模拟数字转换的位元扩展系统技术方案

本实用新型专利技术是关于一种模拟数字转换的位元扩展系统，其主要以一信号放大模块将输入的模拟信号放大成多种增益倍率的模拟放大信号，并以一比较器比较各种增益倍率的模拟放大信号是否超过一预设的电压范围，而选择以增益倍率最大且未超过电压范围的模拟放大信号输入模拟数字转换器进行取样及量化为数字数据，再依据对应的增益倍率右移该数字数据；如此，不需调整放大器的增益倍率，避免产生噪声，且可免除取样、量化及电压等级的判断，而得以成本相较模拟数字转换器低很多的比较器来完成。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术关于一种模拟数字转换的位元扩展系统，尤指一种整体系统架构较精简且成本较低的模拟数字转换位元扩展系统。
技术介绍
中频信号(Intermediate frequency, IF)主要是指一信号源经过与本地震荡信号混波(mixing)后所产生，其主要是用来将该信号源升频或降频至特定的频率。在接收端接收后，必须将将接收的信号源采用降频的方式降至中频信号后，再进行信号分析工作。具有信息撷取功能的电子装置，如频谱分析仪等，在中频信号的传输过程中，多半会使用一个模拟数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)将模拟中频信号的电压转换为功率并加以量化后输出数字数据，而输入弦式(sinusoidal)波形的峰值电压对功率 的转换公式为P=20Xlog(V)+10 (此式是以相对50ohm系统而言，且V为峰值电压)，因此，输入电压值与模拟数字转换器量化出来的功率值会成对数(logarithm)关系，如图6所示，由图中的对数曲线中可看出，对数曲线的斜率随电压值减小而增加，因此电压值较小的信号，其相同的电压差值经过功率量化后，对应到的功率差值较大，如以下表格所示 —电压值(伏特)功率值(d‘厂 V=I~ 10V=2~ 16V= 3~ 19. 5 V=4P=22当电压值由I伏特升至2伏特时，功率值差为6dB;电压值由2伏特升至3伏特时，则功率差值为3. 5dB ;因此，若要降低由线性电压转换至对数轴的功率所产生的转换误差，最佳的方式就是在电压轴上做最细腻的量化，这意味着模拟数字转换器的位元数必须提高；另外，要尽量避免使用到电压项化后的最小几个值，因为由上表格可知，最小的几个电压值会造成较大的功率差值。因为模拟数字转换器输出数字数据的位元数受限于其取样频率的高低，现有的技术中，取样频率高到足够用于对中频信号取样量化的模拟数字转换器，最多只能输出12位元至16位元的数字数据，而且价格都相当昂贵。以16位元的模拟数字转换器来说，理论上可提供约16X6. 02 = 96. 32dB的动态范围(dynamic range,及最大可表式的数字与最小的可示的数字的范围)，对于一个设计满足IOOdB动态范围的频谱分析仪而言，此位元数目看似足够，但是对照前述所提及的，此96. 32dB的范围必须全部被使用，才能提供接近IOOdB的动态范围，所以必定会用到最小几个电压量化值，便会在该处产生较大的功率差异值，而我们可推算，若最大的功率转换误差设定为0. 22dB，则必须要一个有23位元的模拟数字转换器才可实现。故现在已提出一种模拟数字转换的位元扩展系统，其主要原理是将电压值小的模拟信号先放大再输入至模拟数字转换器中，如图6所示的四种不同倍率，再由模拟数字转换器取样量化，并依据放大倍率右移数字数据数个位元，以达到扩展位元，提高测量精密度。请参阅图7，美国专利号第5，844，512号专利技术专利(以下简称512专利)即为一例，该512专利是将一模拟信号以一可调整增益倍率的放大器81放大后输入至一模拟数字转换器82，再以一个设定有多个电压等级的峰值检测器831对放大前的模拟信号取样并量化后，再以一增益控制器832依据量化值所属的电压等级调整该放大器81的增益倍率；量化值等级低者，则增加放大器81的增益倍率，量化值等级高者，则减少放大器81的增益倍率，请配合参阅图8，峰值检测器831及增益控制器832于模拟信号取样点的量化值低于等级I (level I)的电压值时，将该放大器的增益倍率调整为8 (23)，当模拟信号取样点的量化值介于等级I与2之间时，则将该放大器的增益倍率调整为4 (22)，以此类推，并以一位元校正模块84将模拟数字转换器82输出的数字数据 依据其对应的模拟输入信号放大的倍率右移，如放大8倍者，位元校正模块84则将数字数据右移3位元，以测得位放大前的量化值；如此，由于数字数据最多可位移3位元，使得数字数据可用来表示量化值的总位元数，比实际上模拟数字转换器82输出的数字数据位元数多了 3位元，达到位元扩展而精化测量精准度的目的；但由于上述模拟数字转换的位元扩展系统需使用可调增益倍率的放大器81，而放大器81的增益倍率改变时，会产生噪声(如whisker-like noise)，因此会降低模拟数字转换器82的测量精准度。为此，美国专利第7，030，800号专利技术专利提出如图9所示的一种多通道式的模拟数字转换的位元扩展系统(以下简称800专利)，该800专利不使用可调增益倍率的放大器，而将模拟输入信号先经过多个固定增益倍率的放大器91后，分别输入多个具有相同解释度位元的模拟数字转换器92，再以一信息选择器93连接至一位元校正模块94该信息选择器93判断未发生溢位(over float)的模拟数字转换器92，再从中选择对应连接至放大倍率最高放大器91的模拟数字转换器92输出的数字数据，该位元校正模块94则依据被选中的模拟数字转换器92所对应的放大倍率对应之位元数，将数字数据位右移此数个位元数；如此即可不使用可调增益倍率的放大器，以免除调整增益倍率所造成的噪声，但此系统却需使用多个模拟数字转换器92，而模拟数字转换器92向来制作成本高昂，且有一定反应延迟时间，故当模拟数字转换器92发生溢位时，需等待一段反应时间后才能继续接收模拟信号，如此将会使输入信号漏失。