CN102324938B - 模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法 - Google Patents

模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法。该数据读取***通过读取头从光盘读取数据，并包含有用来产生多个参考电压电平的参考电压单元、用来将模拟信号与参考电压电平进行比较以产生多个比较结果的多个比较器，以及将比较器的比较结果编码成数字信号的编码模块，其中包含有阻抗串的参考电压单元所产生的参考电压电平中，至少有两个相邻的参考电压电平间的电压差不相同，阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值。上述数据读取***具有大致为线性的转换曲线，达到了使模数转换电路具备高正确性、高速度但维持小面积及低成本的效果。

Description

模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法
本申请是申请号为2008100924292、申请日为2008年4月11日、发明名称为“模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是有关于一种模数转换器(analog-to-digital converter)，特别是关于一种用于数据读取***(data readout system)的模数转换器。
背景技术
由于时常需要将大量的信息从模拟信号转换成数字信号，高速的模数转换器在现今的电路设计中占有相当重要的一席之地，例如快闪式模数转换器(flash analog-to-digital converter)就常用于快速地将模拟信号转换为数字信号。快闪式模数转换器是利用平行操作来达到高速转换。一般n位的快闪式模数转换器需要同时使用2n-1个比较器来产生比较结果，再将比较结果编码成n位的数字输出。然而，比较器所占用的芯片面积庞大，且当需求的分辨率越高时，所需要的芯片面积就越大。对数据读取***(例如光驱)而言，大量的数据需要快速且可靠地从光盘中被读取出来并转换成数字格式。使用很多比较器固然可增加数据读取***的分辨率及正确性，但也会占用芯片面积且提高成本，因此，发展可具备高正确性、高速度但维持小面积及低成本的模数转换电路是有需要的。
发明内容
为解决上述具备高准确性与高速度的数据读取***中比较器占用面积大的问题，本发明提供一种模数转换的分辨率为非线性的数据读取***及其数据读取方法，其中模拟输入信号中载有大部分信息的区间以较高分辨率进行量化，而载有较少信息的区间则以较低分辨率进行量化，以减少数据读取***中比较器的数量并同时维持正确度。
根据本发明的一实施方式，其提供一种数据读取***，通过读取头从光盘读取数据。数据读取***包含有用来产生多个参考电压电平的参考电压单元、用来将读取头所输出的模拟信号与参考电压电平进行比较的多个比较器，以及将比较器的比较结果编码成数字信号的编码模块，其中参考电压单元所产生的多个参考电压电平中，至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同。参考电压产生单元包含阻抗串，阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值。所述数据读取***具有大致为线性的转换曲线。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种模拟输入信号处理方法。该方法包含有提供由阻抗串所产生的多个参考电压电平，依电压电平排列成一链(chain)，其中至少两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值，接着比较模拟输入信号与参考电压电平以产生比较结果。然后对比较结果进行编码以产生数字信号。其中，所述数字信号与所述模拟输入信号之间的转换曲线大致为线性。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种将模拟信号转换成数字信号的方法。该方法包含有提供非线性的数值转换特性，存取储存装置以产生模拟输入信号，根据该非线性的数值转换特性将模拟输入信号转换成输出信号，以及将输出信号转换成数字信号。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种模数转换器，包含有用来产生多个参考电压电平的参考电压单元，以及用来比较参考电压电平以及模拟输入信号以产生多个比较结果的多个比较器，其中至少两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，参考电压单元包含阻抗串，阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值。所述模数转换器具有大致为线性的转换曲线。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种读取数据的方法。