执行模数转换的方法技术

本发明专利技术描述了一种使用包括反馈数模转换布置(12、120)的西格玛‑德尔塔调制器(1)对范围(R1)内的输入信号(Pin)执行模数转换的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述输入信号(Pin)的幅度估计(E1、E2、E3、E4)；基于所述幅度估计(E1、E2、E3)来定义随后的子范围(R2、R3、R4)；并且基于所述随后的子范围(R2、R3、R4)来调节反馈数模转换布置(12、120)的操作参数；其中，方法步骤被重复预定义迭代次数(N)。本发明专利技术还描述了用于监测模拟输入信号(Pin)的西格玛‑德尔塔调制器(1)、模数转换器(50)和监测设备(5)。

The method of executing analog - to - number conversion

The present invention describes a method for performing analog conversion of an input signal (Pin) in a range (R1) with a sigma delta modulator (1) including feedback digital analog conversion (12, 120), and the method includes the following steps: obtaining the amplitude estimation of the input signal (Pin) (E1, E2, E3, E4); based on the amplitude estimation (E1). The subsequent subranges (R2, R3, R4) are defined, and the subsequent subranges (R2, R3, R4) are used to regulate the operating parameters of the feedback digital mode conversion arrangement (12, 120), in which the method steps are repeatedly predefined for the number of iterations (N). The invention also describes a sigma delta modulator (1), an analog to digital converter (50) and a monitoring device (5) for monitoring the analog input signal (Pin).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】执行模数转换的方法
本专利技术描述了一种执行模数转换的方法。本专利技术还描述了用于执行模数转换的西格玛-德尔塔调制器、模数转换器和设备。
技术介绍
模数转换器(ADC)的动态范围是在输入处应用的最大信号与最小可检测值的比率。ADC的分辨率指代其最小可分辨的输入步或最小可检测值，所述最小可检测值由量化噪声确定。大动态范围上的高分辨率是昂贵的，因为其需要具有大有效位数(ENOB)的ADC。例如，当在输入电压信号上执行模数转换时，9位ADC可以足以分辨10毫伏范围内的15.0μV的电压。然而，在1伏特范围内获得相同分辨率将需要16位ADC。ADC的每个额外的位增加总体成本和功耗，并且降低转换速度。一些种类的ADC使用德尔塔-西格玛(ΔΣ)或者西格玛-德尔塔(ΣΔ)调制器(SDM)来对模拟输入进行采样并且将样本转换为数字位流输出，所述数字位流输出然后可以例如由抽取滤波器处理以获得数字输出值。西格玛-德尔塔ADC并入具有数模转换器(DAC)的反馈回路，其在输出位流上执行数模转换并且从模拟输入信号减去模拟反馈信号。SDM有效地操作以使输入与输出之间的差异最小化。在其前向路径中，SDM使用有源回路滤波器，所述有源回路滤波器提供所需要的输入灵敏度和信噪比，并且对来自所需要的信号带的简单比较器(常常仅1位比较器)的量化噪声进行整形。由于其有利地高分辨率和准确度和相对低的成本，因而SDM非常适于仪表化和低频率感测或者DC(直流)感测。使用SDM的应用可以是医学感测和成像中所需要的类型的模拟和混合信号前端，例如，在电流分析和芯片实验室实施方式中，针对其感兴趣的模拟信号主要地是DC或者非常缓慢地变化。芯片实验室(LOC)或者微全分析系统(μTAS)是包括在其中一个或多个实验室功能被实现的集成电路的设备。通常，传感器将模拟信号输入提供到设备，所述设备必须首先执行模数转换以便能够处理信息。需要准确的转换以便执行准确的分析。SDM在观察到有限数目的时钟样本上的输入之后将输入信号幅度编码为输出位流。样本的数目(常常被称为观察区间)确定每个模数转换步骤的持续时间，并且转化为每个转换实例的所需要的时间和功耗。相关的设计方面是过采样率(OSR)，即，输入信号频率与采样频率的比率。高OSR与较高并且因此更有利的信号-量化噪声比率相关联。然而，对于具有固定滤波器阶、时钟速度和量化器分辨率的SDMADC而言，量化噪声直接地确定可以分辨的最小输入信号，即，大的输入信号范围与反馈回路中的相对高水平的量化噪声相关联。因此，为了维持特定分辨率，增加输入信号范围需要增加ADC的分辨率。如果ADC的分辨率是固定的(例如，通过其特定有效位数(ENOB))，则较大的信号输入范围将导致较低的转换准确度。在已知类型的SDMADC-针对其准确度主要地由量化噪声确定-中编码的准确度可以通过延伸观察区间(即，以增加时钟周期的数目)来改进。备选地，高阶模拟滤波器可以被实施在SDM中，从而允许观察区间被缩短。使滤波器阶上升减少需要被取得的样本的数目以便实现期望的准确度，但是高阶滤波器具有较低的最大稳定幅度并且由于增加数目的操作放大器还消耗更多功率。改进处的其他尝试是已知的，例如使用具有使用连续近似阶段的第一粗略转换步骤和使用增量SDM阶段的第二精细转换步骤的两步方法。然而，这样的ADC建造昂贵并且还不利地具有高能耗。因此，本专利技术的目的是提供一种克服上文所概述的问题的经改进的增量西格玛-德尔塔调制器。
技术实现思路
