模数转换电路及环境光检测电路的制作方法

1.本技术涉及电路技术领域，特别是涉及一种模数转换电路及环境光检测电路。


背景技术：

2.在汽车场景应用中，需要检测环境光的亮度，从而去自动控制汽车头灯的开启与关闭，自动控制仪表盘的亮度。在一些比较高档的汽车内部，会有自动雨刷装置，这个自动雨刷装置需要环境光的信息，使雨刷系统处于信噪比最佳的状态。通过环境光检测系统，使车辆驾驶更加安全，自动化程度更高。在一些家庭或办公场景，也需要检测环境光的亮度，从而自动调节室内日光灯的亮度，以起到节能的作用，同时使人们的生活和办公环境更加舒适。
3.环境光检测有很多技术手段，目前用的最多的还是光电传感类技术。通过photo diode(光电二极管)把外界的光能量转换成电流，通过内部电路转换成电压信号后，再通过adc(模数转换器)转换成数字信号，并传送给mcu(微控制单元，microcontroller unit)，由mcu来操控处理adc输出的转换数据。由于环境光的变化范围比较广，从白天到黑夜，从室内到室外，导致光能量转换成电流的范围比较广，一般能大小相差达到6个数量级。为了处理如此大范围的电流变化范围，一般会采用对数运算放大器作为电流转电压电路，但对数放大器的输出电压范围一般也只有几十mv到几百mv，所以一方面后续需要增益放大器放大信号，增加adc信号动态范围；另一方面需要较高精度的adc。现有的环境光检测电路普遍存在对于模数转换器等器件的匹配和精度要求很高，却很难得到较高的转换精度，且转换时间较长。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种模数转换电路，用于解决现有技术中的光电检测电路对于模数转换器等器件的匹配和精度要求很高，却很难得到较高的转换精度，且转换时间较长的问题。
5.本技术实施例提供了一种模数转换电路，包括：开关电容积分器、模数转换器、数模转换器及数字电路；其中，
6.所述模数转换器的输入端与所述开关电容积分器的输出端相连接，所述模数转换器的输出端与所述数字电路的输入端相连接；
7.所述数模转换器的一端与所述开关电容积分器相连接，所述数模转换器的另一端与所述模数转换器的输出端及所述数字电路的输入端均相连接；
8.所述开关电容积分器对输入电压信号进行采样，并与所述模数转换器及所述数模转换器共同对采样的所述输入电压信号进行比较转换，以得到高位字符及低位字符；所述数字电路用于对所述高位字符及所述低位字符进行处理拼接，以得到输出信号。
9.上述模数转换电路中，通过设置开关积分器、模数转换器、数模转换器及数字电路配合，在模数转换电路用于环境光电检测电路时，在开关积分器、模数转换器、数模转换器
及数字电路满足较低的匹配和精度的条件下，即可得到较高的转换精度及较短的转换时间。
10.可选地，所述开关电容积分器包括：
11.第一开关，所述第一开关的第一端输入连接所述输入电压信号；
12.第二开关，所述第二开关的第一端与所述第一开关的第二端相连接，所述第二开关的第二端与所述数模转换器相连接；
13.第三开关，所述第三开关的第一端与所述第一开关的第二端及所述第二开关的第一端均相连接；
14.第一电容，所述第一电容的上极板与所述第一开关的第二端、所述第二开关的第一端及所述第三开关的第一端均相连接；
15.第四开关，所述第四开关的第一端与所述第一电容的下极板相连接；
16.第五开关，所述第五开关的第一端与所述第一电容的下极板相连接，所述第五开关的上极板连接参考电压；
17.第二电容，所述第二电容的上极板与所述第四开关的第二端相连接；
18.第六开关，所述第六开关的第一端与所述第四开关的第二端相连接；
19.第一运算放大器，所述第一运算放大器的正向输入端与所述第四开关的第二输入端、所述第六开关的第一输入端及所述第二电容的上极板均相连接；所述第一运算放大器的负向输入端与所述参考电压相连接；所述第一运算放大器的输出端与所述第三开关的第二端、所述第二电容的下极板、所述第六开关的第二端及所述模数转换器的输入端均相连接。
