專利名稱：用于數(shù)字化模擬量的方法、數(shù)字化裝置及電磁輻射探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換的方法，所述模擬量 特別地由電磁輻射探測(cè)器產(chǎn)生。本發(fā)明還涉及用于實(shí)現(xiàn)所述轉(zhuǎn)換的裝 置。因此，本發(fā)明更具體地涉及電磁輻射探測(cè)器領(lǐng)域，且涉及電磁輻射 探測(cè)器的讀出電路的構(gòu)造和運(yùn)行。
背景技術(shù)：
以就其本身而言公知的方式，電磁輻射探測(cè)器由多個(gè)并列設(shè)置的單 元傳感器構(gòu)成，以便形成具有若干行和列的陣列。入射的電磁輻射與這 些單元傳感器(也稱為〗象素)的相互作用產(chǎn)生與入射輻射的能通量相對(duì) 應(yīng)的電量的變化。微測(cè)輻射熱計(jì)紅外成像視網(wǎng)膜是這種探測(cè)器的 一個(gè)具體例子。在此 情況下，探測(cè)器的操作類似對(duì)熱輻射敏感的熱敏電阻，所述熱輻射由設(shè) 置在單元傳感器處的讀出電路對(duì)在給定時(shí)間段內(nèi)流經(jīng)給定的偏置電壓 作用下的探測(cè)器的電流進(jìn)行積分測(cè)量而得到。積分電荷由此形成模擬信號(hào)或模擬量。為了簡(jiǎn)化與讀出電路外部的 電子設(shè)備的電接口，這些模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便重新構(gòu)it^示 觀察的景象的二維圖像。已知的是，探測(cè)器的性能，由此其輸送的數(shù)據(jù)的質(zhì)量(例如數(shù)字圖 像)，特別依賴于表示入射輻射和單元傳感器之間的相互作用的模擬量 到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換特性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，基本已知將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)的可為讀出電路應(yīng)用的三個(gè)原理。首先，對(duì)于存在的探測(cè)器，單個(gè)轉(zhuǎn)換裝置或轉(zhuǎn)換器相繼地將由構(gòu)成 陣列的每個(gè)傳感器傳送的模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。通常，對(duì)這些傳感器的讀取通過掃描行然后掃描列順序地進(jìn)行。在此情況下，持續(xù)時(shí)間或m轉(zhuǎn)換時(shí)間最多等于探測(cè)陣列的單元傳感器的讀出時(shí)間。根據(jù)第二轉(zhuǎn)換原理，探測(cè)器的每列都配備有轉(zhuǎn)換裝置。那么模數(shù)轉(zhuǎn) 換時(shí)間最多等于探測(cè)器的行的讀出時(shí)間。根據(jù)第三轉(zhuǎn)換原理，探測(cè)器的每個(gè)傳感器都配備有這種轉(zhuǎn)換裝置。 那么m轉(zhuǎn)換時(shí)間最多等于陣列的所有傳感器的累積的讀出時(shí)間。在這些不同的方案中，轉(zhuǎn)換原理(由此轉(zhuǎn)換裝置和方法)的選擇可 根據(jù)諸如轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換時(shí)間、其分辨率、其尺寸、其功耗等的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行。尤其是，在第二解決方案中，其中陣列的每列都具有它自己的轉(zhuǎn)換 裝置，其尺寸必須減小到兩個(gè)相鄰l象素列之間的重復(fù)步長(zhǎng)，而在第三種 情況下，該尺寸必須在兩維上都減小到基本l象素的重復(fù)步長(zhǎng)。重復(fù)步長(zhǎng) 實(shí)際上是兩個(gè)相鄰傳感器之間的距離且通常與最終數(shù)字圖像的像素尺 寸對(duì)應(yīng)。此外，當(dāng)在相同的電路上使用多個(gè)高分辨率轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)換 裝置都可能對(duì)由相鄰轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的電干擾敏感。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器的分 辨率越高，則與兩個(gè)連續(xù)數(shù)字值對(duì)應(yīng)的電壓差就越小，結(jié)果，它對(duì)外部 干擾就越敏感。此敏感度具體地是由于轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造造成的，所述轉(zhuǎn) 換裝置不是電獨(dú)立的，相反，它們共享相同的_^和相同的框架或相同 的電源。另一方面，必須限定對(duì)轉(zhuǎn)換裝置的體系構(gòu)造的選擇(即電子元件的 數(shù)量、定位和布置)，以便使讀出電路的總功耗最小化。實(shí)際上，除了 紅外成像與板上電子系統(tǒng)有關(guān)系(其中，能量存儲(chǔ)是非常重要的要求) 之外，限制焦平面的消散也是重要的，因?yàn)樘綔y(cè)器陣列固有地對(duì)熱環(huán)境 敏感》在現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的體系構(gòu)造中執(zhí)行的轉(zhuǎn)換原理中，可能會(huì)提及稱 為"電壓時(shí)間轉(zhuǎn)換"的原理。此方法在于求模擬量電壓對(duì)時(shí)間的積分， 直到其到達(dá)基準(zhǔn)值。當(dāng)?shù)竭_(dá)該基準(zhǔn)值時(shí)積分被中斷，并且標(biāo)記實(shí)際積分階段的結(jié)束。在積分由傳統(tǒng)單斜坡單斜率(single ramp simple slope) 積分器陣列完成的情況下，此模擬量到達(dá)基準(zhǔn)值花費(fèi)的時(shí)間與此模擬量 的值成正比。實(shí)際上，由于積分器組件具有單個(gè)斜率，因此模擬量隨積分時(shí)間的 變化是線性的。由此，以本身公知的方式，完全可以使用計(jì)數(shù)時(shí)間周期 的個(gè)數(shù)來測(cè)量積分時(shí)間，以轉(zhuǎn)換此模擬量的值，即將模擬量的值數(shù)字化。 由此，對(duì)由參考時(shí)鐘傳送的測(cè)量該持續(xù)時(shí)間的脈沖數(shù)量的筒單計(jì)數(shù)可直 接提供積分模擬量的數(shù)值。為了確定計(jì)數(shù)的結(jié)束， 一差分構(gòu)造將模擬量與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較；當(dāng) 它們的差被消除且改變符號(hào)時(shí)，該比較器傳送一信號(hào)用于固定計(jì)數(shù)器的 當(dāng)前數(shù)字值并且由此確定模擬量的值。在實(shí)踐中且以本身公知的方式，當(dāng)計(jì)數(shù)器從參考時(shí)鐘接收到脈沖 時(shí)，它將二進(jìn)制數(shù)增加一個(gè)單位。結(jié)果，計(jì)數(shù)器的位數(shù)必然依賴于轉(zhuǎn)換 裝置要求的分辨率，即用于對(duì)最大模擬量取樣的量化步長(zhǎng)的個(gè)數(shù)。由此，對(duì)于使用2N個(gè)量化步長(zhǎng)對(duì)待被積分的模擬量取樣的轉(zhuǎn)換裝 置，計(jì)數(shù)器必須包括N個(gè)計(jì)數(shù)位。此轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的模擬量的轉(zhuǎn)換時(shí)間在 零與最大值27fh之間，其中fh是時(shí)鐘頻率。由此，如果P代^模擬 量到達(dá)比較器級(jí)的基準(zhǔn)值之前時(shí)鐘傳送的脈沖數(shù)，則P等于信號(hào)的數(shù)字 值且信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間等于P/fh。