電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用其的光電傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用其的光電傳感器，用以將一模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào)，其特征在于，包括：電流積分電路，用以接收所述模擬電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出積分電壓信號(hào)；積分電壓放大電路，用以接收并保持所述積分電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大運(yùn)算，輸出積分電壓放大信號(hào)；比較量化電路，用以根據(jù)所述積分電壓放大信號(hào)生成比較信號(hào)；計(jì)數(shù)電路，接收所述比較信號(hào)和一時(shí)鐘信號(hào)，在所述比較信號(hào)維持有效電平期間，對(duì)所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將所述比較信號(hào)翻轉(zhuǎn)前的計(jì)數(shù)結(jié)果作為所述數(shù)值信號(hào)。采用本發(fā)明的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，能夠有效提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率和精度。
【專利說明】
電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用其的光電傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電力電子技術(shù)，更具體地說，涉及一種電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用其的光電傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]心率檢測(cè)的原理是LED發(fā)光照射到手腕上，光電二極管接收反射光轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由于心臟跳動(dòng)，不同時(shí)刻的血流量不同對(duì)LED光的反射量也不同，而對(duì)于同一光強(qiáng)，皮膚和骨骼引起的光反射量則是固定值，因此，測(cè)量反射回來的光，可以用來確定心跳。這種由于脈搏跳動(dòng)引起的光電二極管接收的電流變化量為PA級(jí)的，這種電流的變化經(jīng)普通的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化的數(shù)值變化很小，很難分辨出心率曲線的骨峰值。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)為解決此問題，一般通過增大驅(qū)動(dòng)電流，增長LED發(fā)光時(shí)間以及增大積分時(shí)間或者減小積分電容來增大解析度，但是增大驅(qū)動(dòng)電流以及增長LE D發(fā)光時(shí)間都會(huì)增加芯片的功耗，若積分時(shí)間過長，背景光的變異則會(huì)引起更大的變異誤差，同樣，過大地減小積分電容則會(huì)引起穩(wěn)定性的問題。
[0004]另外一種解決方案，是在電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，先對(duì)電流進(jìn)行放大，電流放大電路一般由很多并聯(lián)的電流單元組成，根據(jù)需要的增益來決定導(dǎo)通的電流單元的個(gè)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的放大。然后，對(duì)放大后的電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化以獲得數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)用來確定心跳。然而，每個(gè)電流單元都包含晶體管模塊，較多晶體管模塊的設(shè)置使得芯片的成本和面積都大大增加，不利于芯片的小型化和低成本化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用其的光電傳感器，以解決現(xiàn)有中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分辨率低的問題。
[0006]第一方面，提供一種電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用以將一模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值信號(hào)，其特征在于，包括:
[0007]電流積分電路，用以接收所述模擬電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出積分電壓信號(hào)；
[0008]積分電壓放大電路，用以接收所述積分電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大運(yùn)算，輸出積分電壓放大信號(hào)；
[0009]比較量化電路，用以根據(jù)所述積分電壓放大信號(hào)生成比較信號(hào)；
[0010]計(jì)數(shù)電路，接收所述比較信號(hào)和一時(shí)鐘信號(hào)，在所述比較信號(hào)維持有效電平期間，對(duì)所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果作為所述數(shù)值信號(hào)。
[0011]優(yōu)選地，所述電流積分電路包括第一開關(guān)和積分電路，所述第一開關(guān)連接在所述積分電路的一個(gè)輸入端和輸出端之間，
