專利名稱：針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生的制作方法
針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，頻譜測量是用于提供對探測器(probe)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的分析或確定的工具。這些參數(shù)通常包括探測器的允許確定探測器的物理、化學(xué)、生物或其他表征的屬性。示例包括例如對化學(xué)成分的分析，如對箱中的液體的分析等。頻譜測量需要產(chǎn)生具有特定頻譜范圍的激勵(lì)(stimulus)信號(hào)。鑒于需要產(chǎn)生具有特定頻譜范圍的激勵(lì)，現(xiàn)有頻譜分析系統(tǒng)包括復(fù)雜電路以便在該頻率范圍內(nèi)提供信號(hào)。這通常影響此類系統(tǒng)的價(jià)格并提高此類系統(tǒng)中耗散的電功率。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，一種方法包括將數(shù)字Σ-Δ (sigma-delta)調(diào)制信號(hào)饋送至探測器?；谠摂?shù)字Σ-Δ信號(hào)，從探測器接收響應(yīng)信號(hào)?；陧憫?yīng)信號(hào)來確定至少一個(gè)參數(shù)的步頁率相關(guān)值(frequency dependent value)。在另一方面，一種設(shè)備包括針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生器。所述信號(hào)產(chǎn)生器被配置為產(chǎn)生數(shù)字Σ-Δ信號(hào)。所述設(shè)備還包括數(shù)字輸出，將數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)作為用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)饋送至探測器。在另一方面，一種頻譜分析器包括信號(hào)產(chǎn)生器，被配置為產(chǎn)生數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)；以及數(shù)字輸出，將數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器，所述頻譜分析器還包括輸入，從探測器接收響應(yīng)信號(hào)；以及響應(yīng)分析器，基于響應(yīng)信號(hào)來確定探測器的至少一個(gè)屬性。在另一方面，一種方法包括提供至少部分地包括Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲的信號(hào)； 以及將所述信號(hào)用作頻譜測量中的激勵(lì)信號(hào)。在另一方面，一種頻譜分析器包括信號(hào)產(chǎn)生器被配置為提供用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)。所述激勵(lì)信號(hào)至少部分地包括Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲。在實(shí)施例中，頻譜中用于頻譜測量中的評估的部分至少包括具有最高的量化噪聲功率密度的頻率分量。在實(shí)施例中，這些頻率分量位于接近截止頻率處。


圖Ia示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備； 圖Ib示出了根據(jù)另一實(shí)施例的設(shè)備；
圖加和2b示出了根據(jù)實(shí)施例的、功率譜密度對頻率； 圖3示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的Σ-Δ調(diào)制器； 圖如和4b示出了根據(jù)實(shí)施例的框圖； 圖如至k示出了用于電容性測量的示例性電極配置；以及圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于電容性測量的示例性模型。
具體實(shí)施例方式以下具體實(shí)施方式
解釋了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。該描述不是在限制意義上進(jìn)行的，而是僅為了示意本發(fā)明的實(shí)施例的一般原理而進(jìn)行的，而保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求確定。在附圖所示的及以下描述的示例性實(shí)施例中，附圖所示或這里描述的功能塊、設(shè)備、組件或者其他物理或功能單元之間的任何直接連接或耦合也可以由間接連接或耦合實(shí)現(xiàn)，除非另有說明。功能塊可以以硬件、固件、軟件或其組合實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的各個(gè)示例性實(shí)施例的特征可以彼此組合，除非另有具體說明。在各幅圖中，可以給相同或相似的實(shí)體、模塊、設(shè)備等分配相同的參考標(biāo)記。圖Ia示出了包括用于產(chǎn)生用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)產(chǎn)生器101的設(shè)備100 的實(shí)施例。頻譜測量可以包括對探測器的至少一個(gè)頻率相關(guān)參數(shù)(如復(fù)阻抗)、探測器的導(dǎo)電性或介電性或者提供探測器的表征的其他參數(shù)的任何類型的分析、確定、評估或估計(jì)。頻譜測量可以確定與不同頻率處的至少兩個(gè)頻率相關(guān)參數(shù)值有關(guān)的信息。通常，可以在頻譜測量中確定不同離散頻率處的一系列值。離散頻率可以是等距的。在實(shí)施例中，頻譜測量可以基于傅里葉變換(例如快速傅里葉變換(FFT))，以提供頻譜測量的值。圖Ia示出了信號(hào)產(chǎn)生器101，包括提供對輸入信號(hào)104的Σ-Δ調(diào)制的Σ-Δ調(diào)制器102。