TWI410052B - 具有放大功能之類比數位訊號轉換器 - Google Patents

Description

具有放大功能之類比數位訊號轉換器

本發明係關於一種類比數位訊號轉換器，尤其是關於一種具有訊號放大功能之類比數位訊號轉換器。

由於人類之生理訊號為類比訊號，此訊號無法藉由處理器分析，因此需要將此類比訊號轉換成處理器所接受的數位訊號，如此才能藉由處理器將人類的的生理訊號加以分析。

訊號轉換的傳統式做法為經過一類比數位訊號轉換器，將類比訊號轉換成數位訊號，但是人類的生理訊號非常之微弱，而且一般的轉換器設計並不具有放大之功能(如中華民國專利編號：200726094及I231098)，因此需要外接一放大電路先將此訊號加以放大，再進行轉換。另外，類比數位訊號轉換器的精準度亦是設計重點，多數的設計都不會考慮元件數值誤差所造成的精準度問題，如此會造成精準度偏差的問題(如中華民國專利編號：I247487及200707915)。

因此，綜合上述有必要提供一種創新且較進步的發明，若能將放大電路與訊號轉換電路積體化而不需外接放大電路，並且針對電容電路加以設計，以將數值誤差修正而得到 更高的精準度。此為本發明設計創新之重點。

本發明目的之一在提供一種具有放大功能之類比數位轉換器，其包括一儀表放大器及一訊號轉換電路，藉由將放大器與訊號轉電路積體化，輸入類比訊號可經由內部之放大器將類比訊號放大，再將放大之訊號送至訊號轉換電路進行轉換之動作。

本發明之另一目的在提供一種具有放大功能之類比數位轉換器中之一種類比數位訊號轉換電路之數值校正設計。由於此類比數位訊號轉換電路是使用電容電荷充、放電架構，因此電容會造成數值上的誤差而造成精準度下降。因此本設計中，透過演算法之計算，然後將此演算法計算之後的結果用硬體電路加以實現，如此可修正電容數值所造成的誤差。

為達到上述目的，本發明所提供之具有放大功能之類比數位轉換器中之該訊號轉換系統架構又包含：一儀表放大電路、一取樣持電路、一類比訊號比較電路、一數位訊號控制電路、一開關陣列、一電容電荷式數位類比轉換器及一電容數值校正電路，其中該儀表放大電路將類比訊號放 大，再將訊號輸入至訊號轉換電路。

參考圖1所示，本發明之具有放大功能之類比數位訊號轉換系統最佳實施例包含：一儀表放大器(IA,Instrumentation Amplifier)10與一訊號轉換器11。該儀表放大器10之架構係由運算放大器所組成，為一簡單之放大器，其放大電路之放大倍率可由調整外部電阻來決定其數值之大小，因此該儀表放大器(IA)10可將微小信號加以放大。又，該類比數位訊號轉換器11係用來將放大之後之類比訊號轉換成處理器所能處理的數位訊號

圖2為本發明類比數位訊號轉換系統11之較佳實施例。如圖2所示，該訊號轉換器11又包含：一取樣保持電路111、一類比訊號比較器112、一數位訊號控制器113、一開關陣列110、一電容電荷式數位類比轉換器114及一電容數值校正電路115。該取樣保持電路111能將輸入訊號進行過濾以獲得較正確的訊號。該類比訊號比較器112，能將放大之後的輸入訊號與回授訊號進行比較，以獲得數位訊號控制器的控制訊號。該數位訊號控制器113，能得到轉換器十 位元數位碼的輸出。該開關陣列110，能防止訊號衰減。該電容電荷式數位類比轉換器114，能將回授的數位訊號轉換成類比訊號，並且與輸入訊號進行比較。而該電容數值校正電路115，能將電容數值進行自我校正，以獲得較為精確的數值。該電容電荷式數位類比轉換器又包含十一組電容，能藉由電容充電放電之特性，將數位訊號轉換成類比訊號

參考圖3所示，該取樣保持電路111又包含：一第一訊號取樣電容116、一第一運算放大器117、一第二訊號保持電容118及一第二運算放大器119。該第一訊號取樣電容116和該第二訊號保持電容118能將訊號進行取樣保持之動作；而該第一運算放大器117和第二運算放大器119具有訊號緩衝之功能。且該兩組取樣電容116、118與該兩組運算放大器117、119可交換進行取樣與保持之動作。