[0012]在所述第一開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，所述電流積分電路復(fù)位，在所述第一開關(guān)關(guān)斷時(shí)，所述電流積分電路對(duì)接收到的所述模擬電流信號(hào)進(jìn)行積分。
[0013]優(yōu)選地，所述電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在每次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先將所述電流積分電路進(jìn)行復(fù)位。
[0014]優(yōu)選地，所述積分電壓放大電路包括第二開關(guān)、第二電容和第二運(yùn)算放大器，
[0015]所述第二開關(guān)的第一端連接在所述電流積分電路的輸出端，第二端連接在所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端，所述第二電容的第一端連接在所述第二開關(guān)的第二端和所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端的公共連接點(diǎn)，第二端連接至地，
[0016]所述第二運(yùn)算放大器用以根據(jù)所述第二電容兩端的電壓和一基準(zhǔn)電壓信號(hào)生成所述積分電壓放大信號(hào)；
[0017]在所述第二開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，所述電流積分電路的輸出端直接與所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端接通，在所述第二開關(guān)關(guān)斷時(shí)，所述第二電容兩端的電壓維持不變。
[0018]優(yōu)選地，所述第二開關(guān)在所述電流積分電路復(fù)位階段和所述模擬電流存在時(shí)保持導(dǎo)通，在所述時(shí)鐘信號(hào)開始使能時(shí)保持關(guān)斷。
[0019]優(yōu)選地，所述比較量化電路包括第三電容和第三運(yùn)算放大器，
[0020]所述第三運(yùn)算放大器的第一輸入端接收所述積分電壓放大信號(hào)，第二輸入端接收所述第三電容兩端的電壓，輸出所述比較信號(hào)，
[0021]其中，所述第三電容的一端連接至所述第三運(yùn)算放大器的第二輸入端，另一端連接至地，在所述第二開關(guān)關(guān)斷期間，基準(zhǔn)電流信號(hào)對(duì)所述第三電容進(jìn)行充電。
[0022]優(yōu)選地，所述比較量化電路還包括第四開關(guān)，用以對(duì)所述第三電容兩端的電壓進(jìn)行復(fù)位，
[0023]所述第四開關(guān)并聯(lián)連接在所述第三電容的兩端，在同一時(shí)刻，所述第四開關(guān)與所述第一開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)相同。
[0024]第二方面，提供一種光電傳感器，包括:
[0025]發(fā)光設(shè)備，發(fā)出第一光信號(hào)，
[0026]光電轉(zhuǎn)換電路，用以接收所述第一光信號(hào)經(jīng)物體反射回來的第二光信號(hào)和背景光，生成輸入電流信號(hào)，
[0027]所述輸入電流信號(hào)和根據(jù)所述背景光生成的背景光電流進(jìn)行計(jì)算以得到模擬電流?目號(hào)，
[0028]以及，根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)所述模擬電流信號(hào)生成數(shù)值信號(hào)。
[0029]優(yōu)選地，還包括背景光采樣保持電路，用以在所述發(fā)光設(shè)備不發(fā)光時(shí)，采集所述物體周圍的背景光，并根據(jù)所述背景光生成所述背景光電流信號(hào)。
[0030]優(yōu)選地，所述模擬電流信號(hào)為所述輸入電流信號(hào)和所述背景光電流之差。
[0031]本發(fā)明提供的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，先將ac分量較小的模擬電流信號(hào)通過積分電路轉(zhuǎn)變?yōu)榉e分電壓信號(hào)，通過對(duì)積分電壓信號(hào)進(jìn)行保持并放大，達(dá)到將模擬電流信號(hào)放大的目的。本發(fā)明的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效解決了由于模擬電流信號(hào)過小而導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率低的問題。同時(shí)，也可以使輸入范圍更大，能夠適應(yīng)更寬范圍的電壓，有利于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。
【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1為依據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0034]圖2為依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0035]圖3為第二實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作波形；
[0036]圖4為依據(jù)本發(fā)明的光電傳感器的電路示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。
[0038]此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。
[0039]同時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個(gè)元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構(gòu)成的導(dǎo)電回路。當(dāng)稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結(jié)合。相反，當(dāng)稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時(shí)，意味著兩者不存在中間元件。
