TWI831150B - 三角積分調變器 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種三角積分調變器，包括多工器、調變電路和解多工器。多工器用於接收第一類比訊號和第二類比訊號，並且輸出輸入訊號。第一類比訊號和第二類比訊號為不同電氣型式，且多工器係以分時方式選擇第一類比訊號或第二類比訊號作為輸入訊號來輸出。調變電路用於調變輸入訊號為數位訊號。解多工器具有第一輸出端和第二輸出端，並且以分時方式選擇第一輸出端或第二輸出端來輸出數位訊號。

Description

三角積分調變器
本發明涉及一種三角積分調變器，特別涉及一種三角積分調變器可處理不同電氣型式的類比訊號。
三角積分調變器（Sigma Delta Modulator；或稱為積分三角調變器）常用於實現高解析度的類比數位轉換，但目前沒有一種三角積分調變器可處理不同電氣型式的類比訊號，例如直流訊號和交流訊號。
針對現有技術的不足，本發明之目的在於提供一種三角積分調變器可處理不同電氣型式的類比訊號。
為達上述目的，本發明實施例提供一種三角積分調變器，包括多工器、調變電路以及解多工器。多工器用於接收第一類比訊號和第二類比訊號，並且輸出輸入訊號。第一類比訊號和第二類比訊號為不同電氣型式，且多工器係以分時方式選擇第一類比訊號或第二類比訊號作為輸入訊號來輸出。調變電路耦接多工器，用於調變輸入訊號為數位訊號。解多工器耦接調變電路，具有第一輸出端和第二輸出端，用於接收數位訊號，並且以分時方式選擇第一輸出端或第二輸出端來輸出數位訊號。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所提供的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所提供的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
請參閱圖1，圖1是本發明實施例的三角積分調變器的功能方塊示意圖。如圖1所示，三角積分調變器1包括多工器10、調變電路12以及解多工器14。多工器10用於接收第一類比訊號A1和第二類比訊號A2，並且輸出輸入訊號SIN。第一類比訊號A1和第二類比訊號A2為不同電氣型式，且多工器10係以分時方式選擇第一類比訊號A1或第二類比訊號A2作為輸入訊號SIN來輸出。換句話說，三角積分調變器1的訊號處理時間可分割為多個時段，且多工器10在每一時段選擇第一類比訊號A1或第二類比訊號A2作為輸入訊號SIN來輸出。然而，本發明不限制這些時段的長度為相同，且也不限制多工器10所選擇第一類比訊號A1或第二類比訊號A2作為輸入訊號SIN的具體實現方式，只要多工器10可輪流選擇第一類比訊號A1和第二類比訊號A2作為輸入訊號SIN來輸出。
調變電路12耦接多工器10，用於調變輸入訊號SIN為數位訊號D。有關調變電路12的細節將通過其它段落來說明，故於此就先不再多加贅述。需瞭解的是，無論輸入訊號SIN是第一類比訊號A1或第二類比訊號A2，調變電路12都能對其調變以產生相應的數位訊號D。另外，解多工器14耦接調變電路12，具有第一輸出端O1和第二輸出端O2，用於接收數位訊號D，並且以分時方式選擇第一輸出端O1或第二輸出端O2來輸出數位訊號D。本發明也不限制解多工器14所選擇第一輸出端O1或第二輸出端O2來輸出數位訊號D的具體實現方式，只要是在調變電路12對作為輸入訊號SIN的第一類比訊號A1進行調變以輸出相應的數位訊號D時，解多工器14則選擇第一輸出端O1來輸出數位訊號D，並且是在調變電路12對作為輸入訊號SIN的第二類比訊號A2進行調變以輸出相應的數位訊號D時，解多工器14則選擇第二輸出端O2來輸出數位訊號D。
具體而言，調變電路12包括運算單元122、迴路濾波器124、量化器126以及數位類比轉換器128。運算單元122用於接收輸入訊號SIN和類比回授訊號AF，並且計算輸入訊號SIN和類比回授訊號AF間的差值以輸出差值訊號E。迴路濾波器124耦接運算單元122，用於對差值訊號E進行處理以產生濾波訊號F。舉例來說，如果輸入訊號SIN和類比回授訊號AF分別為0.2伏特和1伏特的直流電壓，差值訊號E則為0.2伏特減去1伏特（即-0.8伏特）的直流電壓，且該差值訊號E再被迴路濾波器124處理為濾波訊號F。有關迴路濾波器124的細節將通過其它段落來說明，故於此就先不再多加贅述。
量化器126耦接迴路濾波器124，用於量化濾波訊號F為數位訊號D。量化是指將濾波訊號F的連續取值近似為多個離散值的處理，且量化器126可以用多階的比較器來實現，但本發明不限制量化器126的具體實施方式。另外，數位類比轉換器128耦接量化器126和運算單元122，用於對數位訊號D進行數位類比轉換以產生類比回授訊號AF。由於數位類比轉換器128的運作原理已為本領域技術人員所習知，因此有關其細節於此就不再多加贅述。需說明的是，第一類比訊號A1可為直流訊號，且第二類比訊號A2可為交流訊號。例如，該直流訊號可以是溫度感測器、重力感測器或三軸感測器所輸出的直流電壓，且該交流訊號可以是麥克風或音訊裝置所輸出的音頻訊號，但本發明不以此為限制。在其他實施例中，第一類比訊號A1也可為接近直流電壓的類比訊號（nearly DC signal），但本發明也不以此為限制。
然而，因為直流訊號（即第一類比訊號A1）太小會有週期性音（Periodic Tone）的問題，所以調變電路12的迴路濾波器124還能通過使用週期性重置的機制來避免週期性音。換句話說，當調變電路12對被作為輸入訊號SIN的第一類比訊號A1進行調變時，迴路濾波器124更會根據一重置訊號RST進行重置。例如，當收到為高準位的重置訊號RST時，迴路濾波器124則進行重置，但本發明不限制產生該重置訊號RST的具體實施方式。概念上，三角積分調變是一種超取樣技術可降低操作頻帶中的雜訊，因此本實施例也可用超取樣率作為重置訊號RST在從低準位轉變為高準位的週期。
進一步地，為了將調變交流訊號（即第二類比訊號A2）後的數位訊號D轉換為更高解析度的數位訊號，三角積分調變器1還可包括抽取濾波器（decimation filter）16。抽取濾波器16耦接解多工器14的第二輸出端O2，用於對第二輸出端O2所輸出的數位訊號D進行抽取以產生第二輸出訊號D2。抽取濾波器是用以降低訊號採樣頻率並實現低通濾波。另外，本實施例的抽取濾波器16不僅可以降低第二輸出端O2所輸出的數位訊號D的採樣頻率，還可以濾除高頻率的雜訊來產生更高解析度的第二輸出訊號D2。
另一方面，除了抽取濾波器16，概念上最簡單的抽取結構是計數器。因此，為了將調變直流訊號（即第一類比訊號A1）後的數位訊號D轉換為更高解析度的數位訊號，三角積分調變器1還可包括計數器18。計數器18耦接解多工器14的第一輸出端O1，用於對第一輸出端O1所輸出的數位訊號D進行計數以產生第一輸出訊號D1。類似地，計數器18也能夠通過使用週期性重置的機制來避免週期性音。例如，計數器18可在每個預定週期開始時，根據重置訊號RST進行歸零，並將在預定週期內發生的脈衝數相加。由於計數器18的運作原理已為本領域技術人員所習知，因此有關其細節於此就不再多加贅述。
更進一步地，迴路濾波器124可至少包括一連續時間積分器1242或一離散時間積分器1244，用於對差值訊號E進行積分，且濾波訊號F係根據該連續時間積分器1242或該離散時間積分器1244所輸出的積分結果所產生。由於根據積分器的積分結果產生濾波訊號F的運作原理已為本領域技術人員所習知，因此有關其細節於此就不再多加贅述。以下是通過圖2到圖6來說明連續時間積分器1242或離散時間積分器1244的各種實施方式。
請參閱圖2，圖2是本發明第一實施例的連續時間積分器的電路示意圖。在第一實施例中，連續時間積分器1242可包括差動放大器201、電阻R21、電阻R22、電容C21以及電容C22。電阻R21耦接於運算單元122（圖2未繪示）以及差動放大器201的反相輸入端之間，且電阻R22耦接於運算單元122以及差動放大器201的非反相輸入端之間。另外，電容C21耦接於差動放大器201的反相輸入端以及非反相輸出端之間，且電容C22耦接於差動放大器201的非反相輸入端以及反相輸出端之間。因此，連續時間積分器1242可用於對運算單元122所輸出的差值訊號E進行積分。然而，由於差動放大器201、電阻R21、電阻R22、電容C21以及電容C22的運作原理已為本領域技術人員所習知，因此有關連續時間積分器1242所對於差值訊號E進行積分的細節就不再多加贅述。
如前所述，迴路濾波器124更會根據重置訊號RST進行重置以避免直流訊號的週期性音(idle tone)。因此，第一實施例的連續時間積分器1242還可包括重置開關S21以及重置開關S22。重置開關S21與電容C21並聯於差動放大器201的反相輸入端以及非反相輸出端之間，且重置開關S22與電容C22並聯於差動放大器201的非反相輸入端以及反相輸出端之間。另外，重置訊號RST則用來控制重置開關S21以及重置開關S22。例如，當收到為高準位的重置訊號RST時，重置開關S22與重置開關S22則導通來使得迴路濾波器124進行重置以恢復成初始狀態。
請參閱圖3，圖3是本發明第二實施例的連續時間積分器的電路示意圖。由於第二實施例的連續時間積分器1242類似於第一實施例的連續時間積分器1242，所以兩實施例的相同處不再多加贅述。需說明的是，不同於第一實施例的重置開關S21以及重置開關S22，第二實施例的連續時間積分器1242包括重置開關S31。如圖3所示，電容C21的第一端通過節點P31耦接差動放大器201的非反相輸出端，且電容C22的第一端通過節點P32耦接差動放大器201的反相輸出端。另外，重置開關S31耦接於節點P31以及節點P32之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S31。例如，當收到為高準位的重置訊號RST時，重置開關S31則導通來使得迴路濾波器124進行重置。
請參閱圖4，圖4是本發明第三實施例的連續時間積分器的電路示意圖。由於第三實施例的連續時間積分器1242類似於第二實施例的連續時間積分器1242，所以兩實施例的相同處不再多加贅述。需說明的是，不同於第二實施例的重置開關S31，第三實施例的連續時間積分器1242包括設置開關S41、重置開關S42、設置開關S43以及重置開關S44。設置開關S41耦接於節點P31以及節點P41之間，且反相的重置訊號RST*（圖4未繪示）用來控制設置開關S41。重置開關S42耦接於節點P31以及節點P42之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S42。相對地，設置開關S43耦接於節點P32以及節點P42之間，且反相的重置訊號RST*用來控制設置開關S43。重置開關S44耦接於節點P32以及節點P41之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S44。在操作上，當迴路濾波器124未進行重置時，設置開關S41以及設置開關S43被開啟，因此，設置開關S41被控制來將節點P41耦接節點P31，且設置開關S43被控制來將節點P42耦接節點P32。當迴路濾波器124進行重置時，重置開關S42以及重置開關S44被開啟，因此，重置開關S42被控制來將節點P42耦接節點P31，且重置開關S44被控制來將節點P41耦接節點P32。
另一方面，請參閱圖5，圖5是本發明第一實施例的離散時間積分器的電路示意圖。在第一實施例中，離散時間積分器1244可包括差動放大器501、電容C51～電容C54以及開關S51～開關S58。電容C51耦接於運算單元122（圖5未繪示）以及差動放大器501的反相輸入端之間，且電容C52耦接於運算單元122以及差動放大器501的非反相輸入端之間。另外，電容C53耦接於差動放大器501的反相輸入端以及非反相輸出端之間，且電容C54耦接於差動放大器501的非反相輸入端以及反相輸出端之間。
開關S51耦接於電容C51與運算單元122之間，且開關S52耦接於電容C52與運算單元122之間。另外，開關S53耦接於電容C51與差動放大器501的反相輸入端之間，且開關S54耦接於電容C52與差動放大器501的非反相輸入端之間。開關S55耦接於接地電壓GND與中繼節點P51之間，且中繼節點P51係在電容C51及開關S53之間。開關S56耦接於接地電壓GND與中繼節點P52之間，且中繼節點P52係在電容C52及開關S54之間。另外，開關S57耦接於接地電壓GND與中繼節點P53之間，且中繼節點P53係在開關S51及電容C51之間。開關S58耦接於接地電壓GND與中繼節點P54之間，且中繼節點P54係在開關S52及電容C52之間。在操作上，開關S51、開關S55與開關S52、開關S56在第一時間導通，且開關S53、開關S57與開關S54、開關S58在不同於第一時間的第二時間導通。由於差動放大器501、電容C51～電容C54以及開關S51～開關S58的運作原理已為本領域技術人員所習知，因此有關離散時間積分器1244所對於差於值訊號E進行積分的細節就不再多加贅述。