20.可选地，所述数模转换器包括多路复用电路。
21.可选地，所述数字电路包括：
22.寄存电路，所述寄存电路的输入端与所述模数转换器的输出端及所述数模转换器远离所述第二开关管的一端相连接；
23.计数电路，所述计数电路的输入端与所述模数转换器的输出端及所述数模转换器远离所述第二开关管的一端相连接；
24.加法器，所述加法器的输入端与所述寄存电路的输出端及所述计数电路的输出端均相连接。
25.可选地，所述寄存电路包括：
26.第七开关，所述第七开关的第一端与所述模数转换器的输出端及所述数模转换器远离所述第二开关管的一端相连接；
27.寄存器，所述寄存器的输入端与所述第七开关的第二端相连接，所述寄存器的输出端与所述加法器的输入端相连接。
28.可选地，所述寄存电路包括：
29.第八开关，所述第八开关的第一端与所述模数转换器的输出端及所述数模转换器远离所述第二开关管的一端相连接；
30.计数器，所述计数器的输入端与所述第八开关的第二端相连接，所述计数器的输出端与所述加法器的输入端相连接。
31.可选地，所述高位字符为4比特字符，所述低位字符为10比特字符，所述输出信号
为14比特字符；所述数模转换器为1.5比特数模转换器，所述模数转换器为1.5比特模数转换器。
32.可选地，所述输入电压信号包括环境光的光能量转换的电压信号、直流电压测试信号或低频测试信号。
33.本技术还提供一种环境光检测电路，所述环境光检测电路包括：
34.上述任一方案中所述的模数转换电路；
35.光能量转换电路，所述光能量转换电路的输入端光能量信号及基准电压，所述光能量转换电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连接，用于基于所述基准电压将所述光能量信号转换为所述输入电压信号。
36.可选地，所述光能量转换电路包括：
37.第二运算放大器，所述第二运算放大器的正向输入端连接所述基准电压，所述第二运算放大器的负向输入端连接所述光能量信号；
38.第一二极管，所述第一二极管的阳极连接所述光能量信号，所述第一二极管的阴极连接所述第二运算放大器的输出端；
39.第二二极管，所述第二二极管的阳极连接输出电压，所述第二二极管的阴极连接所述第二运算放大器的输出端；
40.增益滤波器，所述增益滤波器的第一输入端与所述输出电压相连接，所述增益滤波器的第二输入端与所述基准电压相连接，所述增益滤波器的输出端与所述开关电容积分器相连接。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本技术一实施例中提供的模数转换电路的电路图；
43.图2为本技术一实施例中提供的模数转换电路的时序图；
44.图3至图6为本技术一实施例中提供的模数转换电路于不同工作状态下的电路图；
45.图7为本技术另一实施例中提供的环境光检测电路的电路图。
46.附图标记说明：1、模数转换电路；10、开关电容积分器；101、第一运算放大器；11、模数转换器；12、数模转换器；13、数字电路；131、寄存器；132、计数器；133、加法器；2、光能量转换电路；21、第二运算放大器；22、增益滤波器。
具体实施方式
47.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
48.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具
delta adc可以轻松达到13bit甚至更高的精度。但增量式sigma delta
56.adc有个缺点，就是如果需要13bit，对于一阶增量式sigma delta adc需要2^13＝8192个转换周期才能达到，这个转换时间过于长久，使不满足应用要求。可以使用二阶或三阶增量式sigma delta adc，达到13bit转换周期可以大幅度的减少。但是这会增加电路设计的复杂度，同时会减少输入动态范围，还会大幅度增加功耗和面积。
57.请参阅图1，本技术实施例提供了一种模数转换电路1，模数转换电路1包括：开关电容积分器10、模数转换器11、数模转换器12及数字电路13；其中，模数转换器11的输入端与开关电容积分器10的输出端相连接，模数转换器11的输出端与数字电路13输入端相连接；数模转换器12的一端与开关电容积分器10相连接，数模转换器12的另一端与模数转换器11的输出端及数字电路13的输入端均相连接；开关电容积分器10对输入电压信号进行采样，并与模数转换器11及数模转换器12共同对采样的输入电压信号进行比较转换，以得到高位字符及低位字符；数字电路13用于对高位字符及低位字符进行处理拼接，以得到输出信号dout。
58.上述模数转换电路1中，通过设置开关积分器10、模数转换器11、数模转换器12及数字电路13配合，在模数转换电路1用于环境光电检测电路时，在开关积分器10、模数转换器11、数模转换器12及数字电路13满足较低的匹配和精度的条件下，即可得到较高的转换精度及较短的转换时间。
59.在一个可选的示例中，请继续参阅图1，开关电容积分器10可以包括：第一开关s1，第一开关s1的第一端输入连接输入电压信号vin；第二开关s2，第二开关s2的第一端与第一开关s1的第二端相连接，第二开关s2的第二端与数模转换器12相连接；第三开关s3，第三开关s3的第一端与第一开关s1的第二端及第二开关s2的第一端均相连接；第一电容c1，第一电容c的上极板与第一开关s1的第二端、第二开关s2的第一端及第三开关s3的第一端均相连接；第四开关s4，第四开关s4的第一端与第一电容c1的下极板相连接；第五开关s5，第五开关s5的第一端与第一电容c1的下极板相连接，第五开关s5的上极板连接参考电压；第二电容c2，第二电容c2的上极板与第四开关s4的第二端相连接；第六开关s6，第六开关s6的第一端与第四开关s4的第二端相连接；第一运算放大器101，第一运算放大器101的正向输入端与第四开关s4的第二输入端、第六开关s6的第一输入端及第二电容c2的上极板均相连接；第一运算放大器101的负向输入端与参考电压vcom相连接；第一运算放大器101的输出端与第三开关s3的第二端、第二电容c2的下极板、第六开关s6的第二端及模数转换器11的输入端均相连接。
60.在一个可选的示例，数模转换器12可以包括多路复用(mux)电路。
61.具体的，数模转换器12可以选择正参考电压(vref )、0或负参考电压(vref-)。模数转换器11可以由两个比较器组成，模数转换器11中的比较器基准电压为 1/4vref、-1/4vref，输出11、01和00三个字符9(code)。
62.在一个可选的示例中，数字电路13可以包括：寄存电路，寄存电路的输入端与模数转换器11的输出端及数模转换器12远离第二开关管s2的一端相连接；计数电路，计数电路的输入端与模数转换器11的输出端及数模转换器12远离第二开关管s2的一端相连接；加法器133，加法器133的输入端与寄存电路的输出端及计数电路的输出端均相连接。数字电路13先累加滤波，再把高位字符和低位字符拼接。
63.在一个可选的示例中，寄存电路可以包括：第七开关s7，第七开关s7的第一端与模数转换器11的输出端及数模转换器12远离第二开关管s2的一端相连接；寄存器131，寄存器131的输入端与第七开关s7的第二端相连接，寄存器11的输出端与加法器133的输入端相连接。
64.在一个可选的示例中，寄存电路可以包括：第八开关s8，第八开关s8的第一端与模数转换器11的输出端及数模转换器12远离第二开关管s2的一端相连接；计数器132，计数器132的输入端与第八开关s8的第二端相连接，计数器132的输出端与加法器133的输入端相连接。
65.在一个可选的示例中，高位字符可以为但不仅限于4比特(bit)字符，低位字符可以为但不仅限10比特字符，输出信号dout可以为但不仅限于14比特字符；数模转换器12可以为但不仅限于1.5比特数模转换器，模数转换器可11以为但不仅限于1.5比特模数转换器。