[0040]除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義;也就是說，是“包括但不限于”的含義。
[0041 ]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0042]圖1為依據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用以將一模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào)。如圖1所示，電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10包括電流積分電路101、積分電壓放大電路102、比較量化電路103以及計(jì)數(shù)電路104。
[0043]電流積分電路101用以接收模擬電流信號(hào)Iin，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出積分電壓信號(hào)Vint。模擬電流信號(hào)Iin經(jīng)過電流積分電路101后，會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，即積分電壓信號(hào)Vint，該信號(hào)可以表征模擬電流信號(hào)Iin的大小。電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10在每次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先將電流積分電路1I進(jìn)行復(fù)位。
[0044]積分電壓放大電路102用以接收并保持積分電壓信號(hào)Vint，并對(duì)其進(jìn)行放大運(yùn)算，輸出積分電壓放大信號(hào)Vamp。積分電壓放大電路102在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)模擬電流信號(hào)I in存在時(shí)，對(duì)積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行米樣；當(dāng)模擬電流信號(hào)I in不存在時(shí)，對(duì)積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行保持，從而獲得穩(wěn)定的積分電壓信號(hào)Vint以便進(jìn)行后續(xù)的放大運(yùn)算，用以保證電路的準(zhǔn)確性。
[0045]比較量化電路103用以根據(jù)積分電壓放大信號(hào)Vamp生成比較信號(hào)Vcomp。具體地，比較量化電路103同時(shí)也接收一恒定的基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref，基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref給一電容充電，當(dāng)該電容上的電壓充至積分電壓放大信號(hào)Vamp的值時(shí)，比較信號(hào)Vcomp發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
[0046]計(jì)數(shù)電路104，接收比較信號(hào)Vcomp和一時(shí)鐘信號(hào)CLK，在比較信號(hào)Vcomp維持有效電平期間，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)CLK進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將比較信號(hào)Vcomp翻轉(zhuǎn)前的計(jì)數(shù)結(jié)果作為所述數(shù)值信號(hào)DATA。
[0047]由此，可以將一個(gè)ac分量較小的模擬電流信號(hào)Iin，通過積分運(yùn)算后，先轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，即積分電壓信號(hào)Vint，接著積分電壓放大電路102對(duì)積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行保持并放大，再通過比較量化電路103進(jìn)行電壓的比較，計(jì)數(shù)電路104根據(jù)比較結(jié)果，S卩比較信號(hào)Vcomp，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此得到數(shù)值信號(hào)DATA，便實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能
[0048]傳統(tǒng)方法中，當(dāng)對(duì)一個(gè)ac分量較小的模擬電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先通過電流放大器等電路將該電流放大一定的倍數(shù)，再進(jìn)行后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能夠分辨出來。然而，由于電流放大電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，費(fèi)芯片面積且容易受到干擾，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成諸多問題。相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，采用本發(fā)明技術(shù)的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，不用先將ac分量較小的模擬電流信號(hào)Iin通過電流放大器等電路進(jìn)行放大，而是通過對(duì)為電壓信號(hào)的積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行保持并放大，實(shí)現(xiàn)電壓放大則較為方便，運(yùn)算放大電路便可實(shí)現(xiàn)。由此，可以看出，本發(fā)明的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效解決了模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率低的問題。