如前所述，迴路濾波器124更會根據重置訊號RST進行重置以避免直流訊號的週期性音。因此，第一實施例的離散時間積分器1244還可包括重置開關S59。如圖5所示，電容C53的第一端通過節點P55耦接差動放大器501的非反相輸出端，且電容C54的第一端通過節點P56耦接差動放大器501的反相輸出端。另外，重置開關S59耦接於節點P55以及節點P56之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S59。例如，當收到為高準位的重置訊號RST時，重置開關S59則導通來使得迴路濾波器124進行重置。
請參閱圖6，圖6是本發明第二實施例的離散時間積分器的電路示意圖。由於第二實施例的離散時間積分器1244類似於第一實施例的離散時間積分器1244，所以兩實施例的相同處不再多加贅述。需說明的是，不同於第一實施例的重置開關S59，第二實施例的離散時間積分器1244包括設置開關S61、重置開關S62、設置開關S63以及重置開關S64。設置開關S61耦接於節點P55以及節點P61之間，且反相的重置訊號RST*（圖6未繪示）用來控制設置開關S61。重置開關S62耦接於節點P55以及節點P62之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S62。相對地，設置開關S63耦接於節點P56以及節點P62之間，且反相的重置訊號RST*用來控制設置開關S63。重置開關S64耦接於節點P56以及節點P61之間，且重置訊號RST用來控制重置開關S64。在操作上，當迴路濾波器124未進行重置時，設置開關S61以及設置開關S63被開啟，因此，設置開關S61被控制來將節點P61耦接節點P55，且設置開關S63被控制來將節點P62耦接節點P56。當迴路濾波器124進行重置時，重置開關S62以及重置開關S64被開啟，因此，重置開關S62被控制來將節點P62耦接節點P55，且重置開關S64被控制來將節點P61耦接節點P56。
綜上所述，本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的三角積分調變器能通過多工器、調變電路以及解多工器來處理不同電氣型式的類比訊號。另外，調變電路的迴路濾波器還能通過使用週期性重置的機制來避免週期性音。
以上所提供的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1:三角積分調變器 10:多工器 12:調變電路 122:運算單元 124:迴路濾波器 126:量化器 128:數位類比轉換器 14:解多工器 16:抽取濾波器 18:計數器 A1:第一類比訊號 A2:第二類比訊號 SIN:輸入訊號 D:數位訊號 O1:第一輸出端 O2:第二輸出端 D1:第一輸出訊號 D2:第二輸出訊號 AF:類比回授訊號 E:差值訊號 F:濾波訊號 RST:重置訊號 1242:連續時間積分器 1244:離散時間積分器 201, 501:差動放大器 R21, R22:電阻 C21~C22, C51~C54:電容 S21~S22, S31, S41~S44, S51~S59, S61~S64:開關 P31~P32, P41~P42, P51~P56, P61~P62:節點 GND:接地電壓
圖1是本發明實施例的三角積分調變器的功能方塊示意圖。
圖2是本發明第一實施例的連續時間積分器的電路示意圖。
圖3是本發明第二實施例的連續時間積分器的電路示意圖。
圖4是本發明第三實施例的連續時間積分器的電路示意圖。
圖5是本發明第一實施例的離散時間積分器的電路示意圖。
圖6是本發明第二實施例的離散時間積分器的電路示意圖。