该方法包含有提供由阻抗串所产生的多个参考电压电平，依电压电平排列成一链，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同以定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于第二转换分辨率的第二区间，其中第二转换分辨率不同于第一转换分辨率，阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值；通过存取储存装置来产生模拟输入信号；调整模拟输入信号以使模拟输入信号的至少一部分落入第一区间或第二区间内；比较模拟输入信号以及多个参考电压电平以产生多个比较结果，以及根据多个比较结果产生数字信号，其中所述数字信号与所述模拟输入信号具有大致为线性的关系。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种具有非线性分辨率的模数转换***，包含有非线性转换电路与模数转换器。非线性转换电路具有非线性的数值转换特性，用来将模拟输入信号转换成输出信号，其中模拟输入信号是通过存取储存装置所产生。模数转换器，耦接于非线性转换电路，用来将非线性转换电路的输出信号转换成数字信号。
根据本发明的另一实施方式，其提供一种数据读取***，通过读取头从光盘读取数据，所述数据读取***包含有：参考电压单元，用来产生多个参考电压电平，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，其中，参考电压单元为电阻链，电阻链包含具有不同电阻值的电阻，电阻链中位于中心部分的电阻的阻抗值小于电阻链中位于外侧部分的电阻的阻抗值；多个比较器，用来比较多个参考电压电平以及读取头所输出的模拟输入信号以产生多个比较结果；以及编码模块，用来将多个比较结果编码成数字信号，其中所述数据信号与所述模拟输入信号具有大致为线性的转换关系。其中，电阻链的不同电阻值用于使能编码模块，以便对读取的数据中的第一区间以第一转换分辨率将多个比较结果转换为数字信号，以及对读取的所述数据中的第二区间以第二转换分辨率将多个比较结果转换为数字信号。
上述模数转换器、具有非线性分辨率的模数转换***、数据读取***、处理模拟输入信号的方法、将模拟信号转换成数字信号的方法及数据读取方法通过比较参考电压电平与模拟输入信号，将模拟输入信号中载有较多信息的区间用较高分辨率量化，从而达到了使模数转换电路具备高正确性、高速度但维持小面积及低成本的效果。
附图说明
图1为本发明数据读取***的一实施方式的示意图。
图2为图1所示的模数转换器的一实施方式的示意图。
图3为本发明具有非线性分辨率的7位模数转换器的转换函数的一实施方式示意图。
图4显示具有以及不具有非线性量化特性的7位模数转换器的输出码的一实施方式。
图5显示信号调整前后的模数转换器的输入范围。
图6为本发明从储存装置读取数据的一实施方式的流程图。
图7为本发明数据读取***的另一实施方式的示意图。
图8为本发明从储存装置读取数据的另一实施方式的流程图。
具体实施方式
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请同时参考图1以及图2，图1为本发明数据读取***10的一实施方式的示意图，而图2为图1中模数转换器(analog-to-digital converter)18的一实施方式的示意图。数据读取***10包含有读取头12、信号调整电路14、转换电路16、非线性分辨率的模数转换器18，以及处理器20。其中模数转换器18如图2所示，包含有参考电压单元183、多个比较器182，以及耦接于各比较器182的输出端185的编码模块184。参考电压单元183产生多个参考电压电平。在本实施方式中，参考电压单元183以包含有串接在第一参考电压电平V1及第二参考电压电平V2之间的多个电阻的参考电压产生电路(referenceladder)来实作。然而在其它实施方式中，参考电压单元183也可采用电阻以外的组件实作，例如以电容以及电阻来形成参考电压单元183。每个比较器182均包含用来自转换电路16接收模拟输入信号的输入端186、用来接收参考电压的参考端187，以及用来输出模拟输入信号与参考电压的比较结果的输出端185。多个电阻分别耦接至比较器182的参考端187以产生不同的参考电压，且上述多个电阻的阻抗值并不完全相同，因此可定义出至少一第一区间，对应于第一转换分辨率，以及第二区间，对应于与第一转换分辨率不同的第二转换分辨率。编码模块184则根据比较器182的比较结果来产生数字信号。
模数转换器18中电阻链(resistor chain)的设计规则是要让模拟输入信号中载有较多信息的区间在量化时可以具有较高的分辨率，或载有较少信息的区间在量化时具有较低的分辨率。当数据读取***10是光驱时，其检测输入信号的过零点(zero-crossing point)以输出二阶(2-level)信号，因此，过零点附近的分辨率应较高，此时电阻链设计成中心部分的电阻值小于外侧部分的电阻值，以在过零点附近提供较小的量化等级（quantization level）并在远离过零点的外部区间提供较大的量化等级，如图3所示(图3显示本实施方式的具有非线性分辨率的7位模数转换器的转换函数)，输入与输出的转换关系大致为线性。而图2中的n1及n2表示电阻的倍率大小，其中n1及n2的值与电阻值等于n1R或n2R的电阻数目依***的设计需求而定。