[0049]圖2為依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本實(shí)施例給出了電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路1中的電流積分電路11、積分電壓放大電路102、比較量化電路1 3的具體電路結(jié)構(gòu)。
[0050]如圖2所示、電流積分電路101包括第一開關(guān)SI，第一電容Cl和第一運(yùn)算放大器Al，其中，第一電容Cl (即積分電容)和第一運(yùn)算放大器Al構(gòu)成積分電路。
[0051]這里，第一開關(guān)SI連接在所述積分電路的反相輸入端和輸出端之間，模擬電流信號(hào)Iin也連接至積分電路的反相輸入端，積分電路的同相輸入端接收第一基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vrefl。在第一開關(guān)SI導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)模擬電流信號(hào)Iin還不存在，電流積分電路101復(fù)位，在第一開關(guān)SI關(guān)斷時(shí)，電流積分電路101對(duì)接收到的模擬電流信號(hào)Iin進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出積分電壓信號(hào)Vint。電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10在每次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先將電流積分電路101進(jìn)行復(fù)位，即在模擬電流信號(hào)Iin還不存在時(shí)，將第一開關(guān)SI導(dǎo)通一段時(shí)間，以使得電流積分電路101清零。
[0052]積分電壓放大電路102、包括第二開關(guān)S2、第二電容C2、第二運(yùn)算放大器A2，以及第一電阻Rl和第二電阻R2。其中，第二運(yùn)算放大器A2，第一電阻Rl以及第二電阻R2構(gòu)成運(yùn)算放大電路。
[0053]其中，第二開關(guān)S2的第一端連接在電流積分電路101的輸出端，第二端連接在第二運(yùn)算放大器A2的第一輸入端，第二電容C2的第一端連接在第二開關(guān)S2的第二端和第二運(yùn)算放大器A2的第一輸入端的公共連接點(diǎn)，第二電容C2第二端連接至地。這里，第二運(yùn)算放大器A2的第一輸入端指的是同相輸入端，第二運(yùn)算放大器A2的第二輸入端指的是反相輸入端，可以理解的是，若第二運(yùn)算放大器A2的連接方式與之相反，則電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10中的其他連接關(guān)系也應(yīng)做相應(yīng)的改變，以滿足工作原理。
[0054]在第二開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，電流積分電路101的輸出端直接與第二運(yùn)算放大器A2的第一輸入端接通，積分電壓信號(hào)Vint直接傳輸至第二運(yùn)算放大器A2的第一輸入端;在第二開關(guān)S2關(guān)斷時(shí)，由于第二電容C2無處放電，第二電容C2兩端的電壓將維持不變，對(duì)積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行保持，則積分電壓放大電路輸出的積分電壓放大信號(hào)Vamp維持不變。
[0055]第二開關(guān)S2在電流積分電路101復(fù)位階段和模擬電流信號(hào)Iin存在時(shí)保持導(dǎo)通，在時(shí)鐘信號(hào)CLK開始使能時(shí)保持關(guān)斷，時(shí)鐘信號(hào)CLK在模擬電流信號(hào)I in結(jié)束時(shí)開始使能。
[0056]運(yùn)算放大電路用以根據(jù)第二電容C2兩端的電壓Vc2和第二基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref2生成積分電壓放大信號(hào)Vamp。運(yùn)算放大電路的放大系數(shù)為1+R2/R1，當(dāng)輸入端電壓變化△ V時(shí)，運(yùn)算放大電路的輸出端變化(1+R2/R1)A V，因此，調(diào)節(jié)第一電阻Rl和第二電阻R2的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放大系數(shù)的調(diào)節(jié)。
[0057]比較量化電路103包括第三電容C3、第三開關(guān)S3、第四開關(guān)S4以及第三運(yùn)算放大器A3 ο
[0058]第三運(yùn)算放大器A3的第一輸入端接收積分電壓放大信號(hào)Vamp，第二輸入端接收第三電容C3兩端的電壓，輸出比較信號(hào)Vcomp。其中，第三電容C3的一端連接至第三運(yùn)算放大器A3的第二輸入端，另一端連接至地。這里，第三運(yùn)算放大器A3的第一輸入端指的是同相輸入端，第三運(yùn)算放大器A3的第二輸入端指的是反相輸入端。第三運(yùn)算放大器A3為軌對(duì)軌的運(yùn)算放大器，這可以使其輸入范圍更大，能夠適應(yīng)更寬范圍的電壓，有利于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。
