CN102882494A - 无信号反馈使用双比较器的精确信号调整方法及定时*** - Google Patents

无信号反馈使用双比较器的精确信号调整方法及定时*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于信号调整和定时电路(10)的方法和相关装置。生成可变幅度输入信号(12)。确定上限阈值电平以及确定下限阈值电平。可变幅度输入信号(12)和上限阈值电平被输入至第一比较器(22)中。可变幅度输入信号(12)和下限阈值电平被输入至第二比较器(42)中。使用迟滞电路在第一比较器(22)中生成第一数字输出信号(23)以及使用迟滞电路在第二比较器(42)中生成第二数字输出信号(43)。第一数字输出信号(23)和第二数字输出信号(43)被输入至逻辑阵列(64)中。数字电平脉冲输出信号(70)在逻辑阵列(64)中生成，在可变幅度输入信号(12)经过阈值电平处发生数字转换。

Description

无信号反馈使用双比较器的精确信号调整方法及定时***
技术领域
本发明涉及比较器电路，以及更具体地，涉及一种使用两个比较器分别比较可变幅度的输入信号与上限阈值和下限阈值的方法和相关电路。
背景技术
在许多电子电路中，期望在所需的信号处理操作之前将模拟传感器输出从模拟信号转换成数字信号。一种将模拟信号转换成数字信号的现有技术解决方案是通过使用比较器来逻辑地比较模拟信号输入与例如额定预期阈值的另一输入信号的电特性。这个电特性可以是电压、电流或类似物。当模拟信号输入的电特性值越过阈值，则比较器的输出转换。
有时，背景噪声被叠加在模拟信号输入。这个叠加会在模拟信号输入上产生各种不想要的幅度变化。背景噪声会给模拟信号输入幅度增加的峰和谷。当这些幅度变动经过比较器，这些变动能够频繁地来回经过阈值电平。这个越过阈值的频繁的幅度转换也将会在比较器输出信号中生成频繁的转换并且通常被称作跳动。这种跳动属性通常是不想要的，以及反馈电路有时被用来控制跳动。
为了消除某种程度的跳动，比较器可以使用迟滞(hysteresis)以限制模拟信号输入有效地越过阈值的次数。选择除了上限阈值和下限阈值外的额定阈值。额定阈值代表比较器的预期输出将要改变之处的幅度。上限阈值高于额定阈值，并且比较器的信号不发生改变直到模拟信号输入越过上限阈值。类似地，比较器输出不会再次改变直到模拟信号输入下降到低于下限阈值，该下限阈值低于额定阈值。因此，比较器的迟滞被用来消除由在模拟信号输入上叠加的噪声电平创建的比较器输出的杂散切换(spurious switch)。上限阈值和下限阈值被选择用于在维持关于模拟输入信号越过额定阈值处的准确的比较器输出的同时使跳动最小化。
典型的反馈电路使用迟滞的这种应用和单个比较器来估算何时模拟信号输入越过上限阈值电平和下限阈值电平。在模拟信号输入越过上限阈值后，反馈电路将切换比较器以使用下限阈值。但是，在某些情况下，模拟信号输入可以最初越过上限阈值然后在迟滞能够切换至下限阈值前向下越过上限阈值。这种情况生成快速波动形式的杂散比较器输出，或跳动。跳动将会妨碍在后续电路部件中发生的信号处理。此外，这种使用反馈电路的典型解决方案可能会有传播延迟，其将在结果输出波形中生成不想要的相位移动。
因此，需要对方法和电路进行改进。
发明内容
为了提供本发明的某些示例方面的基本了解，下面提出本发明的简化概要。这个概要不是本发明的广泛概述。此外，这个概要不是为了标识本发明的关键单元也不是为了描述本发明的范围。本概要的唯一目的是为了以简化的形式提出本发明的某些概念，作为将在之后提出的更加详细的描述的序言。
根据一方面，本发明提供了一种电子信号调整(electronic signal rectification)的方法。该方法包括生成可变幅度输入信号、确定上限阈值电平以及确定下限阈值电平。该方法包括将可变幅度输入信号和上限阈值电平输入至第一比较器中。该方法包括将可变幅度输入信号和下限阈值电平输入至第二比较器中。该方法包括使用迟滞电路在第一比较器生成中第一数字输出信号以及使用迟滞电路在第二比较器中生成第二数字输出信号。该方法包括将第一数字输出信号和第二数字输出信号输入至逻辑阵列中。该方法包括在逻辑阵列中生成数字电平脉冲输出信号，其在可变幅度输入信号经过阈值电平处发生数字转换。