然而，這種轉(zhuǎn)換方法的缺點(diǎn)在于有可能限制m轉(zhuǎn)換器的性能。由此，為了增加其分辨率和/或降低其轉(zhuǎn)換時(shí)間，必須使用較高頻率的時(shí) 鐘傳送脈沖。實(shí)際上， 一方面，對(duì)于最大時(shí)鐘頻率存在^L術(shù)上的限制， 另 一方面，已知的是轉(zhuǎn)換器的功耗隨著此頻率增加且可能對(duì)于某些應(yīng)用 變得過大。為了解決此問題，現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)方案在于增加轉(zhuǎn)換器的積分斜率 的數(shù)量，由此在于設(shè)計(jì)單斜坡、多斜率的轉(zhuǎn)換裝置。由此，在單斜坡、 雙斜率的轉(zhuǎn)換裝置的情況下，第 一積分斜率用于限定與具有高量化步長(zhǎng) 的輸入模擬量的值對(duì)應(yīng)的數(shù)P。相反，第二斜率用于利用細(xì)量化步長(zhǎng)轉(zhuǎn) 換由輸入模擬量和與數(shù)P精確對(duì)應(yīng)的高模擬值之間的差定義的差數(shù)。所 述差數(shù)或剩佘數(shù)對(duì)應(yīng)于低模擬量。通常，對(duì)被編碼為稱作"最高有效"位的第一數(shù)值和被編碼為稱作 "最低有效，，位的第二數(shù)值之間做出區(qū)分。由于語言的誤用，在數(shù)字化 步驟之后以相同的方式將積分模擬量標(biāo)記為表示這些積分模擬量的數(shù)值(位)(最高有效和最低有效)。在本專利的上下文中，數(shù)值是指由"0"和"1"構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)。由此，轉(zhuǎn)換器上的位數(shù)N被分成兩個(gè)"子數(shù)"，即，與最高有效位 對(duì)應(yīng)的標(biāo)記為N固(MSB表示"最高有效位，，)的數(shù)，和與最低有效位對(duì) 應(yīng)的標(biāo)記為NLSB (LSB表示"最低有效位")的數(shù)。根據(jù)定義，兩個(gè)數(shù)N咖 和Nw的和為N，即轉(zhuǎn)換器裝置具有的總位數(shù)。以本身公知的方式，兩斜率積分方法用于減少探測(cè)器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 實(shí)際上，依賴于待被積分的模擬量的值，此時(shí)間在零與最大時(shí)間(2, + 2,) /fh之間變化。因此，此時(shí)間必然比單斜坡轉(zhuǎn)換裝置所需的最大 時(shí)間27fh短。圖l示出了現(xiàn)有技術(shù)中單斜坡、雙斜率轉(zhuǎn)換方法的曲線圖。在此曲 線圖中，x軸表示時(shí)間t,而y軸表示輸出電壓Vs，即，在由積分器電 路進(jìn)行處理期間的由傳感器和輻射之間的相互作用產(chǎn)生的模擬量。根據(jù)這種單斜坡雙斜率轉(zhuǎn)換方法，曲線101示出了進(jìn)入積分器電路 的輸入電壓VE的積分。曲線101包括稱為高的斜率102和稱為低的斜率 103。在本專利的上下文中，"高"是指其斜率系數(shù)具有高絕對(duì)值的斜率， 而"低"是指其斜率系數(shù)具有低絕對(duì)值的斜率。由此，高斜率102代表 最高有效位(高模擬量)的積分階段，而低斜率103代表最低有效位(低 模擬量)的積分階段。根據(jù)定義，每個(gè)積分階段發(fā)生在由兩個(gè)瞬間限定的時(shí)間間隔期間， 所述兩個(gè)瞬間分別形成所述時(shí)間間隔的下界限和上界限。當(dāng)積分電壓VB超it^準(zhǔn)值Vref,即當(dāng)積分電壓VE和基準(zhǔn)值Vref之間的差被消除時(shí)，第一積分階段t。-t!(高斜率102 )與時(shí)鐘頻率fh同步地被中斷。因此此條件定義了第一積分階段t。-L的時(shí)間間隔的上界限"。根據(jù)此轉(zhuǎn)換方法，在第一積分階段結(jié)束時(shí)開始第二積分階段(低斜率103 )。換言之，第二時(shí)間間隔td的下部界限L與第一時(shí)間間隔t。-L的上部界限tijj^融合。然后，當(dāng)在兩個(gè)積分階段期間內(nèi)積分的電壓的和超過輸入電壓VE的值時(shí)，此第二積分階段被中斷。如上所述，通過由參考時(shí)鐘(未示出)發(fā)出的脈沖數(shù)來測(cè)量時(shí)間。由于曲線102和103是線段，因此時(shí)鐘脈沖代表積分電壓的同樣多的量化步長(zhǎng)，從而代表積分電壓本身。因此，其名稱歸結(jié)為"電壓時(shí)間，，模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法。根據(jù)此方法，每個(gè)斜率，高斜率102或低斜率103，用于對(duì)分別代 表最高有效位(MSB)和最低有效位(LSB)的位數(shù)編碼。這些位數(shù)由此 用于將表示所觀察的景象的圖像重新構(gòu)造為二進(jìn)制數(shù)字量。由此，可以 以至少12位的分辨率和6(ms的轉(zhuǎn)換時(shí)間將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)際上，此轉(zhuǎn)換時(shí)間與傳統(tǒng)上由320 x 240行構(gòu)成的探測(cè)器的60 個(gè)圖像每秒的掃描兼容。相反，單斜率"電壓時(shí)間"轉(zhuǎn)換方法將造成對(duì) 于這種分辨率而言太長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在本文中，轉(zhuǎn)換器的分辨率是指轉(zhuǎn) 換器區(qū)分兩個(gè)相鄰的積分電壓的能力。此分辨率特別地是根據(jù)探測(cè)器所 期望的應(yīng)用來選擇。顯然，選擇的分辨率越高， 轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。實(shí)際上，分辨率不依賴于待被積分的量的量化。以本身公知的方式， 此量化步長(zhǎng)的值為探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍除以2N (數(shù)字2的N次冪，N為對(duì) 該動(dòng)態(tài)范圍的最大值編碼的位數(shù))。實(shí)踐中，為了完成此轉(zhuǎn)換方法，陣列探測(cè)器的每列都配備有轉(zhuǎn)換裝 置或模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖2示出了這種現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器依次包 括積分器級(jí)210,差分或比較器級(jí)220，控制級(jí)230和計(jì)數(shù)級(jí)240。積分器級(jí)210 ，沒計(jì)為對(duì)單元傳感器的列產(chǎn)生的輸入電壓Vs進(jìn)行積分。差分級(jí)220用于比較積分電壓VE和基準(zhǔn)值Vref，以便確定從t。到L的、表示為t。-"的第一積分階段，和從ti到t2的、表示為t「t2的第二積分階段?？刂萍?jí)230用于控制積分器級(jí)210,以便以高斜率102和低 斜率103依次完成兩個(gè)積分階段。最后，計(jì)數(shù)級(jí)240用于計(jì)算在這些積 分階段t。-L然后t廣t2中的每個(gè)階段期間時(shí)鐘250傳送的脈沖數(shù)，且由 此量化積分電壓VE。以本身公知的方式，積分器級(jí)210可以包括輸入電阻211，輸入電 阻211與運(yùn)算放大器214的反向輸入215和電容器212相連，電容器212 并聯(lián)地設(shè)置在運(yùn)算放大器214的反向輸入215和輸出216之間。電容器 212用于完成輸入才莫擬量VE的積分。比較級(jí)220本質(zhì)上包括兩個(gè)比較器221， 223，它們的非反向輸入 222, 224分別與電壓Vren和Vren相連。由此，施加到比較器221， 223的反向輸入的、由積分器級(jí)210積分的電壓Vs能夠與這兩個(gè)基準(zhǔn)電壓比 較。