CN102414568B

CN102414568B - 使用模拟到数字转换器来执行乘法运算

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Publication number: CN102414568B
Application number: CN200980159008.XA
Authority: CN
Inventors: T.P.索耶斯
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: US20110304378A1; DE112009004564T5; GB201115580D0; CN102414568A; GB2481737A; US8669893B2; GB2481737B; WO2010126490A1

Abstract

一种用于将第一信号与第二信号相乘的乘法电路包括具有第一输入端和第二输入端的模拟到数字转换器。所述第一输入端将接收所述第一信号。所述乘法电路还具有逆变电路，所述逆变电路具有用于接收所述第二信号的输入端和连接至所述模拟到数字转换器的所述第二输入端的输出端。通过所述模拟到数字转换器和所述逆变电路的组合所产生的输出值近似是所述第一信号与所述第二信号的乘积。

Description

使用模拟到数字转换器来执行乘法运算

背景技术

在诸如计算机系统或其它类型的电子设备之类的电子设备中，某些操作涉及信号的乘法运算。通常，使用微控制器或其它类型的处理器来执行这样的乘法运算。然而，在某些情况下，在电子设备中使用处理器来执行乘法运算可能不是高效率的。

附图说明

针对以下图对本发明的一些实施例进行描述：

图1是示例性模拟到数字(ADC)电路的示意图；

图2-3是根据一些实施例的、用于执行信号的乘法运算的电路的示意图；

图4是在使用根据实施例的乘法电路的电子设备中的部件的方框图；

图5是根据实施例的将信号相乘的处理的流程图；以及

图6是根据另一实施例的、用于执行信号的乘法运算的电路的示意图。

具体实施方式

依照一些实施例，代替在电子设备(例如，计算机、个人数字助理、移动电话、存储系统、通信交换机等)内使用处理器(例如，微控制器、微处理器等)来执行信号的乘法运算，为了提高的效率改为使用包括模拟到数字转换器(ADC)的乘法电路。用来将至少第一信号乘以第二信号的乘法电路包括ADC和反相电路。ADC具有用于接收第一信号的第一输入端和用于接收反相电路的输出的第二输入端。反相电路具有用于接收将与第一信号相乘的第二信号的输入端。通过ADC和反相电路的组合所产生的输出值近似是第一信号与第二信号的乘。

ADC是用于将模拟信号转换成数字信号的电路。“反相电路”指的是其输出在信号电平(例如，电压振幅电平)方面响应于在反相电路的输入处的信号电平的增加而减小的电路，反之亦然。

在电子设备中代替处理器使用根据一些实施例的乘法电路来执行乘法运算操作，能够实现处理器的更高效率的使用，因为不必消耗处理器周期来执行乘法运算操作。此外，电子设备可以具有省电模式，在该省电模式中电子设备的处理器可以被置于较低的功率状态（其中处理器可能不可用来执行大部分或全部处理器的操作）下。在其中使用处理器来执行乘法运算的常规电子设备中，如果必须执行乘法运算，则处于较低的功率状态下的处理器可能必须被唤醒(或“开启”)以允许处理器执行期望的乘法运算。由于处理器正被唤醒仅用于执行乘法运算，所以这会导致电子设备中的增加的和浪费的功率消耗。如果有规律地执行乘法运算操作，则将必须有规律地唤醒处理器以执行这样的乘法运算操作。

图1图示了示例性ADC 100。该ADC 100具有第一输入端(信号输入端)102和第二输入端(参考电压输入端) 104，其中信号输入端102是用于连接至被表示为A_signal的模拟输入信号。ADC 100的参考电压输入端104是用于连接至被称为V_{ADC_reference}的参考电压。ADC 100的输出是包括多个比特(表示为Y_00000000, Y_00000001, …, Y_11111110, Y_11111111)的数字信号Y。在图1的示例中，ADC 100提供16比特输出信号Y。在不同的实施方式中，输出信号Y能够包括不同数量的输出比特。

ADC 100基本上取模拟输入信号A_signal与参考电压V_{ADC_reference}的比值(A_signal/V_{ADC_reference})来产生数字输出信号(Y)。换句话说，数字输出信号(Y)与A_signal和V_{ADC_reference}的比值成比例，或者。根据这个关系，数字输出信号Y与模拟输入信号A_signal成比例，这意味着数字输出信号Y随着模拟输入信号A_signal成比例地增加或减小。