Σ-Δ調(diào)制器耦合至數(shù)字輸出108，以便經(jīng)由數(shù)字輸出108將數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)作為用于頻率相關(guān)測量的激勵(lì)信號(hào)饋送至探測器。在一些實(shí)施例中，數(shù)字輸出可以包括 輸出級，被設(shè)計(jì)為使得其可以由可用作測量的計(jì)算中的校正的已知傳遞函數(shù)來描述。這種輸出級的一個(gè)實(shí)施例包括在兩個(gè)已定義的電壓電平之間切換的低歐姆開關(guān)。然后，可以在計(jì)算中將輸出級視為將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為放大的2電平電壓信號(hào)(即，放大的數(shù)字信號(hào))的常數(shù)因子。這還避免了需要附加A/D轉(zhuǎn)換來測量該激勵(lì)。如以下更詳細(xì)解釋的，在一些實(shí)施例中，信號(hào)產(chǎn)生器可以與信號(hào)響應(yīng)分析器一起集成在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上，該信號(hào)響應(yīng)分析器提供對探測器的響應(yīng)信號(hào)的分析以及該響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的比較。這使完整的頻譜分析系統(tǒng)集成在單個(gè)芯片上。Σ-Δ調(diào)制(有時(shí)也被稱作Δ-Σ調(diào)制)是以下概念其中，對信號(hào)進(jìn)行量化并且經(jīng)由反饋環(huán)路將量化誤差引回到信號(hào)路徑。通常，在反饋路徑中或在前向路徑中采用環(huán)路濾波器以提供噪聲整形。圖3中示出了 Σ-Δ調(diào)制器102的示例性實(shí)施例，在Σ-Δ調(diào)制調(diào)制器102中，在前向路徑中實(shí)現(xiàn)了環(huán)路濾波器202。圖3示出了在前向路徑中與量化器204相連接的環(huán)路濾波器202。量化器204可以是1比特量化器、2比特量化器或其他多級量化器。將量化器 204實(shí)現(xiàn)為1比特量化器提供了以下優(yōu)勢Σ-Δ調(diào)制輸出信號(hào)106是可在饋送至探測器之前使用數(shù)字緩沖器容易地放大的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。此外，如以下更詳細(xì)描述的，在對信號(hào)的分析中，可以容易地對二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。例如，數(shù)字緩沖器可以包括放大場效應(yīng)晶體管，例如任何類型的MOS晶體管。圖3示出了包括用于放大Σ-Δ調(diào)制數(shù)字信號(hào) 106的數(shù)字緩沖器208的輸出108。量化器204經(jīng)由節(jié)點(diǎn)208與數(shù)字緩沖器208相連接。為了實(shí)現(xiàn)反饋環(huán)路，反饋路徑206連接至節(jié)點(diǎn)208，以將信號(hào)106反饋至前饋路徑， 從而在節(jié)點(diǎn)210處使輸入信號(hào)104減去由量化器204引入的量化誤差。如上所述，圖3僅示出了 Σ-Δ調(diào)制器的多個(gè)實(shí)施方式之一。例如，在一些實(shí)施例中，可以在反饋環(huán)路中提供集成的環(huán)路濾波器202。環(huán)路濾波器202可以具有任何濾波器階。此外，在一些實(shí)施例中，Σ-Δ調(diào)制器可以具有多個(gè)反饋環(huán)路。例如，這些實(shí)施例包括MESH Σ-Δ調(diào)制器。在一個(gè)方面，將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)用作用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)允許在低復(fù)雜度的電路中產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。這與現(xiàn)有解決方案相比得到了成本節(jié)約和空間節(jié)約，并提供了易于安裝且非常便利的頻譜分析工具。具體地，在示例性實(shí)施例中，可以容易地在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生器101，從而得到低成本、低空間擴(kuò)展和低重量的非常緊湊的實(shí)現(xiàn)?？梢砸苑浅５偷某杀旧a(chǎn)這種處于單個(gè)芯片上的信號(hào)產(chǎn)生器，并可以容易地將其置于接近探測器(如燃料箱等)的位置處，而不耗費(fèi)較多空間且不增加探測器的重量。在實(shí)施例中，將包括Σ-Δ調(diào)制器102和輸出106的信號(hào)產(chǎn)生器101實(shí)現(xiàn)為純數(shù)字處理電路。這避免了可增加芯片的面積和成本的D/A或A/D轉(zhuǎn)換器的存在。在這些實(shí)施例中，可以在芯片上提供數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器以提供數(shù)字輸入信號(hào)104。在一些實(shí)施例中，數(shù)字輸入信號(hào)104是隨機(jī)或偽隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，例如，移位寄存器的經(jīng)由比特的邏輯組合而反饋至其輸入的輸出信號(hào)。然而，量化噪聲的高頻形狀并不決定性地(critically)依賴于數(shù)字輸入信號(hào)104的形狀。因此，在其他實(shí)施例中，輸入信號(hào)104 可以包括其他數(shù)字信號(hào)，例如啁啾信號(hào)或脈沖序列。一般地，Σ-Δ調(diào)制可以應(yīng)用于任何類型的信號(hào)，并且，由此獲得的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)通常具有能夠提供用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)的頻譜。