需要的充電時間，其中當電流源對電容充電時，定時器開始計算充電時間，當比較器輸出第一比較值時，定時器停止計算充電時間。控制器將計算出的充電時間轉換為一數字輸出電壓。
文檔編號H03M1/56GK1578154SQ200410044538
公開日2005年2月9日 申請日期2004年5月12日 優先權日2003年7月14日
發明者林奇成 申請人:明基電通股份有限公司