[0059]第三電容C3通過第三開關(guān)S3連接至一基準(zhǔn)電流源，該電流源輸出基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref，在第三開關(guān)S3導(dǎo)通階段，基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref對(duì)第三電容進(jìn)行C3充電，第三電容C3兩端的電壓開始上升，當(dāng)上升至積分電壓放大信號(hào)Vamp的值時(shí)，第三運(yùn)算放大器A3輸出的比較信號(hào)Vcomp從有效電平翻轉(zhuǎn)至無效電平。第三開關(guān)S3的導(dǎo)通邏輯與第二開關(guān)S2互補(bǔ)，也即在第二開關(guān)S2關(guān)斷期間，基準(zhǔn)電流信Iref對(duì)第三電容C3進(jìn)行充電。
[0060]優(yōu)選地，比較量化電路103還包括第四開關(guān)S4，用以對(duì)所述第三電容C3兩端的電壓進(jìn)行復(fù)位，以保證每次量化的準(zhǔn)確性。第四開關(guān)S4并聯(lián)連接在第三電容C3的兩端，在同一時(shí)亥IJ，第四開關(guān)S4與第一開關(guān)SI的開關(guān)狀態(tài)相同，這是因?yàn)?，在每次模?shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，都需要對(duì)電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10進(jìn)行復(fù)位，本實(shí)施例中，需要對(duì)電路中的兩個(gè)地方進(jìn)行復(fù)位，一是積分電容Cl，二是第三電容C3，故第一開關(guān)SI與第四開關(guān)S4的開關(guān)狀態(tài)相同。
[0061 ]在不同的積分電壓放大信號(hào)Vamp的情況下，基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref將第三電容進(jìn)行C3兩端的電壓充至積分電壓放大信號(hào)Vamp的值的時(shí)間也是不同的，也即比較信號(hào)Vcomp維持有效電平的時(shí)間也不同，而比較信號(hào)Vcomp有效電平時(shí)間的長短，正是可以表征積分電壓放大信號(hào)Vamp的大小，也即可以表征模擬電流信號(hào)I in的大小，由此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)積分電壓放大信號(hào)Vamp的量化。
[0062]計(jì)數(shù)電路104可以是加計(jì)數(shù)器或者是其他能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)功能的任何電路，計(jì)數(shù)電路104接收比較信號(hào)Vcomp和一時(shí)鐘信號(hào)CLK，在比較信號(hào)Vcomp維持有效電平期間，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)CLK進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將比較信號(hào)Vcomp翻轉(zhuǎn)前的計(jì)數(shù)結(jié)果作為所述數(shù)值信號(hào)DATA。時(shí)鐘信號(hào)CLK可以為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，也可以為外部時(shí)鐘信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升沿，若比較信號(hào)Vcomp為有效電平，計(jì)數(shù)電路104計(jì)數(shù)加I，若比較信號(hào)Vcomp為無效電平，計(jì)數(shù)電路104不計(jì)數(shù)。
[0063]采用本發(fā)明技術(shù)的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，不用先將ac分量較小的模擬電流信號(hào)Iin通過電流放大器等電路進(jìn)行放大，而是通過對(duì)為電壓信號(hào)的積分電壓信號(hào)Vint進(jìn)行保持并放大，實(shí)現(xiàn)電壓放大則較為方便，運(yùn)算放大電路便可實(shí)現(xiàn)。由此，可以看出，本發(fā)明的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效解決了由于模擬電流信號(hào)過小而導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率低的問題。同時(shí)，第三運(yùn)算放大器A3為軌對(duì)軌的運(yùn)算放大器，這可以使其輸入范圍更大，能夠適應(yīng)更寬范圍的電壓，有利于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。
[0064]圖3為依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的具體工作波形。下面結(jié)合工作波形，來詳細(xì)說明電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路1的工作過程。
[0065]1.to?^階段為初始階段，此時(shí)電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10的輸入端不存在模擬電流信號(hào)Iin，即輸入端置空；
[0066]2^1?12階段為電路復(fù)位階段，在。?12階段，第一開關(guān)51，第二開關(guān)52，第四開關(guān)S4閉合導(dǎo)通，第三開關(guān)S3斷開，使電流積分電路101中第一電容Cl兩端電壓的相等，電流積分電路復(fù)位，第三電容C3兩端的電壓也相等，儲(chǔ)存電荷量為O，以此實(shí)現(xiàn)電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10的復(fù)位，保證每次模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性；