另一方面，数字输出信号Y具有与参考电压V_{ADC_reference}的反比例关系。V_{ADC_reference}的振幅的增加(假定A_signal保持恒定)导致输出值(Y)的减小，而V_{ADC_reference}的振幅的减小导致输出值(Y)的增加。

在图1中所示出的示例中，ADC 100包括一连串电阻器106和多个比较器108以产生Y的相应的输出比特。该串电阻器106被连接在V_{ADC_reference}与地参考之间。该串电阻器有效地形成分压器从而使得沿着该串电阻器106的不同节点处于不同的电压。

输入模拟信号A_signal被连接至比较器108的反相(-)输入端，而该串电阻器106的相应的节点被连接至比较器108的对应的非反相(+)输入端。比较器108基于A_signal与在比较器108的非反相输入端处所接收的相应的电压电平的比较来输出相应的输出比特。要注意的是，未示出ADC 100的其它部件—提供所描绘的部件以图示A_signal与V_{ADC_reference}之间的关系。

考虑到ADC 100实际上取第一输入(102)与第二输入(104)的比值的事实，能够使用这个特性来形成使用ADC 100的乘法电路。这样的用于将输入信号A和B相乘的乘法电路被描绘为图2中的乘法电路200，其包括ADC 100和反相电路202。

反相电路202接收输入信号B并且对信号应用反相运算来产生信号B’。从反相电路202所输出的信号B’然后被提供给ADC 100的参考电压输入端104。ADC 100取A与B’的比值，这实际上是A与B的乘法运算。

在图2的实施例中，反相电路202包括运算放大器204及电阻器R1和R2。电阻器R2被连接在运算放大器204的反相(-)输入端与运算放大器204的输出端之间，而电阻器R1被连接在运算放大器204的反相输入端与输入信号B之间。运算放大器204的非反相(+)输入端被连接到独立的参考电压V_ref，其中V_ref通常是固定的电压电平。运算放大器204的输出端(B’)被连接至ADC 100的电压参考输入端104。

图2中所示出的运算放大器204的增益是-1，从而使得在运算放大器204的输入与其输出之间存在互逆关系。在一个示例实施方式中，B’与B之间的关系为如下：

B’=2×V_ref– B。B的增加将引起B’的减小，反之亦然。

图2中的ADC 100在其模拟信号输入端102处接收信号A。由于ADC 100的输出Y具有关系，如在上文中与图1有关地解释的那样，所以Y与A、B之间的关系被表达为如下：。根据这个关系，输入信号A的值的改变引起输出值Y的成比例的改变。此外，输出值Y与成比例地改变，其中表示输入信号B的变化。在一个示例中，A的1%的增加导致输出Y的1%的增加，而B的1%的增加导致输出Y的的减小。

对于B的值的小变化而言，图2的乘法电路200提供了输入信号A与B的乘法运算的相对好的近似值。输出值Y被表达为如下：。如果选择R2等于R1，则Y基本上是仅A与B的成比例的乘法运算的近似值。

因为由于B的可能的变化导致引入的误差，所以输出值Y被认为是A与B的乘法运算的“近似值”。对于B的从B的标称值的小变化而言，输出值Y是A与B的乘法运算的相对准确的表示。然而，对于B的较大变化而言，误差被引入，从而使得乘法运算是较不准确的(但是仍然可能适用于某些应用)。

下表图示了根据一个示例的、B的变化()与输出值Y的误差的关系(提供该表以用于示例的目的，因为与Y的误差之间的关系是特定于实施方式的，并且对于不同的实施方式而言可不同)：

	Y误差
		0.1%	0.0001%
1%	0.01%
		2%	0.04%
5%	0.251%
		10%	1.01%
20%	4.167%
		50%	33.33%

如果B变化了0.1%，则输出Y具有近似0.0001%的误差。如果B变化了1%，则输出Y具有近似0.01%的误差。如果B变化了5%，则输出Y具有近似0.251%的误差。如果B变化了10%，则输出Y具有近似1.01%的误差。根据上文中的示例，能够看出的是，即使B具有20%的变化，输出误差仍然低于5%，这对于某些应用而言可能是可接受的。