本专利技术的目的通过根据权利要求1所述的执行模数转换的方法；通过根据权利要求9所述的西格玛-德尔塔调制器；通过根据权利要求14所述的模数转换器；并且通过根据权利要求15所述的监测设备实现。根据本专利技术，对输入信号范围内的输入信号执行模数转换的方法-使用西格玛-德尔塔调制器-包括以下步骤：获得所述模拟输入信号的数字幅度估计；并且然后通过基于幅度估计定义较窄的子范围来调节SDM的动态范围；并且基于定义的子范围来调节SDM反馈数模转换器的操作参数。针对预定义迭代次数重复方法步骤。最后或者最终幅度估计可以随后地被转换为非常准确的数字输出。优选地，执行至少三次迭代，使得初始粗略估计被获得，之后在获得最终的准确估计之前存在至少一个进一步细化(但是仍然相对地粗略)。所获得的粗略估计的总数可以取决于所述应用。通常，当较高的转换准确度是期望的时，较高数目的粗略估计可以是适合的。此处，所述输入信号是要被转换为数字位流的瞬时模拟信号。优选地，所述模拟输入信号来源于输出电流(安培)或者电荷(库仑)作为所观察的数量的量度的感测设备。所述“输入信号范围”可以被理解为初始下限与初始上限之间的输入处的非过载幅度的范围。取决于某些因素(诸如采样时钟速率、滤波器阶等)，SDM可以在几毫秒或者甚至微妙内将模拟输入信号转换为数字位流。专利技术方法建立所述模拟输入的初始粗略估计并且通过逐渐地调节或者配置所述反馈DAC的操作参数以“缩放到”所述估计的邻域中来迭代地细化所述估计。这通过调整所述SDM的所述动态范围在根据本专利技术的方法中实现。在每次迭代中，所述SDM在基于最新估计被配置之前有效地重置。在根据本专利技术的方法中，子范围的上限和下限基本上独立于先前范围的边界(即，子范围的中点不需要符合先前范围的中点)。基于每次迭代中的所识别的子范围调节所述反馈DAC的操作参数的步骤在以下中被称为自适应动态范围缩放或者“动态范围调节”。在专利技术方法中的迭代步骤期间，“输入信号范围”可以因此被理解为所述瞬时或者当前动态范围处的非过载幅度的范围。根据本专利技术的方法的优点在于，在不必在高阶输入滤波器上或者在较高的时钟速率上扩展额外能量的情况下，实现有利地高转换准确度，即，在不增加转换时间或者能量要求的情况下，实现较高的准确度。根据本专利技术的方法特别地适于主要地DC或者仅缓慢地变化的模拟信号的转换，并且可以同样地被用于测量AC信号。根据本专利技术的方法的另一优点在于，有利地低量化噪声基底可以通过将所述动态范围调节到所述输入值附近来实现。根据本专利技术，所述西格玛-德尔塔调制器包括：前向路径，其包括有源回路滤波器，以及量化器，其用于获得输入范围内的输入信号的幅度估计；以及反馈布置，其包括数模转换器和范围调节模块，所述范围调节模块被实现为基于所述幅度估计来调节所述西格玛-德尔塔调制器的动态范围。在专利技术性西格玛-德尔塔调制器中，所述反馈数模转换器基本上是可编程的DAC，其可以被设置以在特定范围上执行数模转换，并且该范围以关于在所估计的模拟输入上“放大”的这样的方式在每次迭代处被新定义，使得所述估计利用每次迭代细化。所述反馈DAC的输入是先前地获得的估计，并且反馈DAC的所述输出从所述模拟输入信号被减去。所述SDM的目标是使该差异最小化。专利技术性SDM的优点在于，其可以在相对大的输入范围上实现有利地高有效分辨率并且可以利用有利地经济的低阶滤波器和相对低的采样时钟速率这样做，即，在有利地短时间内获得高分辨率或准确的最终估计。根据本专利技术，用于对输入信号执行模数转换的模数转换器包括这样的西格玛-德尔塔调制器。因此，专利技术性ADC可以以非常节能的方式实现，并且可以实现比实施可比较的现有技术西格玛-德尔塔调制器的现有技术ADC更高效的分辨率和/或更快的转换速率。专利技术性ADC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用包括反馈数模转换布置(12、120)的西格玛‑德尔塔调制器(1)对范围(R1)内的输入信号(Pin)执行模数转换的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述输入信号(Pin)的幅度估计(E1、E2、E3、E4)；基于所述幅度估计(E1、E2、E3)来定义随后的子范围(R2、R3、R4)；基于所述随后的子范围(R2、R3、R4)来调节所述反馈数模转换布置(12、120)的操作参数；其中，所述方法步骤被重复预定义迭代次数(N)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.15 EP 15185239.91.一种使用包括反馈数模转换布置(12、120)的西格玛-德尔塔调制器(1)对范围(R1)内的输入信号(Pin)执行模数转换的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述输入信号(Pin)的幅度估计(E1、E2、E3、E4)；基于所述幅度估计(E1、E2、E3)来定义随后的子范围(R2、R3、R4)；基于所述随后的子范围(R2、R3、R4)来调节所述反馈数模转换布置(12、120)的操作参数；其中，所述方法步骤被重复预定义迭代次数(N)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，非最终幅度估计(E1、E2、E3)是以低准确度水平获得的。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，非最终幅度估计(E1、E2、E3)是以相对于所述调制器(1)的滤波器阶为低的过采样率获得的。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，最终幅度估计(E4)是以高准确度水平获得的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述反馈数模转换布置(12、120)包括非对称操作的数模转换器(12)，并且调节所述反馈数模转换布置(12、120)的操作参数的步骤包括调节所述数模转换器(12)的增益和/或偏移。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，定义随后的子范围(R2、R3、R4)的步骤包括将先前范围(R1、R2、R3)划分为多个区间(M11、M12、……、M42)并且选择包含先前幅度估计(E1、E2、E3)的区间(M12、M21、M32、M41)。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述先前范围(R1、R2、R3、R)被划分为...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·F·乌祖诺夫，K·波尔，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL