一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器的製造方法

2023-04-23 15:27:11

一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器，該轉換器包含時間分段器、脈衝產生器、啟動器、主從電荷泵、選擇電路、比較電路、粗測和細測計數器。時間分段器將待測時間間隔分為三部分，一部分經粗測計數器量化，剩餘兩部分通過主電荷泵轉化為電壓信息；啟動器產生逼近信號觸發脈衝產生器產生充放電脈衝對從電荷泵差分充電；細測計數器記錄逼近信號的個數；選擇電路選擇一個從電荷泵輸出電壓與主電荷泵電壓比較；隨著時鐘周期數的增長，從電荷泵電壓逼近主電荷泵電壓，兩電壓相等時，比較電路輸出跳變且細測計數器停止計數。粗測計數器和細測計數器的計數結果為最終的測量結果。本發明能夠對大範圍的時間間隔進行高精度的轉換。
【專利說明】一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器
【技術領域】
[0001]本發明屬於時間測量【技術領域】，尤其是一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器。
【背景技術】
[0002]高精度大範圍的時間測量作為一種關鍵性的技術在諸多領域中被廣泛應用，例如雷射測距(LRF)、導航通信、高能物理實驗、衛星監控、科學計量等領域。精密的時間測量無論是在國防還是在民用領域都不可或缺，而且隨著技術的發展，時間的測量正朝著高精度大輸入範圍的方向發展，以滿足眾多應用的要求。
[0003]時間數字轉換器(Time-to-Digital Converter, TDC)是一種將時間間隔轉換為數字量輸出的器件，一定程度上類似於模擬數字轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，只不過ADC量化的是電壓或者電流，而TDC量化的是時間間隔。到目前為止，TDC的典型方法可歸納為以下幾種:計數法，即用一高頻時鐘對輸入的時間間隔直接進行計數，該方法測量精度較低，且需要外部的高頻時鐘，通常與其他具有高精度的方法配合使用；時間到電壓及電壓到數字法，顧名思義，該方法就是先把待測的時間間隔(脈衝的形式)藉助於記憶元件電容的充電轉換為一定的電壓，再通過電容的放電將電壓釋放，電路設計使得放電速度要遠小於充電速度，所以待測的時間間隔得到了展寬，用計數器對展寬後的脈衝計數就得到了待測時間信息；相對計數法，該方法精度高，但是由於是數模混合電路，有諸多因素影響測量的準確性；抽頭式延遲線法(Tapped Delay Line，TDL)，主題思想就是將先到的邊沿信號每經過一定量的延遲(通常就是一個緩衝器或反相器的延遲)與後到的信號進行一次裁決，以確定兩者裁決時的先後順序，裁決結果為11100...序列，從裁決結果就可得知輸入的時間信息，該方法精度較高，但是晶片面積開銷大，尤其是當輸入的時間間隔很大時；差分式延遲線法(Vernier Delay Line, VDL)，將待測的兩個信號每經過一定量的延遲(兩者的延遲不同，但延遲差為一個定值)裁決一次，裁決的結果就是最後的輸出結果，該方法的精度比TDL還要高，是常用方法裡精度最高的，但是晶片面積開銷比TDL的還要大；差分振蕩器法(Vernier Ring Oscillator, VR0)，利用兩個具有微小振蕩頻率差的振蕩器對輸入的時間間隔進行量化，測量精度與差分式延遲線法相當，電路面積更小，但是在震蕩過程中本身會有噪聲的積累，也容易受其他噪聲源幹擾。因此，一種高精度的、大輸入範圍的、面積開銷小、低功耗的TDC成為一種發展趨勢。

【發明內容】

[0004]本發明目的是提供一種基於差分充電的高精度、大輸入範圍、晶片面積小、低功耗的時間數字轉換器，以解決現有時間數字轉換器中存在的範圍和精度不易兼顧的問題。
[0005]為達到上述目的，本發明提供一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器，該轉換器包含時間分段器101、啟動器102、主電荷泵103、脈衝產生器104、從電荷泵105、選擇電路106、比較電路107、與門108、粗測計數器109和細測計數器110，其中:[0006]所述時間分段器101具有埠一、埠二和埠三，埠一和埠二分別用於輸入兩個具有連續時間間隔的跳變沿信號，埠三用於輸入參考時鐘信號；所述時間分段器101用於將埠一和埠二輸入的跳變沿信號的時間間隔在所述參考時鐘信號的作用下分為時間段一、時間段二和時間段三，並將時間段一經與門108輸入到粗測計數器109被量化，時間段二和時間段三輸出到主電荷泵103的兩個輸入端被轉化為電壓信息，時間段三還連接到啟動器102的一個輸入端；