對非重復(fù)輸入信號(hào)的使用以及具體地對隨機(jī)或偽隨機(jī)輸入信號(hào)的使用提供了以下優(yōu)勢避免數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)中的重復(fù)模式。在實(shí)施例中，數(shù)字輸入信號(hào)104的頻率上限低于Σ-Δ調(diào)制信號(hào)106的頻率上限。 換言之，將低頻的數(shù)字輸入信號(hào)104輸入至Σ-Δ調(diào)制器。在Σ-Δ調(diào)制之后，獲得包括量化噪聲的數(shù)字輸出信號(hào)106，其頻率分量高于數(shù)字輸入信號(hào)的頻率。在一些實(shí)施例中， Σ-Δ調(diào)制器可以包括由時(shí)鐘信號(hào)計(jì)時(shí)的采樣器，該采樣器用于獲得數(shù)字輸入信號(hào)104的過采樣。數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器可能已經(jīng)向數(shù)字輸入信號(hào)104提供低頻，或者可能向數(shù)字輸入信號(hào)104提供較高頻，然后，在饋送至Σ-Δ調(diào)制器102之前，在數(shù)字低通濾波器中對數(shù)字輸入信號(hào)104進(jìn)行濾波。因此應(yīng)當(dāng)注意，盡管在Σ-Δ調(diào)制器的許多其他用途中(例如，在A/D或D/A轉(zhuǎn)換器中)濾除了 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的由量化噪聲引入的高頻分量從而提供輸入信號(hào)的純凈表示， 但是在這里描述的實(shí)施例中數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的包括量化噪聲的高頻分量實(shí)際上提供用于頻譜測量的頻譜分量。換言之，盡管在Σ-Δ調(diào)制器的典型其他用途中，所產(chǎn)生的噪聲被視為要消除的分量，但是信號(hào)產(chǎn)生器101實(shí)際上將所產(chǎn)生的噪聲的至少一部分和由量化噪聲提供的頻譜饋送至探測器并將該頻譜用于頻譜測量。在實(shí)施例中，由Σ-Δ調(diào)制獲得的頻譜形狀是通過將量化噪聲整形至較高頻來表征的。噪聲的譜密度增大直到針對較高頻的截止頻率為止。這允許包括截止頻率附近的高頻分量的激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)可以用在頻譜測量中。信號(hào)的剩余較低頻部分由信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生，并且形狀對輸入信號(hào)來說并不關(guān)鍵。信號(hào)的時(shí)鐘頻率的高頻截止頻率與兩個(gè)接續(xù)數(shù)字采樣之間的時(shí)間段的逆(inverse)相對應(yīng)。在實(shí)施例中，截止頻率可以依賴于針對 Σ-Δ調(diào)制提供的時(shí)鐘頻率。在所描述的實(shí)施例中，用于分析的數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的頻譜基于在Σ-Δ調(diào)制期間對數(shù)字輸入信號(hào)引入的量化噪聲的頻譜。在圖加中作為頻率的函數(shù)示出了由Σ-Δ調(diào)制引入的量化噪聲的示例性功率譜
6密度。圖加的示例利用如上所述的隨機(jī)信號(hào)輸入。圖加示出了針對高頻的截止以及功率譜密度從截止界限向較低頻的相對較小的減小。鑒于在大致一個(gè)量級(一位十進(jìn)制功率)上的這種較小的僅小于20dB (分貝)的減小，功率譜密度可以被視為在大致一個(gè)量級上具有實(shí)質(zhì)上白特性(white behavior)。鑒于上述內(nèi)容，在一些實(shí)施例中，通過僅利用Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的包括具有最高的量化噪聲功率密度的頻譜區(qū)域的頻譜部分確定頻率相關(guān)值來確定頻率相關(guān)值。例如，所使用的功率密度的范圍可以是具有比最高功率密度低小于20dB的范圍內(nèi)的功率密度的頻率范圍。在一些實(shí)施例中，至少將從Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的最高頻分量開始向較低頻的、大約一個(gè)量級上的頻譜用于頻譜測量以及確定探測器的至少一個(gè)參數(shù)。在一些實(shí)施例中，可以在饋送至探測器之前修改Σ-Δ調(diào)制輸出信號(hào)。在這里描述的實(shí)施例中，激勵(lì)信號(hào)至少部分地包括Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲。在一些實(shí)施例中，被饋送至探測器的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)還可以包括對Σ-Δ調(diào)制輸出信號(hào)的修改，其中，修改或消除了 Σ-Δ輸出信號(hào)的某頻譜部分(例如低頻部分)，但將Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲頻譜的至少一部分饋送至探測器以提供頻譜測量。在一些實(shí)施例中，提供了具有不同截止頻率的多個(gè)Σ-Δ調(diào)制信號(hào)，以便擴(kuò)展用于測量的頻譜的實(shí)質(zhì)上白特性的范圍?？梢酝ㄟ^在Σ-Δ調(diào)制器中利用在頻率上可變的時(shí)鐘來產(chǎn)生多個(gè)數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的不同采樣頻率。通過從一個(gè)時(shí)鐘頻率切換至另一時(shí)鐘頻率，產(chǎn)生具有不同采樣頻率(即，具有不同截止頻率)的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)。例如，可以通過在至少與最高截止頻率一樣高的頻率處產(chǎn)生主時(shí)鐘信號(hào)，然后對主時(shí)鐘進(jìn)行下變頻以獲得不同較低頻率處的時(shí)鐘信號(hào)，來提供切換。