如上所述，對(duì)它們差的"比較"或測(cè)量用于限定高斜率102和低斜 率103積分階段的上界限L和t2。此外，兩個(gè)開關(guān)232, 233并聯(lián)地安裝在控制級(jí)內(nèi)，以便選擇電壓 I和I/2B中的一個(gè)或另一個(gè)，用于給積分電容器212放電。開關(guān)是指適任何裝置。實(shí)踐中，晶體管可構(gòu)成開^:這樣做時(shí)，控制級(jí)230確定兩 個(gè)積分階段102, 103中的每一個(gè)的增益，所述增益以本身爿i^知的方式 與積分器電容器212的電容成反比。此外，當(dāng)接收到比較器級(jí)傳送的"消除"信號(hào)時(shí)，通過在其輸出 234， 235傳送適當(dāng)?shù)男盘?hào)，邏輯控制電路231停止參考時(shí)鐘傳送的脈沖 的計(jì)數(shù)器241, 242。運(yùn)行中，當(dāng)積分電壓VE和基準(zhǔn)電壓Vref之間的差被消除，且然后改 變符號(hào)時(shí)，比較器221將"消除"信號(hào)發(fā)送到控制級(jí)230的邏輯控制電 路231。此邏輯控制電路231與時(shí)鐘250的頻率fh同步地依次控制兩個(gè) 計(jì)數(shù)器241, 242。在時(shí)間間隔t。-^期間，計(jì)數(shù)器241量化組成積分的;f莫擬量的最高 有效位。然后，在時(shí)間間隔t廣t2期間，計(jì)數(shù)器242量化組成所述積分 的模擬量的最低有效位。最高有效位和最低有效的位然后能夠利用元件 260以二進(jìn)制的方式被相加，以便形成代表積分的模擬量的值的二進(jìn)制 數(shù)。由此，與圖1中的轉(zhuǎn)換器相關(guān)的上述電的體系構(gòu)造具有實(shí)施現(xiàn)有技 術(shù)轉(zhuǎn)換方法所需的電子元件。在這樣^故時(shí)，當(dāng)這種類型的轉(zhuǎn)換器用在具 有C列的陣列轉(zhuǎn)換器中時(shí)，為了完成轉(zhuǎn)換，需要C個(gè)積分器電路，2C個(gè)比較器電路，和2C個(gè)計(jì)數(shù)器。實(shí)際上，電子元件的數(shù)量越大，它們的總功耗就越大且電路變得越 熱。此外，這些電子元件占據(jù)的尺寸限制了兩個(gè)相鄰傳感器列之間的重 復(fù)步長(zhǎng)的精細(xì)度。此外，制造能力相應(yīng)地較低，因此，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)具有更多電子元件的情況下，制造成本顯然較高。因此，此兩斜率轉(zhuǎn)換方法用于降低轉(zhuǎn)換模擬量的時(shí)間，因?yàn)檗D(zhuǎn)換時(shí)間是Unvl=(2B+2M)/fh，其中B和M分別代表最高有效位和最低有效位的位數(shù), 且1/ fh代表取樣時(shí)間段或時(shí)鐘脈沖Th的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于它的部分，單斜率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)換時(shí)間為Unv2=(2N)/fh， 其中N是總的位數(shù)B + M。容易證實(shí)丁畫1< Tconv2。然而，運(yùn)行兩個(gè)積分斜率的轉(zhuǎn)換方法和裝置當(dāng)前面臨著限制它們數(shù) 字化性能的若干困難。首先，由于陣列探測(cè)器的每列具有它自己的轉(zhuǎn)換裝置，因此其尺寸 限制了重復(fù)步長(zhǎng)的降低，從而限制了探測(cè)器的小型化。實(shí)際上，現(xiàn)有轉(zhuǎn) 換裝置，如圖2中示出的，要求安裝兩個(gè)比較器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器用于對(duì)積 分的模擬量編碼。因此，例如與單斜坡轉(zhuǎn)換裝置的尺寸相比，安裝這些 雙元件增加了轉(zhuǎn)換裝置的尺寸。而且，每個(gè)比較器221， 223都具有自己的開關(guān)閾值。實(shí)際上，這 兩個(gè)比較器的閾值之間的電壓偏差非常低，因此難以產(chǎn)生具有足夠精度 的數(shù)字化最低有效位的基準(zhǔn)電壓V^和Vref2。因此，例如，當(dāng)?shù)谝环e分階段t。-^利用多個(gè)稱為最高有效位的8 位數(shù)量化待被積分的模擬量時(shí)，兩個(gè)比較器的閾值之間的電壓偏差值為探測(cè)器的總動(dòng)態(tài)范圍除以28。因此，該小的偏差要求在UVren的^下高精度地產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓v^和vref2。此外，如果我們考慮兩個(gè)比較器的電壓偏差，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在具有相反的符號(hào)的情況下，不滿足vrefl + v。ff2>vref2+v。ffl。另 一個(gè)困難來自于這樣的事實(shí)設(shè)計(jì)用于數(shù)字化最低有效位的比較 器223在受限的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，使得它對(duì)噪聲和電路中發(fā)生的電干擾 (尤其是在開關(guān)232， 233切換期間)非常敏感。運(yùn)算放大器223所要 求的量化精度必須低于轉(zhuǎn)換器的最低有效位。最大容許誤差必須低于探 測(cè)器的總動(dòng)態(tài)范圍除以2N，其中N是轉(zhuǎn)換裝置的分辨率。發(fā)現(xiàn)對(duì)于高的 N，此誤差非常低。而且，使用兩個(gè)不同的運(yùn)算比較器放大器221, 223用于不同斜率 的兩個(gè)斜坡102, 103,即低斜率和高斜率，導(dǎo)致每個(gè)比較器的不同的滯 后。滯后的差導(dǎo)致在時(shí)間ti發(fā)生的乾變轉(zhuǎn)折的不規(guī)則性或非線性。此外，兩個(gè)放電電流I和I/2B之間的比率也必須在無噪聲的情況 下被充M確地定義以避免非線性。尤其是，在每列端部進(jìn)行轉(zhuǎn)換的情 況下，當(dāng)列的數(shù)量高時(shí)，會(huì)遇到晶體管電源之間的配對(duì)問題。在現(xiàn)有技術(shù)中可得到解決方案，以便補(bǔ)償安裝作為比較器的放大器 的電壓偏差以及校正高斜率和低斜率之間的增益的差。例如，可以使用 集成有轉(zhuǎn)換裝置并且包括諸如電位計(jì)的電子元件的自校正系統(tǒng)。然而，這些附加的電子元件首先使得組件復(fù)雜，且重要的是增加了 轉(zhuǎn)換裝置占據(jù)的面積。實(shí)踐中，這種轉(zhuǎn)換器必須適于容納在每列端部的 小的區(qū)域上，所述小的區(qū)域的一維由l象素重復(fù)步長(zhǎng)限定，其典型地在15 微米和45微米之間且顯然必須被最小化。還可以觀察到通常用于紅外成像領(lǐng)域的雙點(diǎn)校正原理用于校正增 益且補(bǔ)償每個(gè)像素的電壓偏差。然而，此校正對(duì)于發(fā)生在雙斜坡轉(zhuǎn)換器 的^1轉(zhuǎn)折處(如在圖1所示的時(shí)間L處)的偏差沒有效果，即，此校 正對(duì)于線性誤差無效。本發(fā)明的目的在于在無需增加轉(zhuǎn)換器占據(jù)的面積的情況下，避免現(xiàn) 有技術(shù)中的轉(zhuǎn)換方法和裝置遇到的困難。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明涉及用于將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的方法和裝置，所 述方法和裝置用于實(shí)質(zhì)地提高現(xiàn)有技術(shù)中的方法和裝置的性能。與現(xiàn)有 技術(shù)的轉(zhuǎn)換器相比，本發(fā)明尤其旨在增加轉(zhuǎn)換的精度同時(shí)降低電子元件 的數(shù)量、它們的功耗、它們的尺寸，并且降^^數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造成本。