[0007]所述與門108與所述時間分段器101連接，用於將時間段一和輸入的參考時鐘信號進行與操作；
[0008]所述粗測計數器109與所述與門108連接，用於根據所述與門108的與操作結果產生時間段一內所包含的參考時鐘周期數並輸出計數結果；
[0009]所述主電荷泵103與所述時間分段器101連接，用於將時間段二和時間段三轉化為電壓信息，並將所述電壓信息輸出至所述選擇電路106和比較電路107 ；
[0010]所述啟動器102的另一個輸入端連接所述埠三，用於根據所述參考時鐘信號，在時間段三結束後，產生並輸出逼近信號到所述脈衝產生器104和細測計數器110 ；
[0011]所述脈衝產生器104與所述啟動器102連接，用於在每一個逼近信號周期內產生兩個充電脈衝和兩個放電脈衝，並輸出至所述從電荷泵105 ；
[0012]所述從電荷泵105與所述脈衝產生器104連接，用於根據所述充電脈衝和放電脈衝對其中的電容差分充電，產生並輸出從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓到所述選擇電路106的兩個輸入端，所述部分從電荷泵電壓是從電荷泵電壓經電容分壓得到的；
[0013]所述選擇電路106與所述從電荷泵105連接，根據所述主電荷泵電壓從所述從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓中選擇一個作為選擇電壓輸出到所述比較電路107的一個輸入端；
[0014]所述比較電路107與所述主電荷泵103和所述選擇電路106連接，用於接收所述主電荷泵電壓和選擇電壓並對其進行比較，若兩者相等則輸出停止信號到所述細測計數器110 ；
[0015]所述細測計數器110與所述比較電路107和所述啟動器102連接，用於對所述逼近信號中的脈衝個數進行計數並根據所述停止信號停止計數並輸出計數結果；
[0016]所述粗測計數器109的計數結果為時間段一的測量結果，所述細測計數器110的計數結果為時間段二和時間段三的測量結果。本發明工作時，待測時間間隔經過時間分段器後拆分為三部分:一部分在參考時鐘的作用下經粗測計數器量化，剩餘兩部分時間間隔通過主電荷泵轉化為電壓信息；啟動器產生的逼近信號觸發脈衝產生器使其不斷的產生充電脈衝和放電脈衝對從電荷泵進行差分充電；觸發脈衝產生器的逼近信號個數被細測計數器記錄；選擇電路根據主電荷泵的電壓在從電荷泵兩個輸出電壓中選擇一個與主電荷泵電壓進行比較；隨著時鐘周期數的增長，從電荷泵的電壓以很小的步進量逼近主電荷泵的電壓；當兩個電荷泵的電壓相等時，比較電路輸出跳變且細測計數器停止計數；粗測計數器和細測計數器的計數結果代表最終的測量結果。
[0017]本發明具有的有益效果為:
[0018]1.輸入範圍容易擴展。該轉換器的輸入範圍由粗測計數器決定，計數器增加一位，輸入範圍就擴大一倍，而且這樣做並不會引起大的面積開銷。[0019]2.支持兩種精度的時間數字轉換。選擇電路選擇從電荷泵電壓或者部分從電荷泵電壓時，轉換器的轉換精度不同。
[0020]3.粗測計數器和細測計數器在同一參考時鐘下工作。粗測計數器記錄的是時間段一之內所包含的時鐘周期數。細測計數器記錄的是兩個電荷泵電壓相等時所經歷的逼近次數，即輸入到脈衝產生中的時鐘周期數。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明時間數字轉換器的原理框圖；
[0022]圖2a為本發明時間數字轉換器中的時間分段器電路圖；
[0023]圖2b為本發明時間數字轉換器中的時間分段器時序圖；
[0024]圖3a為本發明時間數字轉換器中啟動器電路圖；
[0025]圖3b為本發明時間數字轉換器中啟動器時序圖；
[0026]圖4a為本發明時間數字轉換器中主電荷泵電路圖；
[0027]圖4b為本發明時間數字轉換器中主電荷泵時序圖；
[0028]圖5a為本發明時間數字轉換器中的脈衝產生器電路圖；
[0029]圖5b為本發明時間數字轉換器中的脈衝產生器時序圖；
[0030]圖6a為本發明時間數字轉換器中的從電荷泵電路圖；
[0031]圖6b為本發明時間數字轉換器中的從電荷泵時序圖；
[0032]圖7為本發明時間數字轉換器中的選擇電路電路圖；
[0033]圖8為本發明時間數字轉換器中的比較電路電路圖。
【具體實施方式】
[0034]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0035]圖1為本發明時間數字轉換器的原理框圖，如圖1所示，所述時間數字轉換器包含時間分段器101、啟動器102、主電荷泵103、脈衝產生器104、從電荷泵105、選擇電路106、比較電路107、與門108、粗測計數器109和細測計數器110，其中:
[0036]所述時間分段器101具有埠一、埠二和埠三，埠一和埠二分別用於輸入兩個具有連續時間間隔的跳變沿信號，所述埠一輸入的信號記為開始START信號，所述埠 二輸入的信號即為停止STOP信號，所述埠三用於輸入參考時鐘CLK信號。所述時間分段器101用於將所述START信號和所述STOP信號上升沿之間的時間間隔在所述參考時鐘CLK信號的輔助下拆分為三段，得到三個脈衝:時間段一、時間段二和時間段三，在所述參考時鐘CLK的作用下，時間段一加上時間段二再減去時間段三恰好等於START和STOP信號上升沿之間的時間間隔，所述時間段二大於時間段三。所述時間段一輸入到所述與門108的一個輸入端，所述時間段二輸入到所述主電荷泵103的一個輸入端，所述時間段三輸入到所述主電荷泵103的另一個輸入端以及所述啟動器102的一個輸入端；
[0037]所述與門108與所述時間分段器101連接，用於將時間段一和輸入的參考時鐘信號CLK進行與操作；
[0038]所述粗測計數器109與所述與門108連接，用於根據所述與門108的與操作結果產生時間段一內所包含的參考時鐘周期數並輸出相應的計數結果，即對所述時間段一進行量化，所述粗測計數器109的計數結果就是時間段一的測量結果；
[0039]所述主電荷泵103與所述時間分段器101連接，用於將時間段二和時間段三轉化為電壓信息，並將所述電壓信息輸出至所述選擇電路106和比較電路107，具體的，所述主電荷泵103在時間段二期間對其內的電容進行充電，在時間段三期間對其內的電容進行放電，由於時間段二大於時間段三，所以所述主電荷泵103上的電壓較工作前變大且輸出穩定的主電荷泵電壓，所述充放電電流相等；
[0040]所述啟動器102的另一個輸入端連接所述埠三，用於根據所述參考時鐘CLK信號，在時間段三結束後產生並輸出逼近信號到所述脈衝產生器104和細測計數器110 ；
[0041]所述脈衝產生器104與所述啟動器102連接，用於在每一個逼近信號周期內產生兩個充電脈衝和兩個放電脈衝，並將所述充電脈衝和放電脈衝輸出至所述從電荷泵105 ；
[0042]所述從電荷泵105與所述脈衝產生器104連接，用於根據所述充電脈衝和放電脈衝對其中的電容不斷的充電和放電，即差分充電，輸出從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓至所述選擇電路106的兩個輸入端，由於充電脈衝的寬度略大於放電脈衝的寬度，兩個脈衝在時間上沒有重疊，充放電電流相等，所以所述從電荷泵電壓以很小的步進量慢慢增長；由於部分從電荷泵電壓是由從電荷泵電壓分壓而來，所以部分從電荷泵電壓也以很小的步進量慢慢增長，所述從電荷泵105的充放電電流相等且小於所述主電荷泵103的充放電電流，所述主電荷泵103中的電容值小於所述從電荷泵105中的電容值；
[0043]所述選擇電路106與所述從電荷泵105連接，用於根據所述主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓決定選取從電荷泵105的哪個輸出電壓作為選擇電壓，即，若經過多次差分充電後，從電荷泵105輸出的部分從電荷泵電壓能夠與主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓相等，則選取部分從電荷泵電壓作為選擇電壓輸出到所述比較電路107 ;若所述選擇電路106判斷發現主電荷泵電壓太大，部分從電荷泵電壓無論經過多少次差分充電都無法與之相等，則選取從電荷泵電壓作為選擇電壓輸出到所述比較電路107的一個輸入端；
[0044]所述比較電路107與所述主電荷泵103和所述選擇電路106連接，用於接收所述主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓和所述選擇電路106輸出的選擇電壓並對其進行比較，若兩者電壓相等則輸出停止信號到所述細測計數器110 ；
[0045]所述細測計數器110與所述比較電路107和所述啟動器102連接，用於對所述啟動器102輸出的逼近信號中的脈衝個數進行計數並根據所述比較電路107輸出的停止信號停止計數並輸出計數結果，所述細測計數器110的計數結果代表時間段二和時間段三的測
量結果。