然而，應(yīng)當(dāng)理解，這僅是能夠提供可變時(shí)鐘頻率的Σ-Δ調(diào)制的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器的許多示例之一。使用Σ-Δ調(diào)制器的優(yōu)勢在于為了產(chǎn)生具有不同截止頻率的信號(hào)，不需要除了將時(shí)鐘頻率移位至不同頻率以外的其他改變。因此，通過隨后在不同頻率處提供時(shí)鐘，可以通過Σ-Δ調(diào)制來產(chǎn)生多達(dá)4個(gè)量級或更多的實(shí)質(zhì)上白頻譜。在一些實(shí)施例中，用于頻譜測量的后續(xù)時(shí)鐘頻率可以以因子k不同，其中，k在5和20之間。在一些實(shí)施例中，k可以在8和13之間。在一些實(shí)施例中，k可以在5和10之間。在其他實(shí)施例中，k可以大致為 10。圖2b示出了具有與四個(gè)不同時(shí)鐘頻率相對應(yīng)的四個(gè)功率譜密度的示例。在圖2b 的示例中，后續(xù)頻率以因子10不同，S卩，用于產(chǎn)生用于頻譜測量的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的下一較高時(shí)鐘頻率是先前使用的時(shí)鐘頻率的10倍。然而，如上所述，可以使用其他頻率差異。隨后可以產(chǎn)生具有不同截止頻率的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)，因此，隨后還可以將其饋送至探測器。因此，頻譜分析器提供具有實(shí)質(zhì)上白的輸入信號(hào)頻譜的后續(xù)部分頻譜測量，后續(xù)部分頻譜測量被加在一起以提供由不同Σ-Δ調(diào)制信號(hào)覆蓋的完整范圍內(nèi)的測量。此外， 可以調(diào)整用于頻譜測量的頻譜。例如，如果僅關(guān)注第一頻帶和第二頻帶，則可以提供時(shí)鐘頻率以覆蓋僅針對所關(guān)注的這些頻帶的實(shí)質(zhì)上白噪聲頻譜。換言之，用于頻譜測量的頻譜可能不是鄰接的，但可以在所關(guān)注的較小頻帶中分離。鑒于上述內(nèi)容，在一個(gè)實(shí)施例中，將具有不同時(shí)鐘頻率的第一和第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)饋送至探測器。然后從探測器接收第一和第二響應(yīng)信號(hào)。第一響應(yīng)信號(hào)基于將第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器，并且第二響應(yīng)信號(hào)基于饋送第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)。通過利用第一響應(yīng)信號(hào)的第一頻譜部分和第二響應(yīng)信號(hào)的第二頻譜部分來確定頻率相關(guān)值。第一頻譜部分包括第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)比第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)具有更高噪聲功率密度的頻率范圍，并且第二頻譜部分包括第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)比第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)具有更高噪聲功率密度的頻率范圍。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，這可以被擴(kuò)展至多于兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)，使得對于每個(gè)響應(yīng)信號(hào)，利用頻率范圍來確定與相同頻率處的其他激勵(lì)信號(hào)的功率密度相比具有最高功率密度的參數(shù)。為了分析響應(yīng)信號(hào)，在實(shí)施例中提供了信號(hào)響應(yīng)分析器。在一些實(shí)施例中，可以將用于分析響應(yīng)信號(hào)并確定探測器的一個(gè)或多個(gè)物理、化學(xué)、生物或其他參數(shù)的信號(hào)響應(yīng)分析器集成在設(shè)備100中。在一些實(shí)施例中，這允許可完全集成在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上的緊湊且低成本的數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)。這些系統(tǒng)幾乎不具有重量并且甚至在安裝空間非常有限時(shí)也可以容易地安裝。圖Ib示出了信號(hào)產(chǎn)生器和信號(hào)響應(yīng)分析器112集成在設(shè)備100內(nèi)的實(shí)施例。在圖Ib中，設(shè)備100具有用于從探測器接收響應(yīng)信號(hào)114的輸入110。然后，將響應(yīng)信號(hào)114 從輸入110提供給信號(hào)響應(yīng)分析器112的第一輸入。此外，把作為激勵(lì)信號(hào)饋送至探測器的原始Σ-Δ調(diào)制信號(hào)106提供給信號(hào)響應(yīng)分析器112的第二輸入。然后，信號(hào)響應(yīng)分析器112基于激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)來提供頻譜測量。響應(yīng)信號(hào)包含由于存在探測器而引入的對激勵(lì)信號(hào)的修改。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，響應(yīng)信號(hào)可以表示通過探測器進(jìn)行傳輸后的激勵(lì)信號(hào)，并可以包括在通過探測器進(jìn)行傳輸期間引入的信號(hào)修改。在其他實(shí)施例中，例如，響應(yīng)信號(hào)可以包括反射信號(hào)分量。例如， 響應(yīng)信號(hào)可以包括電壓信號(hào)或電流信號(hào)。在實(shí)施例中，可以與Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的時(shí)鐘頻率同步地對響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。