根据另一方面，本发明提供信号调整和定时电路，用于接收可变幅度输入信号以及生成数字电平脉冲输出信号，其在可变幅度输入信号经过阈值电平时转换。该调整和定时电路包括第一比较器，用于比较可变幅度输入信号与所确定的上限阈值信号并生成指示该比较的第一数字输出信号。该电路包括耦合至第一比较器的迟滞电路。该电路包括第二比较器，用于比较可变幅度输入信号与所确定的下限阈值信号并生成指示该比较的第二数字输出信号。该电路包括耦合至第二比较器的迟滞电路。该电路包括逻辑阵列，用于接收第一数字输出信号和第二数字输出信号，以及生成在可变幅度输入信号经过阈值电平时发生转换的数字电平脉冲输出信号。
附图说明
通过参照附图阅读下面的描述，本发明所涉及的领域的技术人员很容易理解本发明的前述和其它方面，其中：
图1是示出根据本发明的一方面的信号调整和定时电路示例的框图；
图2是示出图1的信号调整和定时电路操作的图表，包括可变幅度输入信号、从两个比较器产生的输出信号以及数字电平脉冲输出信号；以及
图3是示出根据本发明的一方面的信号调整和定时电路操作方法的顶层流程图。
具体实施方式
结合本发明一个或多个方面的示例实施例在附图中被描述和图示。这些所示示例不是为了限制本发明。例如，本发明的一个或多个方面可以在其它的实施例甚至其它类型的设备中利用。此外，本文所使用的某些术语仅仅是为了方便而不应被当作是对本发明的限制。另外还有，在附图中，相同的附图标记被用于指代相同的单元。
示例信号调整和定时电路在图1中被总括地指示为10。应当理解的是图1仅仅是示出了一个示例并且也预期本发明内的其它的示例。信号调整和定时电路10有可变幅度输入信号12。可变幅度输入信号12可以是通用模拟传感器(未示出)的输出。模拟传感器在电特性上产生变化以指示其环境的变化。模拟传感器输出是包含对应于传感器环境变化的其电特性变化的信号。电特性可以是电压、电流或类似物。有时，期望在所需的信号处理操作之前将模拟传感器输出从模拟信号转换成数字信号。
上限阈值信号14和下限阈值信号16也被输入至电路。在任何信号处理之前上限阈值信号14经过电阻17并且下限阈值信号16经过电阻18。电阻17、18控制围绕这些比较器的交流(AC)和直流(DC)迟滞，其将在下面描述。
信号调整和定时电路10总体上被分为两部分，上限电平阈值比较器侧20和下限电平阈值比较器侧40。上限电平阈值比较器侧20包括第一比较器22。第一比较器22是在能够忍受在信号调整和定时电路10中所施加的电压基础上而选取的并且有足够的速度以调节第一数字输出信号23。第一比较器22包括用于可变幅度输入信号12和上限阈值信号14的输入。第一比较器22生成第一数字输出信号23，其表示上限阈值信号14与可变幅度输入信号12的幅度之间的差的极性。第一数字输出信号23然后被用在迟滞电路中以限制第一比较器22的跳动。
上限电平阈值比较器侧20还包括电容24和电容26。电容24、26是基于关于迟滞电路的有效构造的第一比较器22的制造推荐而选取的并且不是对所有的比较器都是必须的。上限电平阈值比较器侧20还包括控制围绕第一比较器22输入的AC迟滞的电容28和电阻30。上限电平阈值比较器侧20还包括控制围绕第一比较器22的DC迟滞的电阻32。电阻34是基于关于迟滞电路的有效构造的第一比较器22的制造推荐而选取的并且不是对所有的比较器都是必须的。上限电平阈值比较器侧20还包括控制第一数字输出信号23的上升沿速度的电阻36。
下限电平阈值比较器侧40包括第二比较器42。第二比较器42是在能够忍受在信号调整和定时电路10中所施加的电压基础上而选取的并且有足够的速度以调节第二数字输出信号43。第二比较器42包括用于可变幅度输入信号12和下限阈值信号16的输入。第二比较器42生成第二数字输出信号43，其表示下限阈值信号16与可变幅度输入信号12的幅度之间的差的极性。第二数字输出信号43然后被用在迟滞电路中以限制第二比较器42的跳动。
下限电平阈值比较器侧40还包括电容44和电容46。电容44、46是基于关于迟滞电路的有效构造的第二比较器42的制造推荐而选取的并且不是对所有的比较器都是必须的。下限电平阈值比较器侧40还包括控制围绕第二比较器42输入的AC迟滞的电容48和电阻50。下限电平阈值比较器侧40还包括控制围绕第二比较器42的DC迟滞的电阻52。电阻54是基于关于迟滞电路的有效构造的第二比较器42的制造推荐而选取的并且不是对所有的比较器都是必须的。下限电平阈值比较器侧40还包括控制第二数字输出信号43的上升沿速度的电阻56。
在第一比较器22的迟滞处理之后，第一数字输出信号23变为第一逻辑输入信号60。类似地，在第二比较器42的迟滞处理之后，第二数字输出信号43变为第二逻辑输入信号62。第一逻辑输入信号60和第二逻辑输入信号62是到逻辑阵列64中的输入。逻辑阵列64组合第一逻辑输入信号60和第二逻辑输入信号62以形成数字电平脉冲输出信号70，数字电平脉冲输出信号70在可变幅度输入信号12越过阈值处发生数字转换。转换可精确地处于阈值越过处。在所示的示例中，所越过的阈值是上限阈值电平。可理解阈值越过可以是上限或下限阈值电平其中之一。
对于图1所示电路图的某些示例部件值包括：
电容器24，26，44，46＝每个相应比较器的制造推荐，可能不是对所有比较器是必须的。
电容器28，48＝1pF至1000pF
电阻器17，18＝0至100kOhm
电阻器34，54＝每个相应比较器的制造推荐，可能不是对所有比较器是必须的。
电阻器30，50＝1kOhm至1MOhm
电阻器32，52＝10kOhm至10MOhm
电阻器36，56＝1kOhm至100kOhm
信号调整和定时电路10消除对反馈电路的需要，其典型地与单个比较器一起使用以将单个信号电平与上限阈值信号14和下限阈值信号16两者进行比较。当前的信号调整和定时电路10包括第一比较器22和第二比较器42，其分别将可变幅度输入信号12与上限阈值信号14和下限阈值信号16进行比较。反馈电路的消除减少了在第一数字输出信号23和第二数字输出信号43中的传播延迟。传播延迟的减少使得信号调整和定时电路10减少了在逻辑阵列64内信号处理中的相位误差。
此外，在信号调整和定时电路10中反馈电路的消除也消除了当使用单个比较器时的竞态条件(race condition)。竞态条件是指在其中反馈电路能够施加带有正被施加于比较器的迟滞的新阈值之前，输入信号越过所需阈值大于一次。因此，比较器的输出信号可以有多个未预期的、快速发生的信号转换。信号调整和定时电路10通过使用用于上限阈值信号14的单个比较器以及使用用于下限阈值信号16的单个比较器来消除杂散条件信号转换。
已经尝试了用于创建精确地在可变幅度输入信号12越过阈值电平处发生数字转换的数字电平脉冲输出信号70的其它方法。一种方法是在电路的开始部分将可变幅度输入信号12转换成数字信号然后使用数字信号处理以生成这些转换点。此方法受到现有技术的限制，其不能支持具有所需位深(bit depth)的足够的模数转换带宽。此外，此方法昂贵并且很难与诸如固件的工具一起完成。
转向图2，示出了表示信号调整和定时电路10的示例输入信号和输出。图的上部分包括由左至右随时间进行的可变幅度输入信号12。随着时间的前进，可变幅度输入信号12越过下限阈值信号16和上限阈值信号14两者。额定阈值80也包含在图的上部分。图的下部分包括第一逻辑输入信号60、第二逻辑输入信号62以及数字电平脉冲输出信号70。
当可变幅度输入信号12越过下限阈值信号16的幅度时，第二逻辑输入信号62切换。该切换表示第二比较器42操作的结果。切换与可变幅度输入信号12越过下限阈值信号16同时发生。可变幅度输入信号12然后越过上限阈值信号14并且其引起在第一逻辑输入信号60中的切换。此转换也在可变幅度输入信号12越过上限阈值信号14的同时发生。
类似地，可变幅度输入信号12然后越过上限阈值信号14，引起在第一逻辑输入信号60中的切换。可变幅度输入信号12然后越过下限阈值信号16，引起在第二逻辑输入信号62中的切换。数字电平脉冲输出信号70由逻辑阵列64作为第一逻辑输入信号60和第二逻辑输入信号62的组合生成。在数字电平脉冲输出信号70中的每个切换在可变幅度输入信号12越过阈值时发生并且在数字电平脉冲输出信号与可变幅度输入信号之间有最小相移。
转至图3，描述操作比较器电路的方法。该方法包括生成可变幅度输入信号12的步骤102。可变幅度输入信号12可以从任意数量的标准传感器得到，包括但不限于传感器检测：电的；磁的；温度；湿度；力；重量；扭矩；压力；运动；振动；流动；液位；液容量；光和红外；或化学参数。可变幅度信号输入还可以是从任何源输出的电压。
该方法还包括确定上限阈值信号14的步骤104。上限阈值信号14可以是从任何源输入的电压，并且能够由信号调整和定时电路10的操作者控制。上限阈值信号14可被选择以在使第一数字输出信号23的跳动最小化时优化额定阈值80和上限阈值信号14之间的范围。
该方法还包括确定下限阈值信号16的步骤106。下限阈值信号16可以是从任何源输入的电压，并且能够由信号调整和定时电路10的操作者控制。下限阈值信号16可被选择以在使第二数字输出信号43的跳动最小化时优化额定阈值80和下限阈值信号16之间的范围。
方法还包括将可变幅度输入信号12和上限阈值信号14输入至第一比较器22中的步骤108。方法还包括将可变幅度输入信号和下限阈值信号16输入至第二比较器42中的步骤110。
该方法还包括使用迟滞电路在第一比较器22中生成第一数字输出信号23的步骤112。方法还包括使用迟滞电路在第二比较器42中生成第二数字输出信号43的步骤114。
该方法包括将第一逻辑输入信号60和第二逻辑输入信号62输入至逻辑阵列64中的步骤116。第一逻辑输入信号60和第二逻辑输入信号62是在由迟滞电路调节后从第一比较器22的第一数字输出信号23和第二比较器42的第二数字输出信号43得到的结果信号。
该方法还包括在逻辑阵列64生成数字电平脉冲输出信号70的步骤118，数字电平脉冲输出信号70在可变幅度输入信号12越过上限阈值信号14处发生数字转换。转换可精确地处于阈值越过处。
信号调整和定时电路方法和装置是消除由某些电路使用单个比较器来调节具有上限阈值电平和下限阈值电平的可变幅度输入信号造成的在结果输出波形中的过度的传播延迟误差和过度的信号相移的一种解决方案。此外，信号调整和定时电路的方法和装置减少了生成数字电平脉冲输出信号的耗费，其中数字电平脉冲输出信号具有精确地处于可变幅度输入信号的幅度越过阈值处的转换。此外，信号调整和定时电路的方法和装置减少了生成数字电平脉冲输出信号的带宽需求，其中数字电平脉冲输出信号具有精确地处于可变幅度输入信号的幅度越过阈值处的转换。
已经参照上述的示例实施例描述了本发明。在阅读和理解本说明书的可以想到其它修改或改变。结合本发明一个或多个方面的示例实施例旨在包括所有的这些修改和改变而它们落在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种电子信号调整的方法包括下列步骤：
(a)生成可变幅度输入信号(12)；
(b)确定上限阈值电平；
(c)确定下限阈值电平；
(d)将所述可变幅度输入信号(12)和所述上限阈值电平输入至第一比较器(22)中；
(e)将所述可变幅度输入信号(12)和所述下限阈值电平输入至第二比较器(42)中；
(f)使用迟滞电路在所述第一比较器(22)中生成第一数字输出信号(23)；
(g)使用迟滞电路在所述第二比较器(42)中生成第二数字输出信号(43)；
(h)将所述第一数字输出信号(23)和所述第二数字输出信号(43)输入至逻辑阵列(64)中；
(i)在所述逻辑阵列(64)中生成数字电平脉冲输出信号(70)，所述数字电平脉冲输出信号(70)在所述可变幅度输入信号(12)经过阈值处发生数字转换。
2.根据权利要求1的方法，其中所述阈值是所述上限和下限阈值电平之一。
3.根据权利要求1的方法，其中所述阈值是所述上限阈值电平。
4.根据权利要求1的方法，其中使用迟滞电路在所述第一比较器(22)中生成第一数字输出信号(23)的所述步骤包括使用外部迟滞电路。
5.根据权利要求1的方法，其中使用迟滞电路在所述第二比较器(42)中生成第二数字输出信号(43)的所述步骤包括使用外部迟滞电路。
6.一种信号调整和定时电路(10)，用于接收可变幅度输入信号(12)并且生成在所述可变幅度输入信号(12)经过阈值电平时发生转换的数字电平脉冲输出信号(70)，所述调整和定时电路(10)包括：
(a)第一比较器(22)，用于比较所述可变幅度输入信号(12)与所确定的上限阈值信号(14)并且生成指示所述比较的第一数字输出信号(23)；
(b)耦合至所述第一比较器(22)的迟滞电路；
(c)第二比较器(42)，用于比较所述可变幅度输入信号(12)与所述确定的下限阈值信号(16)并且生成指示所述比较的第二数字输出信号(43)；
(d)耦合至所述第二比较器(42)的迟滞电路；以及
(e)逻辑阵列(64)，用于接收所述第一数字输出信号(23)和所述第二数字输出信号(43)并且生成在所述可变幅度输入信号(12)经过阈值电平时发生转换的所述数字电平脉冲输出信号(70)。
7.根据权利要求6的调整和定时电路(10)，其中所述阈值是所述上限和下限阈值电平之一。
8.根据权利要求6的调整和定时电路(10)，其中所述阈值是所述上限阈值电平。
9.根据权利要求6的调整和定时电路(10)，其中耦合至所述第一比较器(22)的迟滞电路是外部迟滞电路。
10.根据权利要求6的调整和定时电路(10)，其中耦合至所述第二比较器(42)的迟滞电路是外部迟滞电路。
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