[0046]所述時間數字轉換器工作時，埠一輸入的START信號和埠二輸入的STOP信號上升沿之間的時間間隔被時間分段器101拆分為三個脈衝:時間段一、時間段二和時間段三。時間段一和參考時鐘信號CLK經與門108與操作後輸入到粗測計數器109，粗測計數器109產生時間段一之內所包含的參考時鐘周期數並輸出相應的計數結果，其中，粗測計數器109的計數結果就是時間段一的測量結果。時間段二和時間段三輸入到主電荷泵103的兩個輸入端，在時間段二期間，主電荷泵103對其內的電容進行充電，在時間段三期間，主電荷泵103對其內的電容進行放電。在開始工作前，主電荷泵103和從電荷泵105的電壓相等。由於時間段二大於時間段三，所以主電荷泵103上的電壓較工作前變大且輸出穩定的主電荷泵電壓。時間段三結束後，啟動器102開始工作，接收埠三輸入的參考時鐘信號產生並輸出逼近信號到脈衝產生器104和細測計數器110。脈衝產生器104將每一個輸入的逼近信號都轉換為兩個充電脈衝和兩個放電脈衝。大量的充電脈衝和放電脈衝輸入到從電荷泵105中，從電荷泵105中的電容不斷的被充電和放電，即差分法充電。由於充電脈衝的寬度略大於放電脈衝的寬度，充放電電流又相等，所以從電荷泵105的從電荷泵電壓以很小的步進量慢慢增長，部分從電荷泵電壓是由從電荷泵電壓分壓而來，所以部分從電荷泵電壓也以很小的步進量慢慢增長。選擇電路106根據主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓決定選取從電荷泵105的哪個輸出電壓作為選擇電壓，即，若經過多次差分充電後，從電荷泵105輸出的部分從電荷泵電壓能夠與主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓相等，則選取部分從電荷泵電壓作為選擇電壓輸出到比較電路107 ;若選擇電路判斷發現主電荷泵電壓太大，部分從電荷泵電壓無論經過多少次差分充電都無法與之相等，則選取從電荷泵電壓作為選擇電壓輸出到比較電路107。比較電路107接收主電荷泵103輸出的主電荷泵電壓和選擇電路106輸出的選擇電壓，若兩者電壓相等則輸出停止信號到細測計數器110用於停止細測計數器的計數。細測計數器110的計數結果代表時間段二和時間段三的測量結果。以這樣一種方式，時間段一、時間段二和時間段三分別得到了測量，即輸入的時間間隔得到了測量。
[0047]圖2a為本發明時間數字轉換器中的時間分段器電路圖，如圖2a所示，所述時間分段器101有三個輸入信號，分別是開始START、時鐘CLK和停止STOP信號；所述時間分段器101包括多個D觸發器、兩個反相器和多個邏輯門，其中:
[0048]所述START信號連接第一 D觸發器201的時鐘端，所述CLK信號連接第二 D觸發器202、第三D觸發器203、第四D觸發器204、第六D觸發器206、第七D觸發器207的時鐘端，所述STOP信號連接第五D觸發器205的時鐘端；
[0049]所述第一 D觸發器201和第五D觸發器205的數據端接固定高電平；
[0050]所述第一 D觸發器201的輸出端連接第二 D觸發器202的數據端，第二 D觸發器202的輸出端連接第三D觸發器203的數據端，第三D觸發器203的輸出端連接第四D觸發器204的數據端，第五D觸發器205的輸出端連接第六D觸發器206的數據端，第六D觸發器206的輸出端連接第七D觸發器207的數據端；
[0051]所述START信號經過第一反相器208之後與第四D觸發器204的輸出由第一或非門210進行或非操作得到時間段二 ；
[0052]所述第四D觸發器204和第七D觸發器207的輸出由異或門211進行異或操作得到時間段一；
[0053]所述STOP信號經過第二反相器209之後與第七D觸發器207的輸出由第二或非門212進行或非操作得到時間段三。
[0054]以這樣一種電路結構，輸入的START和STOP信號上升沿之間的時間間隔在CLK的作用下就被分為了時間段一、時間段二和時間段三。
[0055]圖2b為本發明時間數字轉換器中的時間分段器時序圖，如圖2b所示，時間段二脈衝的上升沿來自START信號的上升沿，其下降沿來自START信號上升沿之後的第三個時鐘上升沿；時間段三脈衝的上升沿來自STOP信號的上升沿，其下降沿來自STOP信號上升沿之後的第二個時鐘上升沿；時間段一脈衝的上升沿來自START信號上升沿之後的第三個時鐘上升沿，其下降沿來自STOP信號上升沿之後的第二個時鐘上升沿。可以看出，待測的時間間隔即START和STOP上升沿之間的時間間隔等於時間段二加上時間段一再減去時間段三。時間段一由粗測計數器109來測量，時間段二減去時間段三這一減法則通過對主電荷泵103的充電和放電來實現。
[0056]圖3a為本發明時間數字轉換器中啟動器電路圖，如圖3a所示，所述啟動器102包括:D觸發器和與門，其中:所述時間段三輸入至D觸發器301的時鐘端，D觸發器301是下降沿觸發的觸發器，其數據端接固定高電平，所以時間段三的下降沿到來後，D觸發器301輸出高電平；D觸發器301的輸出與CLK信號經與門302進行與操作之後輸出逼近信號。