图3示出了用于将输入信号A与B相乘的乘法电路300的替代性实施例。乘法电路300包括ADC 100和包括线性调节器304及电阻器R1、R2以及R3的反相电路302。线性调节器302具有用于接收输入电压(例如，5V)的输入端和用于提供连接至ADC参考电压输入端104的输出电压(表示为B’)的输出端。通过电阻器R3将输入信号B提供给线性调节器302的调整输入端(ADJ)。电阻器R1和R2被连接在B’与地参考之间，并且R1与R2之间的中间节点被连接至R3与线性调节器302的ADJ输入端的节点。

线性调节器302是工作在线性区域中的电压调节器。由线性调节器302所提供的输出电压被基于在线性调节器304的ADJ输入端处的电压电平固定于特定的电压。在ADJ输入端处的电压电平的变化将引起来自线性调节器302的输出电压电平的变化。

在图3中所示出的布置中，B的值的增加引起B’的值的减小，反之亦然。因此，此布置被认为是提供了B与B’之间的反相运算。

由ADC 100所产生的作为A与B的近似乘积的输出值Y依固定的比例因子(FACTOR)成比例。换句话说，乘法电路300的输出(Y)等于，其中FACTOR的值取决于R1、R2以及R3的值。

在替代性实施方式中，ADC可以不包括如在图2或图3的ADC 100中呈现的参考电压输入端104。例如，作为图6中所描绘的乘法电路300A的一部分的ADC 100A包括电源输入端104A(在图6中被标记为“VCC”)但是没有包括图2或图3的参考电压输入端104。向ADC 100A的电源输入端104A提供电源电压以给ADC 100A供电。在图6中所示出的实施例中，电源电压由包括线性调节器304(与图3有关地描述的)的反相电路302来提供。

在这个实施例中，ADC参考电压()在ADC 100A的内部生成。ADC参考电压()由连到VCC输入端104A的电路600来产生。在一些实施方式中，电路600可以是将连接至VCC的导线。在另一实施方式中，电路600可以是分压器电路。

由于内部的ADC参考电压()与VCC成比例，所以ADC 100A的输出Y近似地是A与B(和FACTOR)的乘积，与图3的乘法电路300类似。

图2、3或6中所示出的乘法电路可用于功率监控的情况下。在一个示例中，如图4中所示出的那样，电子设备400(例如，计算机、个人数字助理、移动电话、存储系统、通信交换机等)包括乘法电路200或300，所述乘法电路200或300接收输入信号A和B。输入信号B可表示输入电压，诸如用来给电子设备的各部件供电的电源电压，其是相对稳定的(B具有相对小的变化范围，从而使得乘法电路200、300或300A能够提供相对准确的A与B的乘法运算)。输入信号A可以是电流的表示，所述电流诸如是从诸如电子设备400的电源适配器(未示出)之类的用来给电子设备的各部件供电的电源电压、或从电子设备400的另一电源接收到的电流。由于电子设备400 (例如，在非常活跃状态与空闲状态之间转变的电子设备400、在不同的功率状态之间转变的电子设备400等) 的变化的功率消耗，所以输入信号A可具有广泛的变化。

乘法电路200、300或300A将A与B相乘以产生Y，Y表示功率(注意，电流乘电压等于功率)。输出值Y(数字值)由包括寄存器404以存储输出值Y的控制器402来接收。在特定的时间间隔期间，能够在不同的时间点收集输出值Y的多个实例。这允许控制器402在特定的时间间隔内收集随着时间的推移的功率消耗的指示。控制器402能够有效地存储这样的功率消耗的指示，其稍后能够诸如由功率管理系统406来进行检索。

功率管理系统406能读取在寄存器404中所收集的功率消耗的指示以确定随着时间推移电子设备400的功率消耗。功率管理系统406能够基于功率管理系统406在寄存器404中所观测到的情况来采取行动。

尽管功率管理系统406被示出为与控制器402分离，但是要注意的是，在替代性实施例中，功率管理系统406可以是控制器402的一部分。

图5是在图4的电子设备400中所执行的处理的一般流程图。由乘法电路200或300接收(在502处)输入信号A、B。使用(在504处)乘法电路200或300将A与B相乘。将乘法电路200或300的输出值收集(在506处)在控制器402的寄存器404中。寄存器404能够收集随着时间推移的多个输出值以收集随着时间推移的关于功率消耗的信息。接下来，功率管理系统406从寄存器404检索(在508处)输出值以响应于所检测到的功率情况采取适当的功率管理动作。功率管理动作可包括切断部件、将部件置于非活动状态或低功率状态、向用户报告功率汲取、等等。