因此，在一些實(shí)施例中，可以將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)提供給從探測器接收響應(yīng)信號(hào)的電路的輸入，以提供同步的采樣和A/D轉(zhuǎn)換。與信號(hào)產(chǎn)生器101類似，在一些實(shí)施例中，可以將信號(hào)響應(yīng)分析器112完全實(shí)現(xiàn)為數(shù)字電路，從而得到緊湊的、具有非常低成本的完全信號(hào)分析系統(tǒng)。例如，這種分析系統(tǒng)可以用在需要頻譜分析測量(例如，用于例如檢測流體或固體材料的電容性傳感器中的頻譜測量)的大批量生產(chǎn)系統(tǒng)中。圖如示出了一個(gè)示例性實(shí)施例的框圖。該框圖示出了數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器塊402，其產(chǎn)生作為輸入信號(hào)饋送至Σ-Δ調(diào)制器塊404的低頻數(shù)字信號(hào)。將從Σ-Δ調(diào)制器塊404 輸出的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)提供給數(shù)字輸出緩沖器塊406，并將該Σ-Δ調(diào)制信號(hào)從數(shù)字輸出緩沖器塊406饋送至發(fā)射電極408。例如，數(shù)字輸出緩沖器塊406可以包括針對激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字輸出的晶體管(如MOS晶體管)?；谠诎l(fā)射電極408處接收的信號(hào)來對發(fā)射電極408充電和放電。發(fā)射電極408電容性耦合至接收電極410，以通過要分析的物體或液體以無線方式將信號(hào)從發(fā)射電極408傳送至接收電極410。然后，將在接收電極410處接收的響應(yīng)信號(hào)提供給接收機(jī)塊412，然后將該響應(yīng)信號(hào)饋送至響應(yīng)FFT塊414。響應(yīng)FFT塊414提供對響應(yīng)信號(hào)的傅里葉變換并將結(jié)果饋送至響應(yīng)/激勵(lì)塊416。此外，還將從Σ-Δ調(diào)制器塊404輸出的激勵(lì)信號(hào)提供給激勵(lì)FFT塊418，激勵(lì)FFT 塊418提供對激勵(lì)信號(hào)的傅里葉變換。將對激勵(lì)信號(hào)的傅里葉變換的結(jié)果提供給發(fā)射機(jī)傳遞函數(shù)塊420，發(fā)射機(jī)傳遞函數(shù)塊420針對不是被通過物體或液體對信號(hào)的傳送導(dǎo)致的修改來校正對激勵(lì)信號(hào)的傅里葉變換的結(jié)果。這種校正可以包括以下校正這些校正解決激勵(lì)信號(hào)從Σ-Δ調(diào)制器塊404至發(fā)射電極408、從發(fā)射電極至探測器、從探測器至接收電極以及從接收電極410至響應(yīng)FFT塊414的傳送。例如，這些校正可以依賴于用于將信號(hào)饋送至電極的傳輸電纜、電極布置的幾何結(jié)構(gòu)或者在電極與探測器之間提供的其他材料。例如， 當(dāng)在箱之外提供電容性測量中的電極時(shí)，箱材料可以引入可被傳遞函數(shù)塊420校正的對信號(hào)的修改。然后，將對激勵(lì)信號(hào)的校正傅里葉變換提供給響應(yīng)/激勵(lì)塊416。響應(yīng)/激勵(lì)塊 416提供響應(yīng)FFT結(jié)果與激勵(lì)FFT校正結(jié)果的除法，以獲得要分析的參數(shù)的頻率相關(guān)特性。 例如，在上述示例中，要測量的參數(shù)可能包括允許確定介電常數(shù)ε和導(dǎo)電性σ的特性的實(shí)值或復(fù)值阻抗。在所描述的實(shí)施例中，提供了頻譜測量的多次重復(fù)，以提高頻譜測量的可靠性。因此，將響應(yīng)/激勵(lì)塊416的輸出提供給求平均塊422，求平均塊422被配置為對多次頻譜測量的結(jié)果求平均。在求平均塊422中提供的求平均可以利用求平均的任何已知概念，例如，算數(shù)手段、幾何手段、加權(quán)平均等。如以下更詳細(xì)描述的，基于所提供的頻譜測量， 在一些實(shí)施例中，可以例如在電容性測量中確定探測器的材料成分?？梢栽诙喾N電極配置中布置電容性測量?，F(xiàn)在參照圖如至5d示出了示例性實(shí)施例。圖如和恥示出了彼此橫向提供電極的第一電容性測量配置。圖恥示出了對在具有探測器的情況下示出的比不存在探測器504時(shí)(圖5a)更密的場線的影響。此外，圖5c示出了與每個(gè)電極相對地提供電導(dǎo)體的配置。在電導(dǎo)體與相應(yīng)電極之間，建立對探測器的介電或?qū)щ姼淖兠舾械臏y量區(qū)域。圖5d示出了以下電極配置其中，將電場的一部分分路至接地端504并在兩個(gè)電極之間建立電場的一部分。圖k中示出了圖5d的配置的實(shí)施方式的一個(gè)實(shí)施例，其中在半導(dǎo)體芯片中實(shí)現(xiàn)設(shè)備100。圖k示出了箱506，在箱506的外表面上安裝有發(fā)射電極408、接收電極410和接地電極504。每個(gè)電極連接至設(shè)備100的對應(yīng)輸入。在示例性電容性測量中，可以將1伏和10伏之間的電壓供給至探測器，并且可以在測量期間消耗高達(dá)100 mA的電流?，F(xiàn)在將參照圖6來描述可以用于確定介電性和導(dǎo)電性的圖5d的上述實(shí)施例的模型。圖6示出了發(fā)射電極408與接收電極410之間的探測器502。經(jīng)由發(fā)射電極408 將激勵(lì)信號(hào)提供給探測器502并將其從探測器502提供給接收電極410。探測器對激勵(lì)信號(hào)的影響可以由探測器內(nèi)的材料的復(fù)值介電常數(shù)表征。復(fù)值介電常數(shù)是實(shí)值介電分量和虛值導(dǎo)電分量的結(jié)果，并依賴于激勵(lì)信號(hào)頻率。因此，該參數(shù)的頻率特性可以被視為對每個(gè)材料唯一，并可以允許確定探測器的材料成分。