[0057]圖3b為本發明時間數字轉換器中啟動器時序圖，如圖3b所示，在時間段三下降沿之後，CLK信號輸出作為逼近信號。這樣做是為了確保在主電荷泵103電壓穩定之前從電荷泵105不會工作。
[0058]圖4a為本發明時間數字轉換器中主電荷泵電路圖，如圖4a所示，所述主電荷泵103包括:多個開關和多個電容，其中:
[0059]第一開關401的一端接電壓Vrefl，另一端接第一電容404的一端，第一電容404的另一端接地；
[0060]第二開關402的一端經電流源407連接到電壓Vdd，另一端接第三開關403的一端，第三開關403的另一端經電流源408接地，時間段二輸入端與第二開關402相連，時間段三輸入端與第三開關403相連；
[0061]第二電容405的一端接第三電容406的一端，第三電容406的另一端接地；
[0062]第二電容405的另一端、第二開關402靠近第三開關403的一端、第三開關403靠近第二開關402的一端、第一開關401靠近第一電容404的一端、以及第一電容404靠近第一開關401的一端連接在一起，為主電荷泵電壓。
[0063]首先開關401先閉合,將由第一電容404、第二電容405、第三電容406構成的電容充電至Vrefl，而後開關401斷開；在時間段二期間以電流N*I對電容充電，主電荷泵電壓增大；在時間段三期間以電流N*I對電容放電，主電荷泵電壓減小；由於時間段二大於時間段三，所以最終穩定的主電荷泵電壓要大於Vrefl。以這樣一種方式，實現了時間段二與時間段三的減法，並將減操作的結果轉化為電壓信息存儲在主電荷泵上。
[0064]圖4b為本發明時間數字轉換器中主電荷泵時序圖，如圖4b所示，開始主電荷泵的電壓為Vrefl，在時間段二期間，電容被充電，主電荷泵電壓線性增長；由於時間段二和時間段三時間上沒有交疊，所以主電荷泵電壓在時間段三到來之前一直保持最大值；時間段三到來之後，電容被放電，主電荷泵電壓線性下降，由於時間段二大於時間段三，充放電電流又相等，所以最終穩定的主電荷泵電壓要大於Vrefl。
[0065]圖5a為本發明時間數字轉換器中的脈衝產生器電路圖，如圖5a所示，所述脈衝產生器104包括:多個延遲單元和兩個異或門，其中:
[0066]第一延遲單兀501的輸入端連接逼近信號輸入端，輸出端連接第一異或門502的一個輸入端，所述第一異或門502的另一個輸入端直接連接逼近信號輸入端；
[0067]第二延遲單元503的輸入端連接逼近信號輸入端，輸出端連接第三延遲單元504的輸入端和第二異或門505的一個輸入端；
[0068]第三延遲單兀504的輸出端連接第二異或門505的另一個輸入端。[0069]所述脈衝產生器工作時，逼近信號經第一延遲單元501延遲之後與沒有經過延遲的逼近信號由第一異或門502進行異或操作得到一個充電脈衝，所述第一延遲單元501的延遲值為T1 ;輸入的逼近信號經過第二延遲單元503之後到達第三延遲單元504和第二異或門505的輸入端；第二延遲單元503的延遲值為T，第三延遲單元504的延遲值為T2，且T > ΤΙ > T2。第二延遲單元503的輸出與經過第三延遲單元504延遲之後的信號由第二異或門505進行異或操作得到一個放電脈衝。第一延遲單元501的延遲T1等於充電脈衝的寬度，第三延遲單元504的延遲T2等於放電脈衝的寬度，第二延遲單元503確保充電脈衝和放電脈衝時間上不會重疊。T1和T2可以為一較大的值，但是(T1-T2)可以為一很小的值，可以認為(T1-T2)就是有效的差分充電時間。有效充電時間越短，每次充電從電荷泵上的電壓增量就越小，逼近次數就越多，測量精度也就越高。
[0070]圖5b為本發明時間數字轉換器中的脈衝產生器時序圖，從圖5b中可以看出，在每一個逼近信號周期內，逼近信號的上升沿產生一個充電脈衝和一個放電脈衝，逼近信號的下降沿也產生了一個充電脈衝和一個放電脈衝，所以一個逼近信號周期內，會有兩個充電脈衝和兩個放電脈衝。在一個逼近周期內，逼近次數翻倍，加快了從電荷泵電壓逼近主電荷泵電壓的速度。充電脈衝的寬度T1要略大於放電脈衝的寬度T2.由於T>T1，所以充電脈衝和放電脈衝沒有交疊，以確保充放電不會同時進行。
[0071 ] 圖6a為本發明時間數字轉換器中的從電荷泵電路圖，如圖6a所示，所述從電荷泵105包括:多個開關和多個電容，其中:
[0072]第一開關601的一端接電壓Vrefl,另一端接第一電容604的一端，第一電容604的另一端接地；
[0073]第二開關602的一端經電流源607連接到電壓Vdd，另一端接第三開關603的一端，第三開關603的另一端經電流源608接地，充電脈衝輸入端與第二開關602相連，放電脈衝輸入端與第三開關603相連；