本發(fā)明的首要目的在于一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，該方法使得能夠 對(duì)待被積分的模擬量進(jìn)行精確和可重復(fù)的轉(zhuǎn)換。這種方法適于數(shù)字化由 電磁輻射探測(cè)器，尤其是紅外輻射探測(cè)器產(chǎn)生的模擬量。所述探測(cè)器包 括并列設(shè)置的單元傳感器陣列，所述單元傳感器與輻射的相互作用產(chǎn)生 待被積分的模擬量。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括以下步驟對(duì)于陣列的每一行或每一列，利用積分器級(jí)在第 一時(shí)間間隔期間進(jìn)行所述模擬量的第 一積分階段；通過比較器級(jí)命令所述第一積分階段的中斷，所述比較器級(jí)的一個(gè) 輸入與所述積分器級(jí)的輸出相連且另 一個(gè)輸入與傳送基準(zhǔn)值的基準(zhǔn)電 路相連；通過與所述比較器級(jí)的輸出相連的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器將由此積分的模 擬量轉(zhuǎn)換成第一數(shù)值；以表示最高有效位的第一二進(jìn)制數(shù)的形式存儲(chǔ)所述第一數(shù)值； 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將由此得到的所述第 一數(shù)值轉(zhuǎn)換成與待被數(shù)字化 的模擬量類似的模擬信號(hào)；從待被數(shù)字化的所述模擬量減去所iM^擬信號(hào)； 利用代表所述第一數(shù)值的增益放大從所勤目減得到的信號(hào)； 利用所述積分器級(jí)完成第二積分階段，以便產(chǎn)生與由此放大的模擬 信號(hào)成比例的第二數(shù)值并且形成代表最低有效位的第二二進(jìn)制數(shù)； 將第 一和第二數(shù)值相加以便形成代表待被積分的所述模擬量的數(shù)。 由此，待被積分的模擬量的數(shù)字化被分解成分別針對(duì)最高有效位和 最低有效位的兩個(gè)積分階段(兩個(gè)斜率)，從而用于在使用單個(gè)比較器 的情況下快速地?cái)?shù)字化模擬量。在第二積分階段期間，通it^待被積分 的模擬量忽略不計(jì)轉(zhuǎn)換成模擬的最高有效位的值而估計(jì)待被積分的剩 余數(shù)。此外，表示最低有效位的模擬信號(hào)枕故大一增益，用于提高第二 積分階段的精度，即降低第二積分階段的最大誤差。實(shí)踐中，該增益可以具有數(shù)字2的第一數(shù)值的位數(shù)次冪(即2 (第一數(shù)值的位數(shù)"的值。由此，待被積分的模擬量的剩余數(shù)的放大用于降低第二積分階段的 最大誤差，因此用于降低對(duì)此m轉(zhuǎn)換器的精度的約束。實(shí)踐中，在所述轉(zhuǎn)換步驟之前可將第 一數(shù)值增加一個(gè)最低有效位， 以便校正由比較器級(jí)呈現(xiàn)的電壓偏差。因此根據(jù)本發(fā)明的方法的此特征用于補(bǔ)償由比較器級(jí)的運(yùn)算放大 器呈現(xiàn)的電壓偏差。根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例，積分器級(jí)可以包括比較器，且所述方法可以包括以下步驟利用將被轉(zhuǎn)換的模擬量給所述電容器充電；在第 一積分階段期間在恒定的高強(qiáng)度電流下對(duì)所述電容器放電；利用依賴于待被積分的模擬量與第 一轉(zhuǎn)換階段的結(jié)果之間的差的 電壓對(duì)所述電容器再充電；在第二積分階段期間在恒定的低強(qiáng)調(diào)電流下對(duì)所述電容器放電。形容詞"高"和"低"表示相對(duì)的概念。實(shí)際上，在實(shí)踐中，可選 擇低電流的強(qiáng)度等于高電流的強(qiáng)度與數(shù)字2的第一數(shù)值的位數(shù)次冪的 比。例如，如果該第一數(shù)值是8位，那么低強(qiáng)度電流的值為高強(qiáng)度的 1/256。此放電電流用于限定在每個(gè)積分階段期間用于獲得好的精度的 充分的斜率。而且，由于放電在恒定電流下進(jìn)行，因此在電壓和時(shí)間之 間建立起直接的關(guān)系。實(shí)踐中，基準(zhǔn)值可確定為探測(cè)器的靈敏度范圍的函數(shù)。這個(gè)特征用于針對(duì)所選擇的探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍最佳化所有模擬量 的轉(zhuǎn)換時(shí)間的平均值。而且，本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字化從電磁輻射探測(cè)器發(fā)出的模擬量 的裝置。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于陣列的每一列，所述裝置包括積分器級(jí)，包括運(yùn)算放大器，并聯(lián)連接在所述運(yùn)輸放大器的輸出和 反向輸入之間的至少一個(gè)電容器和可電控制的開關(guān)裝置，所述可電控制 的開關(guān)裝置用于初始化所述電容器，當(dāng)所述開關(guān)裝置打開時(shí)，所述積分 器級(jí)適于對(duì)所ii^擬量進(jìn)行積分；比較器級(jí)，包括單個(gè)運(yùn)算放大器，且其一個(gè)輸入與所述積分器級(jí)的 輸出相連，另一個(gè)輸入與傳送基準(zhǔn)值的基準(zhǔn)電路相連；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，與所述比較器級(jí)的輸出相連且適于確定與所述積分 模擬量成比例的第一數(shù)值；然而，所述二進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以被偏置且由所 有列共用，允許在面積和功耗方面的進(jìn)步；所述計(jì)數(shù)器的模lt^饋電路，并且串聯(lián)地包括 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器適于將所述第一數(shù)值轉(zhuǎn)換成與所述待被數(shù)字化 的模擬量類似的模擬信號(hào)；用于從所述待被數(shù)字化的模擬量中減去所i^擬信號(hào)的裝置； 和用于以依賴于所述第一數(shù)值的位數(shù)的增益放大從所述相減得 到的信號(hào)的裝置，所述負(fù)^Jt電路的輸出與所述積分器級(jí)的輸入相連，從而所述積分 器級(jí)產(chǎn)生與由此放大的模擬信號(hào)成比例的第二數(shù)值；用于存儲(chǔ)從兩個(gè)轉(zhuǎn)換階段得到的第一數(shù)值和第二數(shù)值的裝置； 用于將所述第 一和第二數(shù)值相加以形成表示所述待被積分的模擬 量的數(shù)的裝置。換言之，本發(fā)明的 轉(zhuǎn)換器包括單個(gè)運(yùn)算積分器放大器和單個(gè)運(yùn) 算比較器放大器。此外，它包括 負(fù)反饋電路，該^lt負(fù)反饋電路用 于在積分的模擬量中分離殘余的最高有效位，將所述值轉(zhuǎn)換成模擬量，以便將所述模擬量從初始模擬信號(hào)中減去，然后放大所述弱的信號(hào)，從 而增加數(shù)字化的精度和可重復(fù)性。實(shí)踐中，積分器級(jí)的電子元件是電容器。這樣的元件實(shí)際上適于方 便地完成對(duì)模擬量的積分。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施例，存儲(chǔ)裝置可以包括鎖定電路存儲(chǔ)器(現(xiàn) 有技術(shù)領(lǐng)域中已知稱為"鎖存器")，該鎖定電路存儲(chǔ)器與二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 的輸出相連。這樣的存儲(chǔ)器具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。同樣，實(shí)際中， 負(fù)反饋電路包括解碼系統(tǒng)和多個(gè)電容器，所述 多個(gè)電容器并聯(lián)安裝且利用由所述解碼系統(tǒng)控制的開關(guān)可單個(gè)地切換。這種負(fù)反饋電路用于完成通向第二積分階段的步驟同時(shí)占據(jù)有限 的空間。此外，本發(fā)明還涉及一種尤其是紅外的電磁輻射探測(cè)器，所述探測(cè) 器包括并列設(shè)置的單元傳感器陣列和之前所述的裝置。由此本發(fā)明的主體是一個(gè)完整的探測(cè)器，該探測(cè)器適于接收電磁輻 射且然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。實(shí)踐中，該探測(cè)器的陣列可以具有單個(gè)行或單個(gè)列。而且，單元傳感器可以為輻射熱測(cè)量計(jì)。這用于利用在環(huán)境溫度下 操作的儀器產(chǎn)生目標(biāo)的熱圖像。