電容性分量基本上解決探測器內(nèi)的電位移。導(dǎo)電分量基本上解決在探測器中感應(yīng)的位移電流的能量損失。鑒于上述內(nèi)容，從發(fā)射電極408至接收電極410的信號(hào)路徑可以被分割為與導(dǎo)電耦合模式相對應(yīng)的路徑和與介電耦合模式相對應(yīng)的路徑。此外，將信號(hào)的一部分從發(fā)射電極408分路至接地端504，這在模型中由分路模式路徑表示。在模型中可以由電阻R1、R2和R3表示由材料的DC電阻表征的導(dǎo)電耦合模式。在模型中，電阻Rl、R2和R3在一端耦合至節(jié)點(diǎn)602并在另一端經(jīng)由相應(yīng)電容Cl、C2和C3耦合至發(fā)射電極408、接地電極504和接收電極410。在模型中，電容Cl表示發(fā)射電極408和探測器502之間的電容，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由該電容耦合至探測器中。電容C2表示探測器502與接地電極504之間的電容，信號(hào)經(jīng)由該電容從探測器耦合至接地端。電容C3表示探測器與接收電極410之間的電容，信號(hào)經(jīng)由該電容從探測器耦合至接收電極410。例如，電容Cl、 C2和C3可以依賴于箱的厚度和材料。此外，在模型中由電容C4表示電容性耦合。電容C4 的值將根據(jù)探測器的介電性而改變。利用上述模型，可以獲得介電性或DC導(dǎo)電性或者這兩者的頻譜行為。通過將該行為與已知材料成分的頻譜行為進(jìn)行比較，可以在一些實(shí)施例中提供對材料成分的分析。然而應(yīng)當(dāng)理解，上述模型以及將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)用于電容性測量僅具有示例性特點(diǎn)，并且，可以通過利用Σ-Δ調(diào)制信號(hào)來提供其他類型的頻譜測量。此外，在一些實(shí)施例中，由信號(hào)產(chǎn)生器饋送至探測器的數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)可以是先前已由Σ-Δ調(diào)制器或Σ-Δ調(diào)制的模擬器產(chǎn)生然后存儲(chǔ)在信號(hào)產(chǎn)生器的存儲(chǔ)器中的保存信號(hào)。為了將信號(hào)饋送至探測器，然后從該存儲(chǔ)器重新捕獲信號(hào)并將該信號(hào)提供給探測器。當(dāng)Σ-Δ調(diào)制信號(hào)具有二進(jìn)制電平時(shí)，可以將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的數(shù)字采樣作為數(shù)字比特存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器中。在一些實(shí)施例中，具有二進(jìn)制電平的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的存儲(chǔ)、重新捕獲和數(shù)字放大可以比具有多于二進(jìn)制的電平的多電平Σ-Δ調(diào)制信號(hào)更容易且更快速。 此外，在一些實(shí)施例中，還可以將對應(yīng)的頻譜(即，所存儲(chǔ)的Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的傅里葉變換) 存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器中。這減少了對在將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器時(shí)提供進(jìn)行中的傅里葉變換的需要。圖4b示出了一個(gè)示例性實(shí)施例的框圖，在該示例性實(shí)施例中，將Σ-Δ調(diào)制信號(hào)保存在數(shù)字存儲(chǔ)器中，并從該數(shù)字存儲(chǔ)器提供該Σ-Δ調(diào)制信號(hào)以將激勵(lì)信號(hào)饋送至探測
ο與圖如不同，圖如的數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生器塊402和Σ-Δ調(diào)制器塊404被塊似4替換，塊4M存儲(chǔ)Σ-Δ調(diào)制噪聲信號(hào)并將該信號(hào)提供給數(shù)字輸出緩沖器406以饋送至發(fā)射電極408。此外，在圖4b的實(shí)施例中，提供了塊426，塊4 存儲(chǔ)對應(yīng)的頻譜并將該頻譜輸出至發(fā)射機(jī)傳遞函數(shù)塊420。應(yīng)當(dāng)注意，為了節(jié)約存儲(chǔ)器，在一些實(shí)施例中，在激勵(lì)信號(hào)和對應(yīng)的所存儲(chǔ)的頻譜中可以僅提供所關(guān)注的頻譜范圍。在以上描述中，已經(jīng)示出和描述了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠足夠詳細(xì)地實(shí)現(xiàn)這里公開的教導(dǎo)的實(shí)施例?？梢岳貌闹袑?dǎo)出其他實(shí)施例，使得在不脫離本公開的范圍的前提下，可以進(jìn)行結(jié)果和邏輯上的替代和改變。因此，該具體實(shí)施方式
不應(yīng)在限制意義上進(jìn)行，各個(gè)實(shí)施例的范圍僅由所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求的權(quán)利所涉及的等同替換方式的全部范圍來限定。這里僅為了方便而由術(shù)語“發(fā)明，，單獨(dú)和/或共同指代本發(fā)明的主題的此類實(shí)施例，而并不意欲在實(shí)際上公開了多于一個(gè)發(fā)明的情況下主動(dòng)將本申請的范圍限于任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明的概念。因此，盡管這里已經(jīng)示意并描述了具體實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以用被計(jì)算出以實(shí)現(xiàn)相同目的的任何布置替代所示的具體實(shí)施例。本公開意在涵蓋各個(gè)實(shí)施例的任何以及所有改編或變更。