[0067]3.t2?t3階段為模擬電流信號(hào)Iin存在階段，即模擬電流信號(hào)Iin接入輸入端，第一開關(guān)S1、第三開關(guān)S3、第四開關(guān)S4均斷開，第二開關(guān)S2閉合導(dǎo)通，復(fù)位階段結(jié)束，此時(shí)積分電壓放大電路102用以接收并保持積分電壓信號(hào)Vint;
[0068]4.t3?t4階段為計(jì)數(shù)階段，第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2以及第四開關(guān)S4斷開，第三開關(guān)S3閉合導(dǎo)通，此階段電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10的輸入端不存在模擬電流信號(hào)Iin，積分電壓放大電路102接收第二電容C2兩端保持的電壓，輸出穩(wěn)定的積分電壓放大信號(hào)Vamp，作為比較量化電路103中第三運(yùn)算放大器的同相輸入信號(hào)，由于第三電容C3兩端的電壓之前為0，所以比較信號(hào)Vcomp為有效電平，在t3時(shí)刻，時(shí)鐘信號(hào)CLK開始使能，計(jì)數(shù)電路104對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行加計(jì)數(shù)。由于第三開關(guān)S3導(dǎo)通后，基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref開始對(duì)第三電容C3進(jìn)行充電，直至基準(zhǔn)電流信號(hào)Iref將第三電容C3兩端的電壓充至等于積分電壓放大信號(hào)Vamp的值時(shí)，比較信號(hào)Vcomp翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)停止，及圖3中的t3+ Δ t時(shí)刻。若時(shí)鐘信號(hào)CLK的時(shí)鐘周期為T，t3+ Δ t時(shí)刻比較信號(hào)Vcomp由有效電平翻轉(zhuǎn)為無效電平，則計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)η= △ t/T。
[0069]5.t4時(shí)刻后電路進(jìn)入復(fù)位階段，一次模數(shù)轉(zhuǎn)換工作結(jié)束，以此循環(huán)。
[0070]另外，本發(fā)明還公開了一種光電傳感器，包括:
[0071]發(fā)光設(shè)備401，發(fā)出第一光信號(hào)LI;
[0072]驅(qū)動(dòng)電路402，用以驅(qū)動(dòng)所述發(fā)光設(shè)備401工作；
[0073]光電轉(zhuǎn)換電路403，用以接收所述第一光信號(hào)LI經(jīng)物體反射回來的第二光信號(hào)L2和背景光L3，生成輸入電流信號(hào)Iin’ ；
[0074]所述輸入電流信號(hào)Iin’扣除背景光電流信號(hào)Ibg得到模擬電流信號(hào)Iin，
[0075]以及，上述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10，所述電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10根據(jù)所述模擬電流信號(hào)I in生成數(shù)值信號(hào)DATA。
[0076]光電傳感器還包括背景光采樣保持電路404，用以在發(fā)光設(shè)備401不發(fā)光時(shí)，采集所述物體周圍的背景光L3，并根據(jù)背景光L3生成背景光電流信號(hào)Ibg。這里，發(fā)光設(shè)備401以發(fā)光二極管Dl為例。從輸入電流信號(hào)Iin’中扣除背景光電流信號(hào)Ibg，得到凈光電流信號(hào)，即所述模擬電流信號(hào)Iin。
[0077]光電傳感器的原理是發(fā)光設(shè)備發(fā)光照射到被測(cè)物體上，光電轉(zhuǎn)換電路接收反射光并轉(zhuǎn)化為輸入電流信號(hào)，扣除背景光電流信號(hào)后得到凈光電流信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將凈光電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為即數(shù)值信號(hào)，所述數(shù)值信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)數(shù)值信號(hào)進(jìn)一步生成檢測(cè)結(jié)果。
[0078]在實(shí)際測(cè)量中，很多情況下，模擬電流信號(hào)Iin的AC值/DC值大約為I /200?I /1000，若模數(shù)轉(zhuǎn)換滿量程為14bit，則AC值在4?20之間波動(dòng)，這個(gè)值很小而且極易受干擾的，若用普通的電流型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，在一個(gè)檢測(cè)周期，數(shù)值信號(hào)的分辨率很低。
[0079]光電傳感器中采用本發(fā)明的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，不僅能夠通過背景光采樣保持電路有效地濾除背景光，排除其干擾，且積分電壓放大電路對(duì)積分電路輸出的積分電壓信號(hào)進(jìn)行了放大并保持，通過比較量化電路進(jìn)行電壓的比較，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，例如未放大前的AC值在4?20，放大1倍后為40?200，數(shù)值信號(hào)則很容易分辨出來，有效解決了模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率低的問題、，且比較量化電路中采用了軌對(duì)軌的運(yùn)算放大器，這可以使其輸入范圍更大，能夠適應(yīng)更寬范圍的電壓，有利于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。