本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)還可以從附圖示出的特定實(shí)施例的描述中得到，所述實(shí)施例以示例的方式提出，而并非用于限制，其中圖1是電壓/時(shí)間的示意圖，示出現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換方法，已結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對(duì)該圖進(jìn)行了描述；圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的示意圖，也已結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對(duì)該圖進(jìn)行了描述；圖3為示出本發(fā)明覆蓋的方法的實(shí)施例的示意性曲線；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字化裝置的示意圖；圖5是示出了圖4所示數(shù)字化裝置的負(fù)反饋電路的細(xì)部的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖3示出了表明電壓隨時(shí)間的積分的時(shí)間圖。x軸表示時(shí)間，y軸 表示電壓。在圖3中，曲線301示出了輸入電壓Vs的積分，所述積分以 具有第一線性斜坡302的第一積分階段開始且以具有第二線性斜坡303 的第二積分階段終止。這里，積分的模擬量是電壓。當(dāng)然此模擬量可以由其他電量構(gòu)成， 所述電量代表探測(cè)器的單元傳感器與入射的輻射相互作用期間單元傳 感器所顯示的特性。因此，相應(yīng)地，其例如可以是電荷量。時(shí)間L和L由畔(plateau) 304分開，在岬304期間完成稱為重 新初始化的階段。重新初始化階段用于將代表最高有效位的第一數(shù)值轉(zhuǎn) 換成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)然后與待被積分的模擬量VE分離，然后在第 二積分階段之前被放大。此放大由位于時(shí)間t2的豎直線段示出。如圖3 所示，此放大的增益的值是數(shù)字2的B次冪，其中B與用于對(duì)積分的模擬量Vs的第一部分進(jìn)行編碼的最高有效位的位數(shù)對(duì)應(yīng)。第一積分階段在時(shí)間t。開始，且在消除之后與參考時(shí)鐘(未示出) 同步地在時(shí)間ti終止，所述消除之后跟隨著積分電壓Vs = Ve和基準(zhǔn)位Vr6f 之間的差的符號(hào)的改變。第二積分階段在時(shí)間t2開始，且在消除之后在時(shí)間t3終止，所述消除之后跟隨著積分電壓Vs = 2B (VB-VDAe)和基準(zhǔn)值Vw之間的差的符號(hào)的改變。為了〗更于對(duì)曲線進(jìn)行理解，基準(zhǔn)值Vw用水平點(diǎn)劃線指示。在本發(fā)明的方法中，兩個(gè)時(shí)間間隔t。-t:和t廣t3由時(shí)間延遲304分 開，在所述兩個(gè)時(shí)間間隔t。-L和t2-t3的基礎(chǔ)上完成由電壓代表的模擬 量的積分的兩個(gè)階段，且在時(shí)間延遲304期間不進(jìn)行任何積分。此時(shí)間 延遲通過水平的沖(以恒定的積分電壓)示出，表明不存在積分。根據(jù) 本發(fā)明且如上所述，此時(shí)間延遲可被使用來在本發(fā)明數(shù)字化裝置的不同 級(jí)執(zhí)行重新初始化操作。圖4示出了這樣的轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)本發(fā)明該轉(zhuǎn)換裝置包括積分器級(jí) 410，差分或比較器級(jí)420，放電電流控制級(jí)430，及計(jì)數(shù)和存儲(chǔ)級(jí)440。 這些不同的級(jí)完全執(zhí)行與結(jié)合圖2描述的現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)級(jí) 所執(zhí)行的相同的功能。此外，本發(fā)明的數(shù)字化裝置包括模數(shù)負(fù)反饋電路450。此負(fù)反饋電 路4 5 0包括安裝在計(jì)數(shù)器442的存儲(chǔ)輸出441和積分器級(jí)410的輸入415 之間的負(fù)反饋中的支路。如上所述，負(fù)反饋電路450包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 451，模數(shù)轉(zhuǎn)換器451用于將第一積分階段302之后得到的第一數(shù)值轉(zhuǎn) 換成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)表示與最高有效位(B+l)對(duì)應(yīng)的積分模擬 量的部分。負(fù)反饋電路450還包括用于從待被積分的模擬量VB減去由此轉(zhuǎn)換 的模擬信號(hào)的裝置452。然后，放大裝置453設(shè)置在負(fù)反饋電路中，以 ^^大從減法[Vb-V咖]得到的信號(hào)，放大增益的值為數(shù)字2的B次冪， 即2B。如上所述，此放大在圖3中通過時(shí)間t2處的豎直直線^示。之 前，轉(zhuǎn)換器451進(jìn)行的才g轉(zhuǎn)換和裝置452進(jìn)行的減法已經(jīng)在時(shí)間304 期間發(fā)生，在時(shí)間304期間，不進(jìn)行積分。應(yīng)注意在時(shí)間t。，電壓Ve 直接施加到積分器級(jí)410的輸入415,即，由于一組開關(guān)(未示出)，電 路452和453不工作且也不分別進(jìn)行減法和放大。畔304具有時(shí)鐘管理裝置中提供的最小持續(xù)時(shí)間，然而，其持續(xù)時(shí) 間的變化依賴于VE值。事實(shí)上，時(shí)間U和t2是固定的和已知的，另一 方面，時(shí)間U和"依賴于VE。積分器級(jí)410設(shè)計(jì)用于在第一積分階段對(duì)來自單元傳感器的輸入 電壓Ve進(jìn)行積分，并且在第二積分階段對(duì)剩余電壓2B (VE-VDAe)進(jìn)行積分。差分級(jí)420用于比較積分電壓Vs和基準(zhǔn)值Vref，以便確定第一和第二積分階段的停止。放電電流控制級(jí)430用于控制積分器級(jí)410，以便相繼 完成高積分斜率302和低積分斜率303。最后，計(jì)數(shù)和存儲(chǔ)級(jí)440用于 存儲(chǔ)在每個(gè)積分階段期間由參考時(shí)鐘MC傳送的脈沖的數(shù)量，且因此量 化或"數(shù)字化"積分的電壓VE。確定計(jì)數(shù)開始的時(shí)間t。和"對(duì)于列的所 有模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是相同的。由此，計(jì)數(shù)器442可以由全部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 共用，并且在t。