[0074]第二電容605的一端接第三電容606的一端,為部分從電荷泵電壓，第三電容606的另一端接地；
[0075]第二電容605的另一端、第二開關602靠近第三開關603的一端、第三開關603靠近第二開關602的一端、第一開關601靠近第一電容604的一端、以及第一電容604靠近第一開關601的一端連接在一起，為從電荷泵電壓。
[0076]首先開關601先閉合,將由第一電容604、第二電容605、第三電容606構成的電容充電至Vrefl，而後開關601斷開；在充電脈衝期間電容以電流I被充電，在放電脈衝期間電容以電流I被放電。由於充電脈衝寬度大於放電脈衝寬度，所以隨著充放電脈衝的不斷輸入，從電荷泵電壓以很小的步進量慢慢增長。由於部分從電荷泵電壓是從電荷泵電壓經電容605和電容606分壓而來，所以部分從電荷泵電壓也以很小的步進量慢慢增長。
[0077]圖6b為本發明時間數字轉換器中的從電荷泵時序圖，如圖6b所示，開始從電荷泵的電壓為Vrefl，第一個充電脈衝到來後，從電荷泵被充電時間T1，第一個放電脈衝到來後，從電荷泵被放電時間T2。由於ΤΙ > T2，充放電電流又相等，所以經過第一次充放電之後，從電荷泵電壓要大於Vrefl。隨著逼近信號的不斷輸入，充電脈衝和放電脈衝被不斷輸入到從電荷泵中，所以從電荷泵電壓以很小的步進量慢慢增大，其中，TCLK是逼近信號的周期。[0078]圖7為本發明時間數字轉換器中的選擇電路電路圖，如圖7所示，所述選擇電路106包括:比較器701，兩個開關702、704，反相器703，其中:
[0079]主電荷泵電壓和參考電壓Vref2分別輸入到所述比較器701的兩個輸入端，所述比較器701的輸出S連接第一開關702和所述反相器703的輸入端，所述反相器703的輸出連接第二開關704 ；
[0080]從電荷泵電壓輸入到所述第一開關702的一端，部分從電荷泵電壓輸入到所述第二開關704的一端，所述第一開關702的另一端與所述第二開關704的另一端連接，為選擇電壓。
[0081]所述選擇電路106工作時,若主電荷泵電壓大於參考電壓Vref2, S為高，第一開關702閉合，第二開關704斷開，則選擇從電荷泵電壓作為選擇電壓，因為這種情況下，主電荷泵電壓過大(大於Vref 2)，部分從電荷泵電壓不論經過多少次差分充電也不可能與主電荷泵電壓相等；若主電荷泵電壓小於參考電壓Vref2，則選擇部分從電荷泵電壓作為選擇電壓，因為這種情況下，部分從電荷泵電壓經過若干次差分充電後會與主電荷泵電壓相等。選擇部分從電荷泵電壓來與主電荷泵電壓比較的話，從電荷泵需要的逼近次數更多，這也就意味著更高的測量精度。
[0082]圖8為本發明時間數字轉換器中的比較電路電路圖，如圖8所示，所述比較電路107包括:比較器801，延遲單元802，與門803，其中:
[0083]主電荷泵電壓和選擇電壓輸入到所述比較器801的兩個輸入端，所述比較器801的輸出端與所述延遲單元802的輸入端和所述與門803的一個輸入端連接；
[0084]所述延遲單元802的輸出端與所述與門803的另一個輸入端連接。
[0085]所述比較電路107工作時，主電荷泵電壓和選擇電壓輸入到所述比較器801的兩個輸入端，所述比較器801的輸出經所述延遲單元802延遲之後與沒有經過延遲的比較器801輸出由與門803與操作之後作為停止信號輸出。這裡沒有直接將比較器801的輸出作為停止信號，是因為選擇電路輸出的選擇電壓呈毛刺狀(如圖6b所示)，在逼近主電荷泵電壓時，某些時刻選擇電壓會瞬時超過主電荷泵電壓並造成比較器801的輸出翻轉。比較器801的不正確翻轉會引起細測計數器110的誤操作，所以引入延遲單元802和與門803來消除這個問題。
[0086]本發明時間數字轉換器的測量精度可計算如下:
[0087](一)如果選擇從電荷泵105的從電荷泵電壓與主電荷泵電壓進行比較，則兩者相等時有:
[0088]
【權利要求】
1.一種基於差分充電的高精度大範圍時間數字轉換器，其特徵在於，該轉換器包含時間分段器(101)、啟動器(102)、主電荷泵(103)、脈衝產生器(104)、從電荷泵(105)、選擇電路(106)、比較電路(107)、與門(108)、粗測計數器(109)和細測計數器(110)，其中:所述時間分段器(101)具有埠一、埠二和埠三，埠一和埠二分別用於輸入兩個具有連續時間間隔的跳變沿信號，埠三用於輸入參考時鐘信號；所述時間分段器(101)用於將埠一和埠二輸入的跳變沿信號的時間間隔在所述參考時鐘信號的作用下分為時間段一、時間段二和時間段三，並將時間段一經與門(108)輸入到粗測計數器(109)被量化，時間段二和時間段三輸出到主電荷泵(103)的兩個輸入端被轉化為電壓信息，時間段三還連接到啟動器