1:三角積分調變器 10:多工器 12:調變電路 122:運算單元 124:迴路濾波器 126:量化器 128:數位類比轉換器 14:解多工器 16:抽取濾波器 18:計數器 A1:第一類比訊號 A2:第二類比訊號 SIN:輸入訊號 D:數位訊號 O1:第一輸出端 O2:第二輸出端 D1:第一輸出訊號 D2:第二輸出訊號 AF:類比回授訊號 E:差值訊號 F:濾波訊號 RST:重置訊號

Claims (9)

  1. 一種三角積分調變器，包括：一多工器，用於接收一第一類比訊號和一第二類比訊號，並且輸出一輸入訊號，其中該第一類比訊號和該第二類比訊號為不同電氣型式，且該多工器係以一分時方式選擇該第一類比訊號或該第二類比訊號作為該輸入訊號來輸出；一調變電路，耦接該多工器，用於調變該輸入訊號為一數位訊號；以及一解多工器，耦接該調變電路，具有一第一輸出端和一第二輸出端，用於接收該數位訊號，並且以該分時方式選擇該第一輸出端或該第二輸出端來輸出該數位訊號；其中該第一類比訊號為一直流訊號，且該第二類比訊號為一交流訊號。
  2. 如請求項1所述的三角積分調變器，其中該調變電路包括：一運算單元，用於接收該輸入訊號和一類比回授訊號，並且計算該輸入訊號和該類比回授訊號間的差值以輸出一差值訊號；一迴路濾波器，耦接該運算單元，用於對該差值訊號進行處理以產生一濾波訊號；一量化器，耦接該迴路濾波器，用於量化該濾波訊號為該數位訊號；以及一數位類比轉換器，耦接該量化器和該運算單元，用於對該數位訊號進行數位類比轉換以產生該類比回授訊號。
  3. 如請求項2所述的三角積分調變器，其中當該調變電路對被作為該輸入訊號的該第一類比訊號進行調變時，該迴路濾波 器更根據一重置訊號進行重置。
  4. 如請求項3所述的三角積分調變器，更包括：一計數器，耦接該解多工器的該第一輸出端，用於對該第一輸出端所輸出的該數位訊號進行計數以產生一第一輸出訊號；以及一抽取濾波器，耦接該解多工器的該第二輸出端，用於對該第二輸出端所輸出的該數位訊號進行抽取以產生一第二輸出訊號。
  5. 如請求項3所述的三角積分調變器，其中該迴路濾波器至少包括一連續時間積分器或一離散時間積分器，用於對該差值訊號進行積分，且該濾波訊號係根據該連續時間積分器或該離散時間積分器所輸出的積分結果所產生。
  6. 如請求項5所述的三角積分調變器，其中該連續時間積分器包括：一差動放大器；一第一電阻，耦接於該運算單元以及該差動放大器的一反相輸入端之間；一第二電阻，耦接於該運算單元以及該差動放大器的一非反相輸入端之間；一第一電容，耦接於該差動放大器的該反相輸入端以及一非反相輸出端之間；以及一第二電容，耦接於該差動放大器的該非反相輸入端以及一反相輸出端之間。
  7. 如請求項6所述的三角積分調變器，其中該連續時間積分器更包括：一第一重置開關，與該第一電容並聯於該差動放大器的該反相輸入端以及該非反相輸出端之間；以及一第二重置開關，與該第二電容並聯於該差動放大器的該非反相輸入端以及該反相輸出端之間；其中該重置訊號則用來控制該第一重置開關以及該第二重置開關。
  8. 如請求項6所述的三角積分調變器，其中該連續時間積分器更包括：一第一重置開關，耦接於一第一節點以及一第二節點之間，且該重置訊號用來控制該第一重置開關，其中該第一電容的一第一端通過該第一節點耦接該差動放大器的該非反相輸出端，且該第二電容的一第一端通過該第二節點耦接該差動放大器的該反相輸出端。
  9. 如請求項5所述的三角積分調變器，其中該離散時間積分器包括：一差動放大器；一第一電容，耦接於該運算單元以及該差動放大器的一反相輸入端之間；一第二電容，耦接於該運算單元以及該差動放大器的一非反相輸入端之間；一第三電容，耦接於該差動放大器的該反相輸入端以及一非反相輸出端之間；一第四電容，耦接於該差動放大器的該非反相輸入端以及一 反相輸出端之間；一第一開關，耦接於該第一電容與該運算單元之間；一第二開關，耦接於該第二電容與該運算單元之間；一第三開關，耦接於該第一電容與該差動放大器的該反相輸入端之間；以及一第四開關，耦接於該第二電容與該差動放大器的該非反相輸入端之間，其中該第一開關與該第二開關為一第一時間導通，且該第三開關和該第四開關為不同於該第一時間的一第二時間導通。
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