CN101223698A - 快速响应电流测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

通过将待测量的输入提供到可编程增益放大器，将来自可编程增益放大器的输出提供到具有预定输出速率的模数转换器，在比该模数转换器的预定输出速率的时期短的间隔内确定何时该输出大于模数转换器的满刻度输入范围，并且以快于ADC的预定输出速率的速率调整可编程增益放大器的增益以将输出降低到模数转换器的满刻度以下，来实现快速响应测量。

Description

快速响应电流测量系统和方法

相关申请

本申请要求2005年6月17日提交的美国临时申请No.60/691364的利益。通过引用将该申请包括在此。

技术领域

本发明涉及快速响应测量系统和方法，并且涉及使用模数转换器来测量对电流电平变化的快速响应的系统和方法。

背景技术

电流测量系统一般必须测量很宽的电流电平范围。例如在汽车电池系统中，从电池提供的净电流可以从引擎发动时的数百或数千安培变化到汽车熄火时的数十毫安。为了精确地确定电池容量的状态，有必要尽可能精确地测量此电流。来自电池的电流一般首先被转换为电压，例如通过在电流方向串联一个小值电阻来实现，然后使用模数转换器(ADC)将此电压转换为数字形式。一般首先以可编程增益放大器(PGA)放大该电压信号，使得当该电流电平低时，以大增益放大电压信号以利用ADC的全部动态范围。另外，为了对从低电流产生的小电压进行高精度测量，一般必须以相对慢的速率进行模数转换，最小化被测量信号和测量系统中噪声的影响。一般由处理器根据先前的ADC结果决定使用什么级别的放大率和转换速率。由于电流低时转换速率慢，所以从电池汲取的电流的突然增加会花费较长时间才能反映到ADC转换结果中。这对于测量电池状态可能是一个问题，因为确定电池容量的计算需要在汲取大电流之后尽快开始的高速测量。因此如果当电流处于低电平时电流测量系统可以执行高精度测量，同时能够快速对电流的大幅增加作出反应则是有利的。美国专利No.5777911描述了一种数字滤波系统，包括选择器部分，用于根据馈送到该滤波系统的输入信号的电平变化的时间速率，选择性地从相对窄或低频宽滤波器或者相对宽或高频宽滤波器产生输出信号。此滤波系统可能在电流测量系统中的ADC之后被使用。但是，此方案有赖于输入信号总是在数字滤波系统的范围内，以及隐含地，输入到ADC的信号总是在ADC的范围内。当电流电平低时，电流测量系统一般需要在ADC之前使用高增益放大器。因此，跟随电流的突然增加，到ADC的放大输入一般将在ADC的范围之外，并且从ADC产生的任何结果一般将被箝位至正满刻度或负满刻度。即使该数字滤波系统切换到宽带宽滤波器，结果仍将是错误的，因为到滤波系统的输入超范围。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明进一步的目的是提供迅速响应电流电平变化的这样一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明进一步的目的是提供包括模数转换器并且快速响应时间快于模数转换器的输出速率的这样一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明进一步的目的是提供可以自动改变增益和/或输出速率并且能够复位模数转换器的这样一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明进一步的目的是提供超范围检测器电路可以使用模数转换器的一部分的这样一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明进一步的目的是提供可以对超范围检测进行滤波或平均以减少假触发并且提供抗瞬发波动性的这样一种改进的快速响应测量系统和方法。

本发明由以下实现产生：可以利用超范围检测器实现对于精确电压或电流测量的真正快速响应测量，该超范围检测器的输出速率快于模数转换器，使得可以迅速检测到进入模数转换器的信号的变化超出满刻度，并且可以相应地调整可编程增益放大器的增益和/或模数转换器的输出速率，以在比模数转换器的输出速率的时期短的间隔内使信号回到范围内。

本发明的特征在于一种快速响应测量系统，包括：可编程增益放大器，其响应于待测量的输入信号而产生输出信号；和模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于该输出信号。超范围检测器的输出速率快于该预定输出速率并且响应于该输出信号而在比该模数转换器的预定输出速率的时期短的间隔内指示何时该输出信号大于模数转换器的满刻度。控制器响应于该超范围检测器而调整可编程增益放大器，以将输出信号降低到模数转换器的满刻度以下。

