CN104935346B - 一种超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法，该转换器包括：非均匀1bit数/模转换模块、区域比较器、采样比较器以及控制逻辑。该方法包括：将待转换的模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的预处理信号；判断预处理信号所在的区域，输出区域指示信号；根据区域指示信号，决定采样比较器的输入；判断是否进行采样动作触发，是则触发采样动作，产生采样脉冲信号，否则重复；根据采样脉冲信号和区域指示信号将预处理信号下拉至所述阈值近下界或上拉至所述阈值近上界。本发明的超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法采用迟滞采样方法将噪声带来的虚假采样减小至最低，节省了系统的功耗。

Description

一种超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法

技术领域

本发明涉及模/数转换器领域，特别涉及一种超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法。

背景技术

在绝大多数电路系统中，模/数转换器是最为关键的一个模块，因为其采样方式以及采样精度将决定接下来的采样样本的传输、存储以及处理等。在一些特别的应用中，如无人区的传感器、植入生物体内的传感器等。这一类应用的电子设备绝大部分由电池供电，且其电池更换过程人工成本极大，甚至不可更换。因此，采样超低功耗的模/数转换器以及被检测信号进行压缩采样将极大延长整个网络寿命从而降低系统成本。

在传统设计中，等时间间隔时钟驱动的模/数转换器的采样率由奈奎斯特采样频率决定，见图1。而由信号的时频分析可知，大自然的绝大部分信号存在活跃期以及静息期的。而奈奎斯特采样率是由活跃期的最大频率决定的。如若对输入信号不加区分的均采用奈奎斯特采样频率进行采样会浪费大量系统能量。尤其在输入信号的静息期远大于活跃期，这一浪费现象更为严重。因此这一采样方式不适用于超低功耗系统的应用设计。

结合信号本身的特征，为了实现超低功耗系统，研究者提出由事件驱动的采样(Event-Driven Sampling)，可以实现低于奈奎斯特采样率的采样。其基本思想如图2所示，当输入信号变化超过预设阈值(即输入信号触发事件)，系统通过记录触发时间的时刻以及触发阈值对输入信号进行采样。其输出样本由一系列的触发时刻及触发时刻所对应的阈值共同确定。在输入信号静息期(输入信号变化不剧烈时)，采样样本较少，当信号处于活跃期(输入信号变化换剧烈时)采样样本较多。这一采样系统通过减少在均匀采样中的冗余采样样本量所带来的一系列系统功耗开销来降低整个系统功耗，进而实现超低功耗系统。

事实上，上世纪60年代托莫维奇(Tomovic)和贝奇(Bekey)等人就提出事件驱动型的采样策略。然而，由于当时半导体行业发展和市场应用需求等诸多因素，这一采样方法未被重视起来。近年,超低功耗系统大量的应用需求，使得这一采样策略成为研究热点。哥伦比亚大学著名教授扬尼斯(Yannis Tsividis)、美国塔夫茨大学孙库斯尔教授(Sonkusale)、荷兰的瑟金教授(Serdijn)等多个国际顶尖科研团队都针对这一采样方法进行了广泛研究，并取得了诸多成果。

事件驱动型超低功耗模数转换器及其压缩采样方法为实现超低功耗系统开辟了全新途径。然而这一技术目前处于刚起步阶段，其中存在很多问题。例如图3瑟金教授团队提出的采样方法：当输入信号V_in穿越采样上界V_H(下界V_L)时，输入信号被下拉(上提)至阈值中界V_M的位置生成预处理信号V_on。随后预处理信号V_on将会继续跟随输入信号V_in的变化而变化。直到再次触碰阈值上界V_H、中界V_M或者下界V_L其中一个。通过记录预处理信号V_on穿过阈值的时间，及阈值类型，即可得到一组由离散时间点及该时间点处所对应信号电压的事件驱动型采样序列。然而，在其提出的采样算法中并未考虑信号中混有噪声这一极为常见的情况。当输入信号混有噪声，每当信号触碰到某一个预设阈值边界，以阈值上界V_H为例，预处理信号将会被下拉至阈值中界V_M，然而信号中的噪声将会极有可能再多次触碰到阈值中界V_M，产生大量无用采样脉冲ψ。如此一来系统将不得不为一由噪声导致的无用样本的采样、存储、传输、处理等浪费大量能量。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法，采用迟滞采样方法将噪声带来的虚假采样样本减小至最低，从而降低虚假采样样本给整个系统带来的功耗。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种超低功耗事件驱动型模/数转换器，其包括：