又该800专利的另一种实施例如图10所示，其以多个不同增益倍率的放大器95放大一模拟信号，而以一模拟数字转换器96对放大前的模拟信号取样并量化，且以一开关控制器97依据模拟数字转换器96取样量化值所属的电压等级(以四种电压等级为例)，先切换一切换开关98将其中一个增益倍率的放大器98输出的放大模拟信号输入至另一个用来量化的模拟数字转换器99 ;由此，当该模拟信号的电压值较小时，该切换开关98即切换由放大倍率较大的模拟信号输入；当模拟信号电压值较大时，则切换由放大倍率较小的模拟信号输入，同样可避免使用可调增益倍率切换放大器者因调整增益倍率所造成的噪声，但由于此实施例仍需取样、量化并判断电压等级，故仍需使用至少二个模拟数字转换器96、99，整体系统架构亦不算精简，且成本无法更为缩减。再者，上述峰值检测暨增益控制器83、模拟数字转换器82、96、99及开关控制器97皆需的取样、量化，除了会使用来判断应放大倍率的取样点与用来输出数字数据的模拟数字转换器取样点不同以外，取样、量化并切换开关所需的时脉时间，更会使模拟信号输入峰值检测暨增益控制器83及模拟数字转换器82(或者800专利中两个模拟数字转换器96、99)的时间无法同步，使得延迟判断造成部分数字数据的位移数与实际取样值放大倍率不—致。除此之外，由于放大器有增益频宽比的限制，增益越高者，其频宽一般较低，而诸如先前提及，若要将精准度精确至O. 2 2dB者，需要23位元，而上述模拟数字转换的位元扩展系统则需使用29倍的放大器来扩展9位元，此增益倍率的放大器的频宽已不敷使用于中频信号，故上述模拟数字转换的位元扩展系统精确度受限。综上所述，早期的模拟数字转换的位元扩展系统会因设定放大器倍率造成噪声而影响测量精确度，而以多通道放大的方式改良模拟数字转换的位元扩展系统仍会因模拟数字转换器反应时间而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该位元扩展系统包含有：一信号放大模块，其具有一模拟信号输入端及多个不同增益倍率的模拟放大信号输出端；一频道切换开关，其具有多个输入端、一输出端及一用以切换频道切换开关的其中一输入端与输出端导通的切换控制端，且该频道切换开关的多个输入端分别与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端连接；一模拟数字转换器，其具有一输入端及一用以输出一数字数据的输出端，该模拟数字转换器的输入端与该频道切换开关的输出端连接；一可将数字数据右移多个位元数的位元校正模块，其与该模拟数字转换器的输出端连接；一频道选择器，其与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端及该频道切换开关的切换控制端连接，且具有用以比较该多个模拟放大信号输出端输出电压是否超过一电压范围的比较器，并具有一可切换最高增益倍率且电压不超过电压范围模拟放大信号输出端的控制端，及一可依据所选择增益倍率设定右移位元数的位移设定端，频道选择器的控制端是与模拟数字转换器的切换控制端连接，该位移设定端则与该未元校正模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该位元扩展系统包含有 一信号放大模块，其具有一模拟信号输入端及多个不同增益倍率的模拟放大信号输出端; 一频道切换开关，其具有多个输入端、一输出端及一用以切换频道切换开关的其中一输入端与输出端导通的切换控制端，且该频道切换开关的多个输入端分别与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端连接； 一模拟数字转换器，其具有一输入端及一用以输出一数字数据的输出端，该模拟数字转换器的输入端与该频道切换开关的输出端连接； 一可将数字数据右移多个位元数的位元校正模块，其与该模拟数字转换器的输出端连接； 一频道选择器，其与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端及该频道切换开关的切换控制端连接，且具有用以比较该多个模拟放大信号输出端输出电压是否超过一电压范围的比较器，并具有一可切换最高增益倍率且电压不超过电压范围模拟放大信号输出端的控制端，及一可依据所选择增益倍率设定右移位元数的位移设定端，频道选择器的控制端是与模拟数字转换器的切换控制端连接，该位移设定端则与该未元校正模块连接。2.根据权利要求I所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该信号放大模块包含有多个级固定增益倍率且串接的放大器，并以第一级放大器的输入端连接该模拟信号输入端，该多个模拟放大信号输出端则分别为多个放大器的输出端。3.根据权利要求I或2所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该模拟数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志芳，
申请(专利权)人：固纬电子实业股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：