如此一来，外部区间的比较器182数目得以减少，因此数据读取***10的比较器182总数可以变少，举例来说，7位的模数转换器只需要少于127个比较器就可以产生7位的数字输出。编码模块184基本上与现有技术编码器的运作相同，差别在于编码模块184的一些输入端可能耦接于同一个比较器182，这是由于比较器的数量减少了。比较器182与编码模块184间较佳的耦接方式是将编码模块184的在先前技术中耦接于被省略的比较器的输入端，耦接至被省略的比较器附近的比较器。由于编码模块184的内部电路并没有更动，编码模块184的输出码的位长度仍然是7位，但输出码的种类少于127，与比较器182的数目有关。图4即表列出不具有以及具有非线性量化特性的7位模数转换器的输出码的一实施方式。
请参考图5，图5显示信号调整前后的模数转换器的输入范围。由于储存装置(例如光驱)的特性各有不同，读取头12存取储存装置所读出的模拟输入信号(图中所示的虚线)可能不对称，亦即模拟输入信号的过零点可能不落在信号的中央区域，故过零点可能不落在模数转换器18预设的高分辨率区间。当此情况发生时，图1中的信号调整电路14可调整模拟输入信号的增益(gain)或偏移量(offset)，以令模拟输入信号的过零点落入预设的高分辨率区间内，如图5中的实线所示。
此外，在一实施方式中，转换电路16为具有对数(log)数值转换特性的对数滤波器(log filter)，用来放大信号调整电路14的输出以特别放大模拟输入信号过零点附近的范围，如此一来，模数转换器18的量化结果可以更为精确。请注意，转换电路16并不是数据读取***10的必要组件，也就是说，即使省略转换电路16，数据读取***10仍可因模数转换器18而具有非线性的分辨率。
在模拟信号经模数转换器18转换成数字信号后，处理器20，例如数字信号处理器(digital signal processor)，接着处理数字信号以从数字信号中解码出数据，并控制信号调整电路14及转换电路16来根据数字信号的处理结果调整模拟输入信号。此外，处理器20更根据数字信号的处理结果来调整模数转换器18的采样时钟，使数字转换器18的采样时钟与解码数据同步。
图6为上述实施方式从储存装置中读取出数据的方法的流程图，包含有以下步骤：
步骤602：提供多个参考电压电平，依电压电平排列成一链，其中相邻的参考电压电平间的电压差并非完全相同，因此可定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于与第一转换分辨率不同的第二转换分辨率的第二区间。
步骤604：存取储存装置以产生模拟输入信号。
步骤606：调整模拟输入信号的增益或偏移量以使模拟输入信号的至少一部分落入第一区间或第二区间中。
步骤608：以具有非线性数值转换特性的转换电路放大模拟输入信号。
步骤610：比较模拟输入信号与多个参考电压电平以产生多个比较结果。
步骤612：根据多个比较结果产生数字信号。
步骤614：处理数字信号，并根据数字信号的处理结果控制步骤606以调整模拟输入信号。
由于本领域的技术人员可在阅读完上述揭示后了解图6所示的操作步骤，故详细说明便在此省略，不再赘述。
图7为本发明数据读取***70的另一实施方式的示意图。如图7所示，具有非线性分辨率的数据读取***70包含读取头71、信号调整电路72、模数转换***74，以及处理器76，其中模数转换***74包含有具有非线性数值转换特性的非线性转换电路742以及快闪式模数转换器744。读取头71、信号调整电路72、模数转换***74中的非线性转换电路742以及处理器76实质上分别等同于图1中的读取头12、信号调整电路14、转换电路16以及处理器20。数据读取***10与数据读取***70间的主要差异在于，数据读取***10中的模数转换器以现有技术的快闪式模数转换器744取代，而非线性转换电路742为数据读取***70的必要组件。由于非线性转换电路742具有非线性的数值转换特性，例如非线性转换电路742以对数滤波器来加以实作，因此可定义出至少一对应于第一斜率的第一输入范围，以及对应于与第一斜率不同的第二斜率的第二输入范围，而模拟信号中载有大部分信息的范围在经过信号调整电路72的调整后落入第一及第二输入范围中具有较大斜率的输入范围中而被放大，故快闪式模数转换器744的量化动作可视为非线性的量化，模数转换***74的准确度因此获得提升。
举例来说，当数据读取***70为光驱时，模拟输入信号通过存取光盘而被读取，而非线性转换电路742设计成具有对数(log)函数的数值转换特性以放大模拟输入信号在过零点附近的区间。虽然现有技术快闪式模数转换器744的量化等级都一样，但由于过零点附近的区间先经非线性转换电路742放大，所以此区间的量化结果会较其它区间更为灵敏，而后续处理器76的解码结果会更加准确。
图8为上述实施方式从储存装置中读取出数据的方法的流程图，包含有以下步骤：
步骤802：提供非线性的数值转换特性以定义出至少一对应于第一斜率的第一输入范围，以及对应于与第一斜率不同的第二斜率的第二输入范围。
步骤804：存取储存装置以产生模拟输入信号。
步骤806：调整模拟输入信号的增益或偏移量以使模拟输入信号的至少一部分落入第一输入范围或第二输入范围中。
步骤808：根据该非线性数值转换特性放大模拟输入信号以产生输出信号。
步骤810：将输出信号转换成数字信号。
步骤812：处理数字信号，并根据数字信号的处理结果控制步骤806以调整模拟输入信号。
由于本领域的技术人员可在阅读完上述揭示后了解图8所示的操作步骤，故详细说明便在此省略，不再赘述。
综上所述，本发明利用模数转换的非线性量化特性使数据读取***可在维持，甚至是增进效能的同时减少所需的比较器数目，由于数据读取***的电路尺寸(芯片尺寸)取决于比较器的面积大小，本发明可成功地降低***尺寸以及比较器的功率消耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (23)

1.一种模数转换器，其特征在于，所述模数转换器包含有： 
参考电压单元，包含有阻抗串，所述参考电压单元用来产生多个参考电压电平，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，所述阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于所述阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值； 
多个比较器，用来比较多个所述参考电压电平以及模拟输入信号以产生多个比较结果；以及 
编码模块，耦接于多个所述比较器，用来根据多个比较器的比较结果产生数字信号； 
其中，所述模数转换器具有大致为线性的转换曲线。 
2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器为N位的模数转换器，多个所述比较器的总数少于2N-1，且至少一比较器耦接至所述编码模块的多个输入端。 
3.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，多个所述参考电压电平中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，用以定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于第二转换分辨率的第二区间，其中所述第二转换分辨率不同于所述第一转换分辨率。 
4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模拟输入信号是通过存取储存装置所产生。 
5.一种数据读取***，通过读取头从光盘读取数据，其特征在于，所述数据读取***包含有： 
参考电压单元，包含有阻抗串，所述参考电压单元用来产生多个参考电压电平，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，所述阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于所述阻抗串中位于外侧部分的阻抗 组件的阻抗值； 
多个比较器，用来比较多个所述参考电压电平以及所述读取头所输出的模拟输入信号以产生多个比较结果；以及 
编码模块，用来将多个所述比较结果编码成数字信号； 
其中，所述数据读取***具有大致为线性的转换曲线。 
6.如权利要求5所述的数据读取***，其特征在于，至少一比较器耦接至所述编码模块的多个输入端。 
7.如权利要求5所述的数据读取***，其特征在于，多个所述参考电压电平中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，用以定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于第二转换分辨率的第二区间，其中所述第二转换分辨率不同于所述第一转换分辨率。 
8.如权利要求5所述的数据读取***，其特征在于，还包含有： 
滤波器，耦接于所述读取头与多个所述比较器之间，所述滤波器具有非线性的数值转换特性，用来将所述模拟输入信号转换成输出信号； 
其中多个所述比较器根据所述滤波器的输出信号来产生多个所述比较结果。 
9.一种处理模拟输入信号的方法，其特征在于，所述方法包含有： 
提供多个参考电压电平，所述多个参考电压电平由阻抗串所产生，并依电压电平排列成一链，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，所述阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于所述阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值； 