在回顧了以上描述之后，上述實(shí)施例和這里未具體描述的其他實(shí)施例的組合將對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見。還應(yīng)當(dāng)注意，說明書和權(quán)利要求書中使用的具體術(shù)語可以在非常寬的意義上解釋。例如，這里使用的術(shù)語“電路”應(yīng)當(dāng)在不僅包括硬件而且包括軟件、固件或其任意組合的意義上解釋。在實(shí)施例中，術(shù)語“實(shí)體”、“單元”或“設(shè)備”可以包括任何設(shè)備電路、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件實(shí)現(xiàn)、固件實(shí)現(xiàn)、芯片或其他半導(dǎo)體器件上的實(shí)現(xiàn)。此外，術(shù)語“耦合”或“連接” 可以在不僅涵蓋直接耦合而且涵蓋間接耦合的較寬意義上解釋。還應(yīng)當(dāng)注意，除了這些實(shí)體中的實(shí)現(xiàn)以外，結(jié)合具體實(shí)體描述的實(shí)施例還可以包括所述實(shí)體的一個(gè)或多個(gè)子實(shí)體或細(xì)分中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)。形成實(shí)施例的一部分的附圖以示意而非限制的方式示出了可實(shí)現(xiàn)主題的具體實(shí)施例。在以上具體實(shí)施方式
中，可以看出，在單個(gè)實(shí)施例中將各個(gè)特征集合在一起以便簡化本公開。本公開的方法不應(yīng)解釋為反映以下意圖要求保護(hù)的實(shí)施例需要比每個(gè)權(quán)利要求中明確記載的特征更多的特征。相反，如權(quán)利要求所反映，本發(fā)明的主題在于比單個(gè)公開的實(shí)施例的所有特征更少的特征。因此，特此將權(quán)利要求并入具體實(shí)施方式
中，其中，每個(gè)權(quán)利要求可以獨(dú)自代表單獨(dú)的實(shí)施例。盡管每個(gè)權(quán)利要求可以獨(dú)自代表單獨(dú)的實(shí)施例， 但是應(yīng)當(dāng)注意，盡管權(quán)利要求中的從屬權(quán)利要求可以指代與一個(gè)或多個(gè)其他權(quán)利要求的具體組合，但是其他實(shí)施例也可以包括該從屬權(quán)利要求與每個(gè)其他從屬權(quán)利要求的主題的組合。這里提出了這些組合，除非聲明了并不意在包含具體組合。此外，應(yīng)當(dāng)注意，提出了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的具體實(shí)施方式
中描述的一個(gè)或多個(gè)特征與其他實(shí)施例的組合，以及一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的具體實(shí)施方式
中描述的一個(gè)或多個(gè)特征與一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求中描述的主題的組合。還應(yīng)當(dāng)注意，說明書或權(quán)利要求書中公開的方法可以由具有用于執(zhí)行這些方法的每個(gè)相應(yīng)步驟的裝置的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
1權(quán)利要求
1.一種方法，包括將包括量化噪聲的數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器；從所述探測器接收響應(yīng)信號(hào)；以及基于所述響應(yīng)信號(hào)來確定至少一個(gè)參數(shù)的頻率相關(guān)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)，在所述探測器的至少一部分中產(chǎn)生電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制電平信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的頻譜的至少一部分基于在Σ-Δ調(diào)制期間對數(shù)字輸入信號(hào)引入的量化噪聲的頻譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)包括從所述數(shù)字Σ-Δ 調(diào)制信號(hào)的采樣頻率變化到比所述采樣頻率低至少一個(gè)量級的頻率區(qū)間內(nèi)的頻率分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定頻率相關(guān)值包括僅利用所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的頻譜部分來確定頻率相關(guān)值，所述頻譜部分包括具有最高的量化噪聲功率密度的頻譜區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器包括 饋送具有第一截止頻率的第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)；以及饋送至少具有第二截止頻率的第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，將數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器包括 基于具有第一時(shí)鐘頻率的Σ-Δ調(diào)制來產(chǎn)生第一數(shù)字Σ-Δ信號(hào)；基于具有第二時(shí)鐘頻率的Σ-Δ調(diào)制來產(chǎn)生至少第二數(shù)字Σ-Δ信號(hào)；以及隨后將第一和至少第二 