在一个优选实施例中，超范围检测器可以在模数转换器的输入处直接响应于输出信号。该输入信号可以是电压信号。电压信号可以跨过位于要被测量电流的负载电路中的一个感测电路而形成。模数转换器可以包括∑Δ调制器。超范围检测器可以响应于该∑Δ调制器的输出。控制器可以响应于超范围检测器而增加模数转换器的输出速率。控制器可以响应于超范围检测器而复位模数转换器。超范围检测器可以包括计数器电路，用于计数序列状的调制器输出的数量。超范围检测器可以包括比较器，用于当该序列状的调制器输出的数量超出预定阈值时指示超范围。控制器可以包括处理器，该处理器可以包括在模数转换器中。

本发明的特征还在于一种快速响应测量方法，包括向可编程增益放大器提供待测量的输入。来自该可编程增益放大器的输出被提供至具有预定输出速率的模数转换器。在短于模数转换器的预定输出速率的时期的间隔内确定何时输出大于模数转换器的满刻度输入范围。以快于ADC的预定输出速率的速率调整可编程增益放大器的增益从而将该输出降低到模数转换器的满刻度以下。

本发明的特征还在于一种快速响应测量系统，包括可编程增益放大器，其响应于待测量的输入信号而产生输出信号。存在模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于该输出信号，和超范围检测器，其输出速率快于该预定输出速率并且响应于该输出信号而在比该模数转换器的预定输出速率的时期短的间隔内指示何时该输出信号大于模数转换器的满刻度。控制器响应于该超范围检测器而调整可编程增益放大器的增益，以将输出降低到模数转换器的满刻度以下。

本发明的特征还在于一种快速响应测量系统，包括可编程增益放大器，其响应于待测量的输入而产生输出。具有预定输出速率的模数转换器响应于该输出。模数转换器包括∑Δ调制器。存在超范围检测器，其输出速率快于该预定输出速率，并且响应于该∑Δ调制器的输出而在比该模数转换器的预定输出速率的时期短的间隔内指示何时该输出大于模数转换器的满刻度。控制器响应于超范围检测器而调整可编程增益放大器的增益，以将输出降低到模数转换器的满刻度以下。超范围检测器包括计数器电路，用于计数序列状的调制器输出的数量。

本发明的特征还在于一种快速响应测量系统，包括可编程增益放大器，其响应于待测量的输入而产生输出。具有预定输出速率的模数转换器响应于该输出。超范围检测器的输出速率快于该预定输出速率，并且响应于该输出而在比该模数转换器的预定输出速率的时期短的间隔内指示何时该输出大于模数转换器的满刻度。控制器响应于该超范围检测器而调整可编程增益放大器的增益，以将输出降低到模数转换器的满刻度以下。超范围检测器包括比较器电路，用于当序列状的调制器输出的数量超出预定阈值时指示超范围。

附图说明

对于本领域技术人员来说，从以下优选实施例的描述和附图中可见其它目的、特征和优点，其中：

图1是现有技术的电流测量系统的示意性框图；

图2示出图1的系统的负载电流和ADC结果；

图3是根据本发明的快速响应测量系统的示意性框图；

图4示出图3的系统的负载电流、ADC结果和超范围信号；

图5是根据本发明的以一阶∑Δ模数转换器实现的图3所示模数转换器以及超范围检测器的更详细示意性框图；

图6示出正常操作时图5的∑Δ调制器的输出；

图7示出超范围操作时图5的∑Δ调制器的输出和超范围检测器的并行输出；

图8是以计数器实现的超范围检测器的示意性框图；

图9是示出图8的超范围检测器的操作的流程图；以及

图10示出本发明的方法。

具体实施方式

除以下所公开的优选实施例以外，本发明还可以有其它实施例并且能以各种方式实践或执行。因此，应理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或在附图中示出的构造细节和元件布置。

图1中示出了现有技术的测量系统10，其用于测量例如电池12(比如汽车电池)提供到负载14的电流I。测量系统10包括串联电阻16以将电流I转换为包括V_in(+)和V_in(-)的差分输入18，V_in(+)和V_in(-)输入到具有增益G的可编程增益放大器(PGA)20。来自可编程增益放大器20的输出也是到具有参考电压V_ref的模数转换器(ADC)24的输入22。在线路26上以输出速率f_ADC将模数转换器24的输出“ADC结果”提供到控制器/数字处理器28。当数字处理器28感测到正测量的电流I变化例如突然增加时，它可以在线路30上反馈一个命令以降低可编程增益放大器20的增益和/或增加模数转换器24的输出速率f_ADC，并且它可以复位模数转换器24。