啟動(dòng)(trip)然后在t2啟動(dòng)。在每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器級(jí)，存儲(chǔ)裝置441， 443用于在運(yùn)行中分別獲得 在"和"的值，由此對(duì)于列的每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在L和L的值可能不同。 公共計(jì)數(shù)器442對(duì)于每次積分在t^計(jì)數(shù)然后在Uax計(jì)數(shù)，以侵產(chǎn)蓋整 個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。因此本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的積分器級(jí)410與現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的積分器 級(jí)210類似。由此，運(yùn)算放大器214和414通過它們的非反向輸入219 和419分別與電基準(zhǔn)相連。此基準(zhǔn)特定于動(dòng)態(tài)范圍以及讀出電路的技術(shù)， 它對(duì)于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)沒有影響。另一方面，與圖2所示的比較器^目反，圖4中的轉(zhuǎn)換器的差分級(jí) 只具有單個(gè)比較器組件，該單個(gè)比較器組件配備有運(yùn)算放大器421。運(yùn) 算放大器的反向輸入接收積分電壓Vs且其非反向輸入與傳送基準(zhǔn)電壓 Vref的電路相連。用于產(chǎn)生此基準(zhǔn)電壓的方法根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)完成，這里 不再詳述。結(jié)果，比較器級(jí)420占據(jù)的空間比現(xiàn)有技術(shù)中的比較器級(jí)220占據(jù) 的空間小。此外，它消耗更少的電能。因此，在這些電路中出現(xiàn)的溫度 升高比在比較器級(jí)220的電路內(nèi)出現(xiàn)的溫度升高更低。而且，差分級(jí)420 的材料和制造成本比級(jí)220更低。放電電流控制級(jí)430通過開關(guān)432, 433作用，由此選擇電源I和 I/2B中的一個(gè)或另 一個(gè)對(duì)安裝在積分器級(jí)410的輸出和反向輸入之間的 電容器C放電。由此，控制級(jí)430確定兩個(gè)積分階段302和303中的每 一個(gè)的增益，該增益以本身已知的方式與積分器電容器C的電容成反比。當(dāng)然，放電控制級(jí)可以由與電斜目關(guān)聯(lián)的斜坡電壓而不是電流裝置 來提供。這兩個(gè)技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都是熟知的，且每個(gè)技術(shù)都具有其自己的優(yōu)缺點(diǎn)。它們并不改變本發(fā)明的原理。這里，為描述 清fe^見，選擇電流原理。為了方<^見，為了區(qū)分在積分中直接涉及的電連接與控制級(jí)430 傳送的用于開關(guān)432和433的控制鏈，將后者以點(diǎn)劃線繪出。實(shí)際上， 在線432和433中顯然沒有中斷。計(jì)數(shù)級(jí)440包括兩個(gè)存儲(chǔ)器元件441， 443?？梢杂啥鄠€(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換 器共用的計(jì)數(shù)器442本身可以由參考時(shí)鐘MC供給脈沖。計(jì)數(shù)器442的 輸出與存儲(chǔ)器441, 443相連，以便在這些存儲(chǔ)器中寫入其電流值。存 儲(chǔ)器441， 443可以是鎖定電路存儲(chǔ)器或"鎖存器"。它們適于分別存儲(chǔ) 與最高有效位對(duì)應(yīng)的B+l位的數(shù)，和與最低有效位對(duì)應(yīng)的M位的數(shù)。在運(yùn)行中，電容器C在電壓Vs下被充電，然后以電流I被放電。 積分器級(jí)410由此完成輸入電壓VE的第一積分段302,直到比較器級(jí)420測(cè)量的積分器電壓VS和基準(zhǔn)電壓Vref之間的差改變符號(hào)。此差由運(yùn)算放大器421測(cè)量，運(yùn)算放大器421同時(shí)向放電電流控制級(jí)430和向計(jì)數(shù)級(jí) 440傳送信號(hào)，標(biāo)記第一積分階段302的結(jié)束。在此第一積分階段結(jié)束時(shí)，比較器級(jí)420向計(jì)數(shù)級(jí)440發(fā)送停止信 號(hào)，從而它存儲(chǔ)以二進(jìn)制數(shù)形式積分的與最高有效位對(duì)應(yīng)的數(shù)值。計(jì)數(shù) 器442因此具有"計(jì)時(shí)"積分階段的功能。為此目的，它通過累加參考 時(shí)鐘MC傳送的脈沖，然后通過用于此類型結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)母線將如此增加 的所述數(shù)傳送到計(jì)數(shù)級(jí)440的存儲(chǔ)器441。當(dāng)計(jì)數(shù)器442的電流值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器441內(nèi)時(shí)，計(jì)數(shù)器442繼續(xù)其 計(jì)數(shù)直到2B+1;它必須從時(shí)間"重設(shè)到零，以便計(jì)入第二積分階段的持 續(xù)時(shí)間，即與最低有效位對(duì)應(yīng)的一個(gè)。第二積分階段再次由積分器級(jí)410 完成，直到積分的電壓Vs到達(dá)或者在實(shí)踐中超過基準(zhǔn)值Vw的時(shí)間。在圖3中，此時(shí)間表示為t3。它與計(jì)時(shí)器442的電流值被記錄在最 低有效位的存儲(chǔ)器443內(nèi)的時(shí)間對(duì)應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，在重新初始化階段期間，電容器C被充以電壓 2B[VE-VDAe]。在此重新初始化之后，控制級(jí)430切換開關(guān)432、 433，以 便激活電流源I和1/28和/或去激活電流源I和I/2B。此切換4吏得積分 器級(jí)410能夠在第二積分階段303期間在低強(qiáng)度電流1/23下對(duì)電容器C放電。這用于完成相對(duì)慢的由此精確的第二積分階段。由此對(duì)于最低有 效位獲得高的精度。此外，對(duì)待被積分的剩余數(shù)[VB-VDAC]進(jìn)行增益為23的放大，由此用于降低對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器451的精度的限制權(quán)重。實(shí)際上，第二積分期間的 最大誤差的值是總動(dòng)態(tài)范圍除以增益2N—b，而對(duì)于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換裝置，該 值為總動(dòng)態(tài)范圍除以增益f的值，其中N是用于編碼可由轉(zhuǎn)換裝置積分 的最大電壓所需的位數(shù)，它實(shí)際上與總動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)。因此，此優(yōu)點(diǎn)用于使用圖5所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此轉(zhuǎn)換器包括切換 的電容Ci的系統(tǒng)和用于解碼開關(guān)的系統(tǒng)。電容Ci的配對(duì)確定了增益的精 度和轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vda"該電壓V咖是Vr+和Vk-的函數(shù)。