尽管图4和5示出了其中功率管理系统406使用由乘法电路200、300或300A所计算的功率消耗的实施例，但是要注意的是，在不同实施方式中，由乘法电路200、300或300A所计算的功率消耗能够被用于其它目的。

在前述描述中，陈述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域的技术人员将要理解的是，可以在没有这些细节的情况下实施本发明。虽然已经针对有限数量的实施例对本发明进行了公开，但是本领域的技术人员将从其中了解到许多修改和变化。意图是，随附权利要求将这样的修改和变化覆盖为落入本发明的真正精神和范围之内。

Claims

1.一种将第一信号与第二信号相乘的乘法电路，包括：

具有第一输入端和第二输入端的模拟到数字转换器，其中所述第一输入端为信号输入端，第二输入端为参考电压输入端或电源输入端，并且所述第一输入端将接收所述第一信号；和

反相电路，其具有输入端和输出端，所述输入端用于接收所述第二信号并且所述输出端连接至所述模拟到数字转换器的所述第二输入端，其中，所述反相电路包括线性调节器，所述线性调节器具有电压输入端和电压输出端，所述电压输入端用于连接至电源电压并且所述电压输出端连接至所述模拟到数字转换器的所述第二输入端，并且其中所述线性调节器具有用于连接至所述第二信号的调整输入端，

其中，对于第二信号的小变化而言，通过所述模拟到数字转换器和所述反相电路的组合所产生的输出值近似是所述第一信号与所述第二信号的乘积。

2.根据权利要求1所述的乘法电路，其中，所述第二信号的电压的增加引起所述线性调节器的所述输出端的电压的减小。

3.一种将第一信号与第二信号相乘的乘法电路，包括：

反相电路，其具有输入端和输出端，所述输入端用于接收所述第二信号并且所述输出端连接至所述模拟到数字转换器的所述第二输入端，

其中，对于第二信号的小变化而言，通过所述模拟到数字转换器和所述反相电路的组合所产生的输出值近似是所述第一信号与所述第二信号的乘积，

其中，所述反相电路包括运算放大器和电阻器，

其中，所述运算放大器具有用于通过所述电阻器中的第一电阻器连接至所述第二信号的反相输入端，其中所述运算放大器具有连接到所述模拟到数字转换器的所述第二输入端的输出端，并且其中所述电阻器中的第二电阻器被连接在所述反相输入端与所述运算放大器的输出端之间。

4.根据权利要求3所述的乘法电路，其中，所述运算放大器进一步具有用于连接至参考电压的非反相输入端。

5.根据权利要求3或4所述的乘法电路，其中，所述第一电阻器具有电阻R1，所述第二电阻器具有电阻R2，所述第一信号被表示为A，所述第二信号被表示为B，并且其中所述输出值与成比例。

6.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的乘法电路的系统，其还包括：

控制器；

其中所述第一信号表示电流，并且所述第二信号是电压，并且其中所述控制器将接收作为功率的指示的所述输出值。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器将在给定的时间间隔内在多个时间点处对所述乘法电路的所述输出值的多个实例进行存贮。

8.根据权利要求6或7所述的系统，进一步包括：

功率管理系统，其用于从所述控制器检索所述输出值、并且响应于所述输出值来实现功率管理动作。

9.根据权利要求6-7中的任一项所述的系统，其中，所述电压是电源电压。

10.一种将第一信号与第二信号相乘的方法，包括：

在模拟到数字转换器的信号输入端处接收所述第一信号，其中所述模拟到数字转换器进一步具有第二输入端，所述第二输入端为参考电压输入端或电源输入端；

在反相电路的输入端处接收所述第二信号，其中所述反相电路的输出端被连接至所述模拟到数字转换器的所述第二输入端；其中，在所述反相电路的所述输入端处接收所述第二信号包括在包括运算放大器和线性调节器中的一个的所述反相电路处接收所述第二信号；以及

响应于所述第一信号和所述反相电路的输出从所述模拟到数字转换器提供输出，其中，对于第二信号的小变化而言，所述模拟到数字转换器的所述输出是表示所述第一信号与所述第二信号的近似乘积的数字值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一信号表示电流，并且所述第二信号是电压，所述方法进一步包括：

接收所述模拟到数字转换器的所述输出，其中所述输出表示功率。