这种情况在图2中示出，其中电流I具有一般恒定的低电平值32，直到它以34突然上升到高电平36的时刻T。根据现有技术的操作，该系统跟随此电流变化但只是慢。在指示为1/f_ADC、2/f_ADC、3/f_ADC的前三个输出时刻中每个处，电流保持恒定在42。实际上它在远远超过3/f_ADC和电流改变的时刻T时仍然保持恒定。实际上直到在4/f_ADC处模数转换器24的下一个输出，ADC才显出电流以44增加的迹象，此时电流突然上升到新的更高电平46。即，系统不知道T处的电流突然上升，直到很久该上升在下一个正常输出期4/f_ADC发生之后。ADC的整个稳定时间可能长于1/f_ADC，在该种情况下系统会花甚至更长的时间了解电流电平的改变。在该延迟期内，数字处理器28不知道电流的变化，实际上即使在它被通知电流变化之后，它也不知道电流变化的程度，因为新电平46以满刻度+FS为顶点，而真正的电流增加可能高得多。虽然数字处理器28被示为图1中的单独元件，但这不是必须的，因为很容易理解，它可以作为一部分被包括在模数转换器24中。

模数转换器24具有+/-V_ref的容许满刻度输入范围，这意味着到可编程增益放大器的输入[V_in(+)-V_in(-)]必须在+/-(V_ref/G)的范围内以产生有效的模数转换器结果。测量系统一般在增益G尽可能高时产生最高精确度或者等效地具有最小测量噪声。数字处理器28可以根据先前的模数转换器24的结果26决定可编程增益放大器20中要使用的增益设置G和模数转换器24要使用的转换速率f_ADC，以最大化转换精度。

在选择G的一种算法中，如果模数转换器24产生的结果指示输入大于或等于+/-满刻度则处理器28降低增益G，如果输入小于满刻度的一半则处理器28增加增益G。这确保了信号总是以最大可能的增益设置被处理。另一种算法使用关于系统其余部件例如负载的状态的情报来确定要使用的增益设置。例如如果处理器知道负载处于高活动状态，则一般情况是将汲取大电流并且选择低增益G。反之，如果系统处于低活动状态则可以选择高增益G。可以使用类似的方法选择模数转换器24的转换速率f_ADC。这里，当被测电压位于低电平时一般需要使用低转换速率以最小化测量噪声的量，而当电流大时使用高转换速率。可以根据26处的单个ADC结果或者根据26处的先前多个ADC结果和26处的当前ADC结果的组合，决定要使用的增益G和更新速率f_ADC。数字处理器28因此可以通过检查26处的ADC结果来确定对于可编程增益放大器20的当前增益设置G来说电流过高。但是，如现有技术所教导的，它只能以模数转换器24提供数据的速率即以f_ADC处理此信息，这在高精度转换期间可能具有相对慢的速率。这一般来说太慢而不能响应需要快速降低增益G和增大输出速率f_ADC的电流大幅增加。

根据本发明的快速响应电流测量系统10a如图3所示，如同图1的系统一样，类似的概念可以用于电压测量系统(或者任何其它测量系统，例如电容测量系统)中，本发明的系统10a使用附加的电路元件“超范围检测器50”来检测在22处的到ADC 24的输入何时在其满刻度或操作范围之外。两个虚线的线路对52和54指示到超范围检测器50的输入可以直接在输入线路22处从到ADC 24的输入获取，或者可以从模数转换器24转换的中间级获取，取决于所使用的实现方案。当超范围检测器50检测到超范围时，其在线路56上提供信号“超范围”给控制器/数字处理器28，数字处理器28然后可以在线路30上调整或改变例如降低可编程增益放大器20的增益和/或调整或改变例如增加模数转换器24的输出速率。它也可以复位模数转换器24和复位超范围检测器50。当模数转换器24以低速运行时“超范围”以f_OR的速率输出，其中f_OR＞＞f_ADC。在56处的该输出指示22处的输入信号是否在模数转换器24的有效结果的范围之外。线路56上的该信号被数字处理器28用来将模数转换器24的输出速度改变为另一速度f_ADC2，例如为一个更快的速度，并且将可编程增益放大器20的增益改变为另一增益G2，例如为一个更低的增益。模数转换器24然后以这些设置执行转换。转换结果在1/f_ADC2(或者，如果模数转换器24需要N个周期以在配置改变之后稳定，则是N*1/f_ADC2)之后可用。由于时间1/f_OR远小于1/f_ADC，可以比在仅根据模数转换器24在26处的输出而决定改变配置的情况下快得多地重新配置模数转换器24并将其切换到较快输出速率(f_ADC2)。