由此，第一積分階段的最高有效位B通過解碼控制電容選擇開關(guān)， 所述開關(guān)在階段304將根據(jù)B的值被連接在L和/或Vk+和/或VRJt。然后，開關(guān)413在時(shí)間t2閉合，圖5所示裝置的各電容Ci與積分 器的電容412的比用于完成在負(fù)反饋電路450內(nèi)表征的三重操作模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此(通過利用與解碼相關(guān)聯(lián)的電容和開關(guān)選擇VR+/VR_) 產(chǎn)生VDAC;通過電容的組合進(jìn)行相減VE-VDAC;通過圖5中的電容Ci與積分器412的電容C在時(shí)間t2的比獲得增益2B。由此，使用單個(gè)運(yùn)算放大器414完成負(fù)反饋支路450和積分器級(jí) 410的功能。電容Ci的配對(duì)相應(yīng)地更難獲得，因?yàn)殡娮釉陌惭b面積受到限制 (在此情況下是〗象素之間的重復(fù)步長(zhǎng))。結(jié)果，轉(zhuǎn)換器的精度要求降低 了增益28，相應(yīng)地降低了此安裝限制。轉(zhuǎn)換器的尺寸確定是限定增益的 位數(shù)B和電容Ci占據(jù)的面積之間的妥協(xié)的結(jié)果。模數(shù)轉(zhuǎn)換器451的功 耗與放大器414的通頻帶之間的平衡也被考慮進(jìn)去，放大器414的通頻 帶是施加的增益G的函數(shù)。第二積分階段具有斜率303,斜率303的斜率系數(shù)低于第一積分階 段302顯示的斜率。實(shí)際上，由負(fù)反饋電路傳送的模擬信號(hào)^^L大，放 大增益為2B,而積分器級(jí)410的電容器C的放電電流的值為I/2B，即第一積分302的放電電流除以2B。至于模數(shù)轉(zhuǎn)換器451，對(duì)比較器級(jí)420要求的精度可被降低增益2B, M大了第二積分階段的斜率303。相反，在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換裝置中，第二 斜率103要低得多且要求更精確的數(shù)字化。對(duì)于兩個(gè)階段，有利地，通過在積分開始之后半個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)計(jì) 時(shí)器442來進(jìn)行電壓偏差的校正。計(jì)時(shí)器442啟動(dòng)期間的偏差則在最后 一個(gè)最低有效位B + 1和第一個(gè)最低有效位M的求和期間被補(bǔ)償。因此， 該電壓偏差的一位校正在于在第一積分期間系統(tǒng)地增加數(shù)字偏差。實(shí)際 上，所述偏差通過計(jì)時(shí)器422的啟動(dòng)期間進(jìn)行的半個(gè)周期的滯后產(chǎn)生。 此原理對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而沿是已知的，特別在"閃存流水線，， 類型的轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。在第二積分階段結(jié)束時(shí)，比較器級(jí)420控制第二數(shù)值M (在M位上 編碼的)在存儲(chǔ)器443內(nèi)的存儲(chǔ)，所述第二數(shù)值M對(duì)應(yīng)于最低有效位， 即對(duì)應(yīng)于積分電壓的殘余部分。然后，裝置460進(jìn)行從兩個(gè)積分階段產(chǎn) 生的數(shù)值M和B + 1的(二進(jìn)制)相加，從而進(jìn)行電壓偏差的校正，值B + 1已經(jīng)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器441內(nèi)。編碼此和的結(jié)果得到的數(shù)N = B + M包括 適于編碼待被積分的最大電壓Ve的位數(shù)N。因此，計(jì)數(shù)器442被確定范圍以量化M個(gè)最低有效位，所述最低有 效位比最高有效位B更多(更長(zhǎng)的積分時(shí)間)，這通過式子M > B + 1概 括。這樣的計(jì)數(shù)器442因此適于量化第一積分階段的B個(gè)最高有效位， 然后，在其重新初始化(零重i殳)之后，在第二積分階段期間量化M個(gè) 最低有效位。由此，具有單個(gè)運(yùn)算比較器放大器421的比較器級(jí)420的結(jié)構(gòu)允許 在生產(chǎn)、費(fèi)用、功耗和安裝模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置所需的空間方面得到節(jié)省。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器相比，使用單個(gè)運(yùn)算放大器421可獲得 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它有效地用于通過消除運(yùn)算放大器使用中固有的電壓偏差 或差分溪差電壓來執(zhí)行此比較功能。實(shí)際上，在實(shí)踐中，已知的是，當(dāng)兩個(gè)輸入的電壓的差與特定的偏 差電壓對(duì)應(yīng)時(shí)，電壓比較器運(yùn)算放大器的輸出發(fā)生切換。在理想情況下， 此電壓偏差為零。實(shí)踐中，由于技術(shù)原因，難以控制此偏差電壓，結(jié)果，該偏差電壓不為零。在現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)換器的情況下，差分誤差是兩個(gè)運(yùn)算放大器221， 223 的電壓偏差之間的差。這必將導(dǎo)致昂貴的偏差消除系統(tǒng)，從而第二斜率 的比較器不會(huì)在第一斜率的比較器之前啟動(dòng)。相反，在本發(fā)明轉(zhuǎn)換器的 情況下，因?yàn)槭峭粋€(gè)運(yùn)算放大器421測(cè)量該差，因此兩個(gè)積分階段的 電壓偏差是相同的。由此，第二積分階段期間的電壓偏差補(bǔ)償了第一積 分階段的電壓偏差，差分溪差被消除。因此，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器比現(xiàn)有技 術(shù)的轉(zhuǎn)換器更加精確。本發(fā)明的方法和裝置的其他實(shí)施例可在不必脫離本發(fā)明的范圍的 情況下實(shí)行。尤其是，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換原理能夠在不帶來大的困難的情況下推廣到多斜坡、多斜率類型的轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明尤其可應(yīng)用于陣列探測(cè)器(包括一維探測(cè)器("條(strip )")) 領(lǐng)域內(nèi)，而與入射電磁輻射和采用的探測(cè)器類型無關(guān)。