[0080]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種改動(dòng)和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用以將一模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值信號(hào)，其特征在于，包括: 電流積分電路，用以接收所述模擬電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出積分電壓信號(hào)； 積分電壓放大電路，用以接收并保持所述積分電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大運(yùn)算，輸出積分電壓放大信號(hào)； 比較量化電路，用以根據(jù)所述積分電壓放大信號(hào)生成比較信號(hào)； 計(jì)數(shù)電路，接收所述比較信號(hào)和一時(shí)鐘信號(hào)，在所述比較信號(hào)維持有效電平期間，對(duì)所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果作為所述數(shù)值信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電流積分電路中包含第一開關(guān)和積分電路，所述第一開關(guān)連接在所述積分電路的一個(gè)輸入端和輸出端之間， 在所述第一開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，所述電流積分電路復(fù)位，在所述第一開關(guān)關(guān)斷時(shí)，所述電流積分電路對(duì)接收到的所述模擬電流信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在每次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先將所述電流積分電路進(jìn)行復(fù)位。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述積分電壓放大電路包括第二開關(guān)、第二電容和第二運(yùn)算放大器， 所述第二開關(guān)的第一端連接在所述電流積分電路的輸出端，第二端連接在所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端，所述第二電容的第一端連接在所述第二開關(guān)的第二端和所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端的公共連接點(diǎn)，第二端連接至地， 所述第二運(yùn)算放大器用以根據(jù)所述第二電容兩端的電壓和一基準(zhǔn)電壓信號(hào)生成所述積分電壓放大信號(hào)； 在所述第二開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，所述電流積分電路的輸出端直接與所述第二運(yùn)算放大器的第一輸入端接通，在所述第二開關(guān)關(guān)斷時(shí)，所述第二電容兩端的電壓維持不變。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述第二開關(guān)在所述電流積分電路復(fù)位階段和所述模擬電流信號(hào)存在時(shí)保持導(dǎo)通，在所述時(shí)鐘信號(hào)開始使能時(shí)保持關(guān)斷。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述比較量化電路包括第三電容和第三運(yùn)算放大器， 所述第三運(yùn)算放大器的第一輸入端接收所述積分電壓放大信號(hào)，第二輸入端接收所述第三電容兩端的電壓，輸出所述比較信號(hào)， 其中，所述第三電容的一端連接至所述第三運(yùn)算放大器的第二輸入端，另一端連接至地，在所述第二開關(guān)關(guān)斷期間，基準(zhǔn)電流信號(hào)對(duì)所述第三電容進(jìn)行充電。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述比較量化電路還包括第四開關(guān)，用以對(duì)所述第三電容兩端的電壓進(jìn)行復(fù)位， 所述第四開關(guān)并聯(lián)連接在所述第三電容的兩端，在同一時(shí)刻，所述第四開關(guān)與所述第一開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)相同。8.一種光電傳感器，其特征在于，包括: 發(fā)光設(shè)備，發(fā)出第一光信號(hào)， 光電轉(zhuǎn)換電路，用以接收所述第一光信號(hào)經(jīng)物體反射回來的第二光信號(hào)和背景光，生成輸入電流信號(hào)， 所述輸入電流信號(hào)和根據(jù)所述背景光生成的背景光電流進(jìn)行計(jì)算以得到模擬電流信號(hào)， 以及，根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)所述模擬電流信號(hào)生成數(shù)值信號(hào)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電傳感器，其特征在于，還包括背景光采樣保持電路，用以在所述發(fā)光設(shè)備不發(fā)光時(shí)，采集所述物體周圍的背景光，并根據(jù)所述背景光生成所述背景光電流信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光電傳感器，其特征在于，所述模擬電流信號(hào)為所述輸入電流信號(hào)和所述背景光電流之差。
【文檔編號(hào)】H03M1/46GK105959012SQ201610252294
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月21日
【發(fā)明人】張艷倪, 何惠森, 邵麗麗, 張寶玉
【申請(qǐng)人】矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)(杭州)有限公司