图4示出系统对于在时刻T处的电流增加的响应。在时刻T之后短时间即间隔1/f_OR后，线路56上的“超范围”信号中断处理器28并且处理器28立刻改变可编程增益放大器20的增益G并且将模数转换器24的输出速率的速度从较低的f_ADC改变为较快的f_ADC2。当模数转换器24的输出速率和可编程增益放大器20的增益G被线路58上的信号改变时，超范围检测器50由线路58上的信号自动清零。在另一个时期即间隔1/f_ADC2之后，具有新的可编程增益放大器20配置的模数转换器结果可用。时刻T之后到ADC结果可用的总时间因此是1/f_OR+1/f_ADC2，显著小于先前系统，如果1/f_OR＜＜1/f_ADC的话。因此在图4中，可见在时刻T之后增益G被降低的点即时刻T+1/f_OR 60，立即发生“超范围”信号。输出速率增加至f_ADC2，使得完全输出电流ADC结果46a在T+1/f_OR+1/f_ADC2处可用，并且如样本62和64所指示的，下一个ADC输出发生在T+1/f_OR+2/f_ADC2。

超范围检测器59可以实现为比较器或者可以使用模数转换器24的一部分以实现快速比较。在本发明的一个实施例中，图5所示的模数转换器24a包括∑Δ调制器70和数字滤波器与抽取级72。∑Δ调制器70包括采样网络74、积分器电路78和比较器84，积分器电路78包括积分放大器80、积分电容器82。该调制器的输出去往数字滤波器+抽取级。尽管模数转换器24在此所示为∑Δ模数转换器，∑Δ调制器70仅作为一阶调制器示出，并且比较器84被示为单比特比较器，但是这些都不是本发明的必要限制。∑Δ模数转换器24a的转换时间由可编程数字滤波器的配置确定，其中该∑Δ模数转换器的转换时间确定它对输入变化的响应时间。在本实施例中，通过额外将∑Δ调制器70的输出88施加到简单的数字滤波器例如计数器，来实现超范围检测器50。存在某类可编程增益放大器(PGA)，该PGA可以被嵌入为∑Δ调制器采样网络的一部分。例如，在图5中通过改变C_in与C_ref的比来实现不同的增益。在此情况下，没有唯一可识别的PGA的“输出信号”，它实际上是“电荷”而不是“信号”。

在正常操作中，即，其中系统不超范围：|V_in|＜|V_REF|，比较器84具有输出88a，如图6所示，输出88a是在时刻1/f_MOD，2/f_MOD，3/f_MOD……出现的1和0的与信号相关的时变分布。在超范围条件下，如图7所示，其中|V_in|＞＞|V_REF|，比较器84输出88b可能全是1，即，例如十个或更多1的序列，或者十个或更多0的序列。在此情况下，超范围检测器50提供输出56，其初始是0，如在90处所示，然后当达到所需数量的连续1(或0)时，它切换到高状态92，提供“超范围”信号给数字处理器28。采样网络74中的电容C_in和C_ref一般不相等。这些电容的比对于到调制器的输入信号在哪个点使得调制器的输出成为全1或全0有影响。

在一个实施例中，图8所示的超范围检测器50a包括具有输入104和输出101的定时存储元件100，输出101为比较器102提供一个输入，比较器102的另一个输入是线路104上的输入。比较器102提供是或否递增或者复位信号给计数器106，计数器106的输出由比较器108监控。在操作中，比较器102将线路104上的新输入与101上的最后的先前输入相比较。如果它们相同，则信号出现在线路110上以递增计数器106。如果它们不同，则信号出现在线路112上以复位计数器106。比较器108针对一个预定的计数例如十监控计数器106。如果十个连续输入都相同，即全1或全0，则比较器108在线路56上提供“超范围”输出。一个好处是，ADC输入中的瞬间“尖峰”不引起超范围检测器走高：仅当输入保持为高达一段时间时，超范围检测器才将被置位。

在操作中，如图9所示，系统等待输入(步骤120)，然后在步骤122中查询新输入是否等于旧输入？如果不是，则计数器在步骤124中复位。如果相同，则计数器在步骤126中加1。接下来在步骤128中查询计数器是否已经达到最大。如果它还没有达到最大，则系统返回到步骤120处等待输入。如果它已经达到最大，则在步骤130将超范围标志置为有效并且在线路56上提供“超范围”输出。

本发明也包括一种快速响应测量方法，如图10所示，其为可编程增益放大器(PGA)提供要被测量的输入(步骤120)并且将PGA的输出提供到具有预定输出速率的ADC(步骤122)。确定何时该输出大于ADC的预定的满刻度输入范围(步骤124)，并且以快于ADC的预定输出速率的速率调整PGA的增益(步骤126)，以将该输出降低到低于ADC的满刻度。