将所述模拟输入信号与多个所述参考电压电平比较以产生多个比较结果；以及 
对多个所述比较结果进行编码以产生数字信号； 
其中，所述数字信号与所述模拟输入信号之间的转换曲线大致为线性。 
10.如权利要求9所述的处理模拟输入信号的方法，其特征在于，位于所 述链中心部分的参考电压电平间的电压差小于位于所述链外侧部分的参考电压电平间的电压差。 
11.如权利要求9所述的处理模拟输入信号的方法，其特征在于，还包含有通过存取储存装置来产生所述模拟输入信号。 
12.如权利要求9所述的处理模拟输入信号的方法，其特征在于，多个所述参考电压电平中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，用以定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于第二转换分辨率的第二区间，其中所述第二转换分辨率不同于所述第一转换分辨率。 
13.一种读取数据的方法，其特征在于，所述方法包含有： 
提供多个参考电压电平，所述多个参考电压电平由阻抗串所产生，并依电压电平排列成一链，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，以定义出至少一对应于第一转换分辨率的第一区间，以及对应于第二转换分辨率的第二区间，其中所述第二转换分辨率不同于所述第一转换分辨率，所述阻抗串中位于中心部分的阻抗组件的阻抗值小于所述阻抗串中位于外侧部分的阻抗组件的阻抗值； 
通过存取储存装置来产生模拟输入信号； 
调整所述模拟输入信号以使所述模拟输入信号的至少一部分落入所述第一区间或第二区间内； 
比较所述模拟输入信号以及所述多个参考电压电平以产生多个比较结果；以及 
根据多个所述比较结果产生数字信号，其中所述数字信号与所述模拟输入信号具有大致为线性的关系。 
14.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，所述方法还包含有： 
处理所述数字信号，并根据处理所述数字信号的结果控制所述调整模拟输入信号的步骤。 
15.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，所述调整模拟输入信号的步骤包含有调整所述模拟输入信号的增益或偏移量以使所述模拟输入信号的部分落入所述第一区间或第二区间内。 
16.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，位于所述链中心部分的参考电压电平间的电压差小于位于所述链外侧部分的参考电压电平间的电压差。 
17.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，所述模拟输入信号的部分包含有所述模拟输入信号的多个过零点。 
18.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，所述储存装置为光盘。 
19.如权利要求13所述的读取数据的方法，其特征在于，还包含有： 
利用具有非线性数值转换特性的滤波器来放大所述模拟输入信号。 
20.如权利要求19所述的读取数据的方法，其特征在于，所述滤波器为对数滤波器。 
21.一种数据读取***，通过读取头从光盘读取数据，其特征在于，所述数据读取***包含有： 
参考电压单元，用来产生多个参考电压电平，其中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，其中，所述参考电压单元为电阻链，所述电阻链包含具有不同电阻值的电阻，所述电阻链中位于中心部分的电阻的阻抗值小于所述电阻链中位于外侧部分的电阻的阻抗值； 
多个比较器，用来比较多个所述参考电压电平以及所述读取头所输出的模拟输入信号以产生多个比较结果；以及 
编码模块，用来将多个所述比较结果编码成数字信号，其中所述数字信号与所述模拟输入信号具有大致为线性的转换关系； 
其中，所述电阻链的不同电阻值用于使能所述编码模块，以便对读取的所述数据中的第一区间以第一转换分辨率将多个所述比较结果转换为所述数 字信号，以及对读取的所述数据中的第二区间以第二转换分辨率将多个所述比较结果转换为所述数字信号。 
22.如权利要求21所述的数据读取***，其特征在于，所述第一区间载有的信息量大于所述第二区间载有的信息量，以及所述第一转换分辨率高于所述第二转换分辨率。 
23.如权利要求21所述的数据读取***，其特征在于，多个所述参考电压电平中至少有两个相邻参考电压电平间的电压差不相同，用以定义出至少一对应于所述第一转换分辨率的所述第一区间，以及对应于所述第二转换分辨率的所述第二区间，其中所述第二转换分辨率不同于所述第一转换分辨率。 
CN201110193035.8A 2007-04-11 2008-04-11 模数转换器、模数转换***、数据读取***及其相关方法 Active CN102324938B (zh)

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