(102)的一個輸入端；所述與門(108)與所述時間分段器(101)連接，用於將時間段一和輸入的參考時鐘信號進行與操作；所述粗測計數器(109)與所述與門(108)連接，用於根據所述與門(108)的與操作結果產生時間段一內所包含的參考時鐘周期數並輸出計數結果；所述主電荷泵(103)與所述時間分段器(101)連接，用於將時間段二和時間段三轉化為電壓信息，並將所述電壓信息輸出至所述選擇電路(106)和比較電路(107)；所述啟動器(102)的另一個輸入端連接所述埠三，用於根據所述參考時鐘信號，在時間段三結束後，產生並輸出逼近信號到所述脈衝產生器(104)和細測計數器(110)；所述脈衝產生器(104)與所述啟動器(102)連接，用於在每一個逼近信號周期內產生兩個充電脈衝和兩個放電脈衝，並輸出至所述從電荷泵(105)；所述從電荷泵(105)與所述脈衝產生器(104)連接，用於根據所述充電脈衝和放電脈衝對其中的電容差分充電，產生並輸出從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓到所述選擇電路`(106)的兩個輸入端，所述部分從電荷泵電壓是從電荷泵電壓經電容分壓得到的；所述選擇電路(106)與所述從電荷泵(105)連接，根據所述主電荷泵電壓從所述從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓中選擇一個作為選擇電壓輸出到所述比較電路(107)的一個輸入端；所述比較電路(107)與所述主電荷泵(103)和所述選擇電路(106)連接，用於接收所述主電荷泵電壓和選擇電壓並對其進行比較，若兩者相等則輸出停止信號到所述細測計數器(110)；所述細測計數器(110)與所述比較電路(107)和所述啟動器(102)連接，用於對所述逼近信號中的脈衝個數進行計數並根據所述停止信號停止計數並輸出計數結果；所述粗測計數器(109)的計數結果為時間段一的測量結果，所述細測計數器(110)的計數結果為時間段二和時間段三的測量結果。
2.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述主電荷泵(103)對時間段二和時間段三的轉化具體為:所述主電荷泵(103)在時間段二期間對其內的電容進行充電，在時間段三期間對其內的電容進行放電，由於時間段二大於時間段三，所以所述主電荷泵(103)上的電壓較工作前變大且輸出穩定的主電荷泵電壓。
3.如權利要求1所描述的一種基於差分充電法的高精度大範圍時間數字轉換器，其特徵在於，所述主電荷泵(103)的充放電電流相等；所述從電荷泵(105)的充放電電流相等且小於所述主電荷泵(103)的充放電電流，所述從電荷泵(105)的充電脈衝的寬度略大於所述放電脈衝的寬度，兩個脈衝在時間上沒有重疊，所述從電荷泵電壓和部分從電荷泵電壓均以很小的步進量慢慢增長；所述主電荷泵(103)中的電容值小於所述從電荷泵(105)中的電容值。
4.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述選擇電路(106)中，若經過多次差分充電後，所述部分從電荷泵電壓能夠與所述主電荷泵電壓相等，則選取所述部分從電荷泵電壓作為選擇電壓；若所述主電荷泵電壓太大，所述部分從電荷泵電壓無論經過多少次差分充電都無法與之相等，則選取所述從電荷泵電壓作為選擇電壓。
5.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述時間分段器(101)包括多個D觸發器、兩個反相器和多個邏輯門，其中:第一跳變沿信號連接第一 D觸發器(201)的時鐘端，所述參考時鐘信號連接第二 D觸發器(202)、第三D觸發器(203)、第四D觸發器(204)、第六D觸發器(206)、第七D觸發器(207)的時鐘端，第二跳變沿信號連接第五D觸發器(205)的時鐘端；所述第一 D觸發器(201)和第五D觸發器(205)的數據端接固定高電平；所述第一 D觸發器(201)的輸出端連接第二 D觸發器(202)的數據端，第二 D觸發器(202)的輸出端連接第三D觸發器(203)的數據端，第三D觸發器(203)的輸出端連接第四D觸發器(204)的數據端，第五D觸發器(205)的輸出端連接第六D觸發器(206)的數據端，第六D觸發器(206)的輸出端連接第七D觸發器(207)的數據端；所述第一跳變沿信號經過第一反相器(208)之後與第四D觸發器(204)的輸出由第一或非門(210)進行或非操作得到時間段二；所述第四D觸發器(204)和第七D觸發器(207)的輸出由異或門(211)進行異或操作得到時間段一；所述第二跳變沿信號經過第二反相器(209)之後與第七D觸發器(207)的輸出由第二或非門(212)進行或非操作得到時間段三。