本發(fā)明更具體而 言可應(yīng)用于紅外輻射的二維探測(cè)器的陣列探測(cè)器領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1、用于數(shù)字化由電磁輻射尤其是紅外輻射探測(cè)器產(chǎn)生的模擬量(VE)的方法，所述探測(cè)器包括并列設(shè)置的單元傳感器的陣列，所述單元傳感器與該輻射的相互作用產(chǎn)生所述模擬量(VE)，所述方法包括以下步驟對(duì)于所述陣列的每一行或每一列，利用積分器級(jí)(410)在第一時(shí)間間隔期間進(jìn)行所述模擬量的第一積分階段(302)；通過比較器級(jí)(420)控制所述第一積分階段(302)的中斷，所述比較器級(jí)(420)的一個(gè)輸入與所述積分器級(jí)(410)的輸出相連，另一個(gè)輸入與傳送基準(zhǔn)值(Vref)的基準(zhǔn)電路相連；通過與所述比較器級(jí)(420)的輸出相連的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(442)和存儲(chǔ)器元件(441)將積分的模擬量(Vs)轉(zhuǎn)換成第一數(shù)值(B)；以代表最高有效位的第一二進(jìn)制數(shù)的形式存儲(chǔ)所述第一數(shù)值(B)；所述方法的特征在于，其進(jìn)一步包括對(duì)于陣列的每一行或每一列，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(451)將得到的所述第一數(shù)值(B)轉(zhuǎn)換成與待被數(shù)字化的模擬量(VE)類似的模擬信號(hào)(VDAC)；從所述待被數(shù)字化的模擬量(VE)減去所述模擬信號(hào)(VDAC)；以表示所述第一數(shù)值(B)的增益放大該相減得到的信號(hào)(VE-VDAC)；利用所述積分器級(jí)(410)進(jìn)行第二積分階段(303)，以產(chǎn)生與放大的模擬信號(hào)2B(VE-VDAC)成比例的第二數(shù)值(M)并且形成表示最低有效位的第二二進(jìn)制數(shù)；將所述第一數(shù)值(B)和所述第二數(shù)值(M)相加以形成表示待被積分的所述模擬量(VE)的數(shù)(N)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增益(2B)的值 為數(shù)字2的所述第一數(shù)值次冪。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)換步驟之前 所述第一數(shù)值(B)增加一個(gè)單位，以便校正由比較器級(jí)(420 )呈現(xiàn)的電 壓偏差。
4、 根據(jù)上a利要求中任一項(xiàng)所述的方法，所述積分器級(jí)(410)包括電容器(C)，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟 用待被轉(zhuǎn)換的模擬量對(duì)所述電容器(C)充電；在第一積分階段(302 )以恒定的高強(qiáng)度電流(I)對(duì)所述電容器(C) 放電；用依賴于待被積分的模擬量(VE)與第一轉(zhuǎn)換階段的結(jié)果之間的差的 電壓(V「V直)對(duì)所述電容器(C)再充電；在第二積分階段(303 )以恒定的低強(qiáng)度電流(I/2B)對(duì)所述電容器 (C)放電。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基準(zhǔn)值(If)被確定為探測(cè)器的靈敏度范圍的函數(shù)。
6. 用于數(shù)字化由電磁輻射尤其是紅外輻射探測(cè)器產(chǎn)生的模擬量(Ve)的裝置，所述探測(cè)器包括并列設(shè)置的單元傳感器的陣列，所述單元傳感器 與該輻射的相互作用產(chǎn)生所ii^擬量，對(duì)于所述陣列的每一行或每一列，所述裝置包括積分器級(jí)(410)，包括運(yùn)算放大器(414)，并聯(lián)地連接在所述運(yùn)算放 大器(414)的輸出和反向輸入(-)之間的至少一個(gè)電容器(C)和可電 控制的開關(guān)裝置(411 )，所述積分器級(jí)(410 )適于在所述開關(guān)裝置(411) 打開時(shí)對(duì)所述才莫擬量(Vb)進(jìn)行積分；比較器級(jí)(420 )，包括單個(gè)運(yùn)算放大器(421)，且其反向輸入(-)與所述積分器級(jí)的輸出相連，另一個(gè)輸入與傳送基準(zhǔn)值(If)的基準(zhǔn)電路相連；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(442 )，與兩個(gè)存儲(chǔ)器元件(441， 443 )相連，由所述 比較器級(jí)(420)的輸出控制且適于確定與所述積分模擬量(Vs)成比例 的第一數(shù)值(B);用于存儲(chǔ)所述第一數(shù)值(B)的裝置；負(fù)反饋電路(450 ),其輸入與所述存儲(chǔ)器元件(441)的輸出相連， 且包括轉(zhuǎn)換器(451 )，適于將所述第一數(shù)值(B)轉(zhuǎn)換成與所，擬量 (VB)類似的模擬信號(hào)(VDAC);用于從所述模擬量(VE)減去所述模擬信號(hào)(VDAC)的裝置(452 );和用于用依賴于所述第一數(shù)值的位數(shù)B的增益(2B)放大從所勤目 減得到的信號(hào)(VE-VDAe)的裝置(453 ),所述負(fù)反饋電路(450 )的輸出與所述積分器級(jí)(410 )的輸入(415 ) 相連，從而后者產(chǎn)生與放大的模擬信號(hào)(2B[VE-VDAe])成比例的第二數(shù)值 (M);用于將所述第一數(shù)值(B)和第二數(shù)值(M)相加以形成表示待被積 分的所a擬量(VE)的數(shù)(N)的裝置(460)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(422 ) 被偏置且由放置在每一列上的多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器共用。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)裝置包 括與該二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(442 )的輸出相連的兩個(gè)鎖定電路存儲(chǔ)器(441,443 )。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述負(fù)反 饋電路(450)包括適于實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的解碼系統(tǒng)和多個(gè)存儲(chǔ)器，所 述存儲(chǔ)器并聯(lián)地安裝且可利用開關(guān)單個(gè)地切換。
10、 一種電磁輻射探測(cè)器，尤其是紅外輻射探測(cè)器，包括并列設(shè)置的 單元傳感器的陣列，其特征在于，所述探測(cè)器包括如權(quán)利要求6-9中任一 項(xiàng)所述的裝置。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電磁輻射探測(cè)器，其特征在于，所述陣列具有單個(gè)行或單個(gè)列。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的電磁輻射探測(cè)器，其特征在于，所 述單元傳感器是輻射熱測(cè)量計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明的方法用于數(shù)字化從電磁輻射探測(cè)器發(fā)出的模擬量，該探測(cè)器包括并置的單元傳感器的陣列，該方法包括對(duì)陣列的每一行或每一列利用積分器級(jí)在第一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行模擬量的第一積分階段；通過比較器級(jí)控制第一積分階段的中斷；通過二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器元件將積分的模擬量轉(zhuǎn)換成第一數(shù)值；以代表最高有效位的第一二進(jìn)制數(shù)的形式存儲(chǔ)第一數(shù)值；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將得到的第一數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；從待被數(shù)字化的所述模擬量減去模擬信號(hào)；以代表第一數(shù)值的增益放大從該減法得到的信號(hào)；利用積分器級(jí)完成第二積分階段，以產(chǎn)生第二數(shù)值并且形成代表最低有效位的第二二進(jìn)制數(shù)；將第一數(shù)值和第二數(shù)值相加以形成表示待被積分的模擬量的數(shù)。
文檔編號(hào)G01J5/24GK101231192SQ200810008760
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者帕特里克·羅伯特 申請(qǐng)人:Ulis股份公司