Σ-Δ信號(hào)饋送至所述探測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括接收基于第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的饋送的第一響應(yīng)信號(hào)以及基于第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)的饋送的第二響應(yīng)信號(hào)，其中，確定頻率相關(guān)值包括利用所述第一響應(yīng)信號(hào)的第一頻譜部分和所述第二響應(yīng)信號(hào)的第二頻譜部分來確定頻率相關(guān)值，其中，所述第一頻譜部分包括以下頻率范圍在該頻率范圍內(nèi)，第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)比第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)具有更高的噪聲功率密度；以及其中，所述第二頻譜部分包括以下頻率范圍在該頻率范圍內(nèi)，第二 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)比第一 Σ-Δ調(diào)制信號(hào)具有更高的噪聲功率密度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一時(shí)鐘頻率和所述第二時(shí)鐘頻率以因子 k分離，其中，k在5和20之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)是在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上產(chǎn)生的。
12.—種設(shè)備，包括針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生器，所述信號(hào)產(chǎn)生器被配置為產(chǎn)生數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)；以及數(shù)字輸出，將所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制電平信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述數(shù)字Σ-Δ信號(hào)的頻譜基于在Σ-Δ調(diào)制期間對第一數(shù)字信號(hào)弓I入的量化誤差的頻譜。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括 采樣器，以第一頻率對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣； 量化器，提供量化信號(hào)；反饋環(huán)路，反饋所述量化信號(hào)的誤差； 積分器；以及數(shù)字輸出，將所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至所述探測器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括Σ-Δ調(diào)制器，被配置為提供用于隨機(jī)或偽隨機(jī)數(shù)字輸入信號(hào)的Σ-Δ調(diào)制。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生器被配置為以第一時(shí)鐘頻率基于Σ-Δ調(diào)制來產(chǎn)生第一數(shù)字Σ-Δ信號(hào)；以及以第二時(shí)鐘頻率基于Σ-Δ調(diào)制來產(chǎn)生第二數(shù)字Σ-Δ信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生器被配置為將所述Σ-Δ調(diào)制器的時(shí)鐘頻率從第一頻率改變?yōu)榈诙l率。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，第一采樣頻率和第二采樣頻率以因子k分離， 其中，k在5和20之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生器是在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)的。
21.一種頻譜分析器，包括信號(hào)產(chǎn)生器，被配置為產(chǎn)生數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)； 數(shù)字輸出，將所述數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器； 輸入，接收響應(yīng)信號(hào)；以及響應(yīng)分析器，基于所述響應(yīng)信號(hào)來確定所述探測器的至少一個(gè)屬性。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的頻譜分析器，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生器和所述響應(yīng)分析器集成在相同的半導(dǎo)體芯片上。
23.一種方法，包括提供至少部分地包括Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲的信號(hào)；以及將所述信號(hào)用作頻譜測量中的激勵(lì)信號(hào)。
24.一種頻譜分析器，包括信號(hào)產(chǎn)生器，所述信號(hào)產(chǎn)生器被配置為提供用于頻譜測量的激勵(lì)信號(hào)，所述激勵(lì)信號(hào)至少部分地包括Σ-Δ調(diào)制的量化噪聲。
全文摘要
本發(fā)明涉及針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生。描述并示出了與針對頻譜測量的信號(hào)產(chǎn)生有關(guān)的實(shí)施例。一種方法，包括將包括量化噪聲的數(shù)字Σ-Δ調(diào)制信號(hào)饋送至探測器；從所述探測器接收響應(yīng)信號(hào)；以及基于所述響應(yīng)信號(hào)來確定至少一個(gè)參數(shù)的頻率相關(guān)值。
文檔編號(hào)G01R23/16GK102445598SQ20111029294
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者哈默施密特 D. 申請人:英飛凌科技股份有限公司