6.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述啟動器(102)包括:D觸發器和與門，其中:所述時間段三輸入至D觸發器(301)的時鐘端，D觸發器(301)是下降沿觸發的觸發器，其數據端接固定高電平，所以時間段三的下降沿到來後，D觸發器(301)輸出高電平；D觸發器(301)的輸出與所述參考時鐘信號經與門(302)進行與操作之後輸出逼近信號。
7.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述主電荷泵(103)包括:多個開關和多個電容，其中:第一開關(401)的一端接電壓Vrefl,另一端接第一電容(404)的一端，第一電容(404)的另一端接地；第二開關(402)的一端經電流源(407)連接到電壓Vdd，另一端接第三開關(403)的一端，第三開關(403)的另一端經電流源(408)接地，時間段二輸入端與第二開關(402)相連，時間段三輸入端與第三開關(403)相連；第二電容(405)的一端接第三電容(406)的一端，第三電容(406)的另一端接地；第二電容(405)的另一端、第二開關(402)靠近第三開關(403)的一端、第三開關(403)靠近第二開關(402)的一端、第一開關(401)靠近第一電容(404)的一端、以及第一電容(404)靠近第一開關(401)的一端連接在一起，為主電荷泵電壓。
8.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述脈衝產生器(104)包括:多個延遲單元和兩個異或門，其中:第一延遲單元(501)的輸入端連接逼近信號輸入端，輸出端連接第一異或門(502)的一個輸入端，所述第一異或門(502)的另一個輸入端直接連接逼近信號輸入端；第二延遲單元(503)的輸入端連接逼近信號輸入端，輸出端連接第三延遲單元(504)的輸入端和第二異或門(505)的一個輸入端；第三延遲單元(504)的輸出端連接第二異或門(505)的另一個輸入端。
9.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述從電荷泵(105)包括:多個開關和多個電容，其中:第一開關(601)的一端接電壓Vrefl,另一端接第一電容(604)的一端，第一電容(604)的另一端接地；第二開關(602)的一端經電流源(607)連接到電壓Vdd，另一端接第三開關(603)的一端，第三開關(603)的另一端經電流源(608)接地，充電脈衝輸入端與第二開關(602)相連，放電脈衝輸入端與第三開關(603)相連；第二電容(605)的一端接第三電容(606)的一端，為部分從電荷泵電壓，第三電容(606)的另一端接地；第二電容(605)的另一端、第二開關(602)靠近第三開關(603)的一端、第三開關(603)靠近第二開關(602)的一端、第一開關(601)靠近第一電容(604)的一端、以及第一電容(604)靠近第一開關(601)的一端連接在一起，為從電荷泵電壓。`
10.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述選擇電路(106)包括:比較器(701)，兩個開關(702、704)，反相器(703)，其中:主電荷泵電壓和參考電壓Vref2分別輸入到所述比較器(701)的兩個輸入端，所述比較器(701)的輸出S連接第一開關(702)和所述反相器(703)的輸入端，所述反相器(703)的輸出連接第二開關(704)；從電荷泵電壓輸入到所述第一開關(702)的一端，部分從電荷泵電壓輸入到所述第二開關(704)的一端，所述第一開關(702)的另一端與所述第二開關(704)的另一端連接，為選擇電壓。
11.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，所述比較電路(107)包括:比較器(801)，延遲單元(802)，與門(803)，其中:主電荷泵電壓和選擇電壓輸入到所述比較器(801)的兩個輸入端，所述比較器(801)的輸出端與所述延遲單元(802)的輸入端和所述與門(803)的一個輸入端連接；所述延遲單元(802)的輸出端與所述與門(803)的另一個輸入端連接。
【文檔編號】H03M1/50GK103634010SQ201310176722
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年5月14日 優先權日:2013年5月14日
【發明者】王新剛, 王飛, 楊海鋼 申請人:中國科學院電子學研究所