尽管本发明的具体特征在某些附图中示出而在其它附图中未示出，这仅是为了方便，因为根据本发明每个特征可以与任何其它特征或全部其它特征相组合。在此所使用的词“包括”、“包含”、“具有”和“带有”应被广泛并全面地解释并且不限制为任何物理互联。此外，本申请中公开的任何实施例不应作为仅有的可能实施例。

对于本领域技术人员来说，容易想到其它实施例也可以在以下的权利要求范围内。

Claims (17)

1.一种快速响应测量系统，包括：

可编程增益放大器，其响应于待测量的输入而产生输出；

模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于所述输出；

超范围检测器，其输出速率快于所述预定输出速率，并且响应于所述输出而在比所述模数转换器的所述预定输出速率的时期短的间隔内指示何时所述输出大于所述模数转换器的满刻度；和

控制器，响应于所述超范围检测器而调整所述可编程增益放大器的增益，以将所述输出降低到所述模数转换器的满刻度以下。

2.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述超范围检测器在所述模数转换器的输入处直接响应于所述输出。

3.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述输入是电压信号。

4.根据权利要求3的快速响应测量系统，其中，所述电压信号跨过在要被测量电流的负载电路中的一个感测电路而形成。

5.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述模数转换器包括∑Δ调制器。

6.根据权利要求5的快速响应测量系统，其中，所述超范围检测器响应于所述∑Δ调制器的输出。

7.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述控制器响应于所述超范围检测器而改变所述模数转换器的输出速率。

8.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述控制器响应于所述超范围检测器而增加所述模数转换器的输出速率。

9.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述控制器响应于所述超范围检测器而复位所述模数转换器。

10.根据权利要求6的快速响应测量系统，其中，所述超范围检测器包括计数器电路，用于计数序列状的所述调制器输出的数量。

11.根据权利要求10的快速响应测量系统，其中，所述超范围检测器包括比较器电路，用于当该序列状的所述调制器输出的数量超出预定阈值时指示超范围。

12.根据权利要求1的快速响应测量系统，其中，所述控制器包括处理器。

13.根据权利要求12的快速响应测量系统，其中，所述处理器包括在所述模数转换器中。

14.一种快速响应测量方法，包括：

向可编程增益放大器提供待测量的输入；

将来自所述可编程增益放大器的输出提供至具有预定输出速率的模数转换器；

在比所述模数转换器的所述预定输出速率的时期短的间隔内确定何时所述输出大于所述模数转换器的满刻度输入范围；以及

以快于所述模数转换器的预定输出速率的速率调整所述可编程增益放大器的增益，以将所述输出降低到所述模数转换器的满刻度以下。

15.一种快速响应测量系统，包括：

可编程增益放大器，其响应于待测量的输入信号而产生输出信号；

模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于所述输出信号；

超范围检测器，其输出速率快于所述预定输出速率，并且响应于所述输出信号而在比所述模数转换器的所述预定输出速率的时期短的间隔内指示何时所述输出信号大于所述模数转换器的满刻度；以及

控制器，其响应于所述超范围检测器而调整所述可编程增益放大器的增益，以将所述输出信号降低到所述模数转换器的满刻度以下。

16.一种快速响应测量系统，包括：

可编程增益放大器，其响应于待测量的输入而产生输出；

模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于所述输出，所述模数转换器包括∑Δ调制器；

超范围检测器，其输出速率快于所述预定输出速率，并且响应于所述∑Δ调制器的输出而在比所述模数转换器的所述预定输出速率的时期短的间隔内指示何时所述输出大于所述模数转换器的满刻度；以及

控制器，其响应于所述超范围检测器而调整所述可编程增益放大器的增益，以将所述输出降低到所述模数转换器的满刻度以下，

其中，所述超范围检测器包括计数器电路，用于计数序列状的所述调制器输出的数量。

17.一种快速响应测量系统，包括：

可编程增益放大器，其响应于待测量的输入而产生输出；

模数转换器，其具有预定输出速率并且响应于所述输出，所述模数转换器包括∑Δ调制器；

超范围检测器，其输出速率快于所述预定输出速率，并且响应于所述∑Δ调制器的输出而在比所述模数转换器的所述预定输出速率的时期短的间隔内指示何时所述输出大于所述模数转换器的满刻度；以及

控制器，其响应于所述超范围检测器而调整所述可编程增益放大器的增益，以将所述输出降低到所述模数转换器的满刻度以下，

其中，所述超范围检测器包括比较器电路，用于当序列状的所述调制器输出的数量超出预定阈值时指示超范围。

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