再如參考圖3所示，該取樣保持電路(Sampling and Holding Circuit)111用來接收時脈訊號401，當正半週來臨時，第一訊號取樣電容116及第一運算放大器117進行取樣動作，而第二訊號取樣電容118及第二運算放大器119則進行保持動作；反之，當時脈訊號401的負半週來臨時，第一訊號取樣電容116及第一運算放大器117進行保持動作，而 第二訊號取樣電容118及第二運算放大器119則進行取樣動作，如此反覆運作即可達成雙取樣的功能。

參考圖4所示，該類比訊號比較器112能將放大後的類比訊號與回授訊號進行比較，而獲得數位訊號控制器113的控制訊號。該類比訊號比較器112又包含：一偏壓電路301及一差動對比較器主電路302。經由該偏壓電路301供給該差動對比較器主電路302一穩定的偏壓值，若此偏壓值不穩定則會造成該差動對比較器主電路302的錯誤動作。該差動對比較器主電路302能接收偏壓電路301之電壓，並將兩類比輸入訊號進行比較，以產生一數位控制訊號。若由該取樣保持電路111輸出的類比訊號值大於回授訊號402值，則類比訊號比較器112會輸出數位訊號0。而若由取樣保持電路111輸出的類比訊號值小於回授訊號402值，則類比訊號比較器112會輸出數位訊號1。準此，由類比訊號比較器所獲得的訊號可控制數位訊號控制器113的動作。

參考圖5所示，該數位訊號控制器113係能產生所需之數位訊號，此訊號並用來控制該開關陣列110以產生所需之訊號。該數位訊號控制器113又包含：一上層序向邏輯電路120及一下層序向邏輯電路121。該上層序向邏輯電路120 能產生控制訊號去控制下層序向邏輯電路；而該下層序向邏輯電路121能在接收控制訊號之後產生回授訊號與十位元數位碼。該數位訊號控制器113主要是由上層之位移暫存器120控制下層暫存器121。其控制器動作原理為一開始先經由上層序向邏輯電路120設定初始值，將最高位元(MSB,Most Significant Bit)設定為1，其它位元設定為0，亦即數值設定為二位元數值10000000000。如果類比訊號比較器112之輸出訊號為1，最高位元(MSB)將會被重設為0，並且保持到整個比較週期結束為止；反之，若類比訊號比較器112之輸出訊號為1，則最高位元(MSB)會繼續保持為1。其餘的位元以此類推，在第一個位元比較完成之後，再進行第二個位元的比較，一個時脈的時間決定一個位元的數值，一開始之最高位元(MSB)都先設為1，然後依類比訊號比較器112之輸出決定要保持1或改為0。

參考圖6所示，該電容數值校正電路115又包含：一校正電容201及一校正DAC電路(Digital/Analog Converter,數位/類比轉換器)202。經由演算法(Algorithm)能夠計算出電容校正值，亦即將電容電荷式數位類比轉換器的每一電容誤差值計算出來，再累加到輸出部份再進行充、放電，如此可 將電容電荷式數位類比轉換器的每一電容誤差值加以校正，以修正誤差值所造成的充、放電準位問題，俾確保其精準度。該校正DAC電路202能將校正碼轉換成類比電壓，再輸入至校正電容，如此可獲得精確的訊號。

訊號經由儀表放大器10放大之後，將此訊號輸入該取樣保持電路111，該取樣保持電路111會將此類比訊號進行過濾之動作，以獲得較準確之訊號，然後再將該訊號送至類比訊號比較器112。在比較出電壓值之後可獲得1與0之數位訊號，此數位訊號是用來控制數位訊號控制器113之動作。數位訊號控制器113之輸出結果再送至開關陣列110，此該開關陣列110是用來防止因訊號衰減而造成電容電荷式數位類比轉換器114之錯誤動作。在加入開關陣列110後，可將訊號維持在1.8V之準位，接著再將訊號送回至電容電荷式數位類比轉換器114，經由轉換之後，再與取樣保持電路111之輸出結果進行比較，之後將比較結果輸入至數位訊號控制器113，以此電路動作循環，經過十一個時脈頻率之後方能得到所需之十位元數位碼。