66.在一个可选的示例中，输入电压信号vin可以包括环境光的光能量转换的电压信号、直流电压测试信号或低频测试信号。
67.本技术的模数转换电路1的时序图如图2所示。本技术的模数转换电路1首先采用一阶增量式sigma delta做粗调，取得4比特的高位字符，然后采用cyclic adc做余误差转换，通过硬件复用得到余下的10比特的低位字符，最终通过数字电路13把高位字符和低位字符进行合并得到14比特的输出信号dout。
68.本技术的模数转换电路的工作原理如下：
69.首先进入粗量化阶段，一阶增量式sigma delta adc开始工作，如图3所示，进入输入电压信号vin采样阶段，第一开关s1、第五开关s5及第八开关s8短路，即第一开关s1、第五开关s5及第八开关s8闭合，其他开关断开，第一电容c1对输入电压信号vin进行采样，输出端进行比较，并把比较结果送给数字电路13，得到相应的转换字符。如图4所示，进入转换阶段，第二开关s2与第四开关s4短路，其他开关断开，第二开关s2短路把上一阶段的比较结果送到第一电容c1的一端，此时，第一电容c1积累的电荷，通过第二电容c2转移到第一运算放大器101的输出端。经过16个周期比较后，得到4比特的高位字符。同时，比较的最后一个周期，第一运算放大器101的输出就是余误差。
70.然后通过cyclic adc，硬件复用的方式进行转换，对第一运算放大器101的输出余误差继续进行转换，如图5所示，第三开关s3、第五开关s5及第七开关s7短路，其他开关断开，此时第一电容c1和第二电容c2对第一运算放大器101的输出余误差进行采样；模数转换器11中的比较器对余误差进行比较得到1.5比特字符。如图6所示，第二开关s2和第四开关s4短路，其他开关断开，第二开关s2短路把上一阶段的比较结果送到第一电容c1的一端，此时第一电容c1积累的电荷，通过第二电容c2转移到第一运算放大器101的输出端。依次循环10个周期，得到10字节的低位字符。
71.通过扩展计数和硬件复用，本文提出的模数转换电路使用很少的硬件消耗和功耗消耗，电路简单，对器件的匹配和精度要求不高，却可以得到较高的adc转换精度，这个是其它类型的adc做不到的。
72.请结合图1至图6参阅图7，本技术还提供一种环境光检测电路，环境光检测电路包括：如图1至图6中所述的模数转换电路1；光能量转换电路2，光能量转换电路2的输入端光
能量信号iphoto及基准电压vref，光能量转换电路2的输出端与模数转换电路1的输入端相连接，用于基于基准电压vref将光能量信号转换为输入电压信号。
73.在一个可选示例中，光能量转换电路2可以包括：第二运算放大器21，第二运算放大器21的正向输入端连接基准电压vref，第二运算放大器21的负向输入端连接光能量信号iphoto；第一二极管d1，第一二极管d1的阳极连接光能量信号iphoto，第一二极管d1的阴极连接第二运算放大器21的输出端；第二二极管d2，第二二极管d2的阳极连接输出电压vout，第二二极管d2的阴极连接第二运算放大器21的输出端；增益滤波器22，增益滤波器22的第一输入端与输出电压vout相连接，增益滤波器22的第二输入端与基准电压vref相连接，增益滤波器22的输出端与开关电容积分器10相连接。
74.上述的环境光检测电路中，模数转换电路1通过设置开关积分器10、模数转换器11、数模转换器12及数字电路13配合，在开关积分器10、模数转换器11、数模转换器12及数字电路13满足较低的匹配和精度的条件下，即可得到较高的转换精度及较短的转换时间。
75.在本说明书的描述中，上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
76.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。