本發明具有低複雜度、低功率消耗、自我校正電路及訊號放大之優點，此轉換器系統非常適合應用在民生及醫療工 業使用上。

該較佳具體實施例僅為了易於說明本發明之技術內容，而並非將本發明狹義地限制於該實施例，凡依本發明之精神及以下申請專利內容所列之情況所做之種種變化實施均屬本發明之範圍。

10‧‧‧儀表放大器

11‧‧‧類比數位訊號轉換器

110‧‧‧開關陣列

111‧‧‧取樣保持電路

112‧‧‧類比訊號比較器

113‧‧‧數位訊號控制器

114‧‧‧電容電荷式數位類比轉換器

115‧‧‧電容數值校正電路

116‧‧‧第一取樣保持電容

117‧‧‧第一取樣保持運算放大器

118‧‧‧第二取樣保持電容

119‧‧‧第二取樣保持運算放大器

120‧‧‧上層序向邏輯電路

121‧‧‧下層序向邏輯電路

201‧‧‧校正電容

202‧‧‧校正DAC電路

301‧‧‧偏壓電路

302‧‧‧差動對比較器主電路

401‧‧‧時脈訊號

402‧‧‧回授訊號

圖1為本發明具有放大功能之類比數位訊換轉器示意圖；圖2為本發明類比數位訊號轉換器之架構示意圖；圖3為本發明取樣保持電路示意圖；圖4為本發明類比訊號比較器示意圖；圖5為本發明數位訊號控制器之架構示意圖；圖6為本發明電容數值校正電路示意圖；

10‧‧‧儀表放大電路

11‧‧‧類比數位轉換電路

Claims (5)

1. 一種具有放大功能之類比數位訊號轉換器，包含：一儀表放大器，用來將微小訊號加以放大；及一類比數位訊號轉換器，用來將放大之後之類比訊號轉換成處理器所能處理的數位訊號，該類比數位訊號轉換器，又包含：一取樣保持電路，用來將輸入訊號進行過濾以獲得較正確的訊號，該取樣保持電路又包含：兩組取樣保持電容，用來將訊號進行取樣保持之動作；及兩組運算放大器，以達到訊號緩衝功能；其中，該兩組取樣電容與該兩組運算放大器可交換進行取樣與保持之動作。一類比訊號比較器，用來將放大之後的輸入訊號與回授訊號進行比較，以獲得數位訊號控制器的控制訊號；一數位訊號控制器，用來得到轉換器十位元數位碼的輸出； 一開關陣列，用來防止訊號衰減；一電容電荷式數位類比轉換器，用來將回授的數位訊號轉換成類比訊號，並且與輸入訊號進行比較；及一電容數值校正電路，用來將電容數值進行自我校正，以獲得較為精確的數值。
2. 如申請專利範圍第2項所述之具有放大功能之類比數位訊號轉換器，其中該類比訊號比較器又包含：一偏壓電路，用來產生一穩定的電壓值；及一差動對比較器主電路，用來接收偏壓電路之電壓，並將兩類比輸入訊號進行比較，以產生一數位控制訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有放大功能之類比數位訊號轉換器，其中數位訊號控制器又包含：一下層序向邏輯電路，用來接收控制訊號之後產生回授訊號與十位元數位碼；及一上層序向邏輯電路，用來產生控制訊號去控制該下層序向邏輯電路。
4. 如申請專利範圍第2項所述之具有放大功能之類比數位訊 號轉換器，其中該電容電荷式數位類比轉換器又包含十一組電容，用來藉由電容充電放電之特性，將數位訊號轉換成類比訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具有放大功能之類比數位訊號轉換器，其中該電容數值校正電路又包含：一校正電容，將電容電荷式數位類比轉換器中的電容誤差值累加起來，再進行充電放電，可修正誤差值所造成的充、放電準位問題；及一校正DAC電路，用來將校正碼轉換成類比電壓，再輸入至校正電容，如此可獲得精確的訊號。