非均匀1bit数/模转换模块：用于接收待转换的模拟输入信号，并将所述模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的预处理信号；还用于接收控制逻辑的反馈控制信号，将所述预处理信号上拉至阈值近上界或下拉至阈值近下界；

区域比较器：用于对所述预处理信号和所述阈值近上界进行比较和/或对所述预处理信号和所述阈值近下界进行比较，输出区域指示信号；

采样比较器：用于接收所述区域指示信号，并判断所述预处理信号是否穿越出阈值上下界之间的区域，如穿越出，输出采样脉冲信号；

控制逻辑：用于接收所述区域指示信号和采样脉冲信号，输出反馈控制信号给所述非均匀1bit数/模转换模块。

本发明采用迟滞采样方法，即当预处理信号触碰阈值上界时，将其下拉至阈值近下界(靠近阈值下界)；当预处理信号触碰阈值下界时，将其上拉至阈值近上界(靠近阈值上界)，而非直接上拉(下拉)至阈值上界(阈值下界)，有效去除了输入信号中所夹杂的噪声带来的虚假采样，进一步节约了系统功耗。

较佳地，所述非均匀1bit数/模转换模块采用电荷共享机制将所述预处理信号上拉至阈值近上界或下拉至阈值近下界；采用电荷共享机制进一步简化了转换器的设计。

较佳地，所述阈值上界与所述阈值近上界的电压差以及所述阈值下界与所述阈值近下界的电压差为所述待转换的模拟输入信号所夹杂噪声电压的标准差的三倍；所述阈值上界与所述阈值近下界的电压差以及所述阈值下界与所述阈值近上界的电压差为预设的最低有效位电压(即系统的最小分辨率)。模拟输入信号中所夹杂的噪声通常属于高斯白噪声，其概率分布满足高斯分布，当阈值上界与阈值近上界(阈值下界与阈值近下界)之间的电压差取值为三倍噪声标准差电压时，其虚假采样发生率可以降低至零倍噪声标准差电压的1％，即可以极大降低虚假采样；转换器的分辨率由具体应用需求决定，较高的分辨率获得的样本所还原出信号的信噪比更高，但其系统功耗以及数据量也会相应增加；同理，较低的分辨率虽然在还原时的信噪比不高，但其功耗以及数据量相对较小，在满足系统功耗以及信噪比的前提下，据此设计出的最低有效位可以保证一定的系统功耗前提下获得较好的信噪比。

较佳地，所述非均匀1bit数/模转换模块与所述采样比较器之间通过三选二开关相连；所述三选二开关用于将所述阈值上界和所述预处理信号输入到所述采样比较器的两个输入端或将所述阈值下界和所述预处理信号输入到所述采样比较器的两个输入端。

较佳地，所述阈值近上界和所述阈值近下界通过二选一开关连接到所述区域比较器的一输入端；所述二选一开关用于将所述阈值近上界或所述阈值近下界输入到所述区域比较器的一输入端。

本发明还提供一种超低功耗事件驱动型模/数转换器的压缩采样方法，其包括以下步骤：

S11：将待转换的模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的预处理信号；

S12：将所述预处理信号与阈值近上界以及阈值近下界进行比较，判断预处理信号所在的区域，输出区域指示信号；

S13：根据区域指示信号，将所述预处理信号以及所述阈值下界输出，或者将所述预处理信号以及所述阈值上界输出；同时将所述预处理信号以及所述阈值近下界输出，或将所述预处理信号以及所述阈值近上界输出；

S14：将所述预处理信号和所述阈值上界进行比较或者将所述预处理信号和所述阈值下界进行比较，判断是否进行采样动作触发，是则转入步骤S15，否则重复步骤S14；

S15：触发采样动作，产生采样脉冲信号；

S16：根据所述采样脉冲信号和所述区域指示信号将所述预处理信号下拉至所述阈值近下界或上拉至所述阈值近上界。

较佳地，所述步骤S12具体为：将所述预处理信号与阈值近下界进行比较，当所述预处理信号小于所述阈值近下界时，输出电平由低电平变为高电平或由高电平变为低电平，当所述预处理信号大于所述阈值近下界时，将所述预处理信号与所述阈值近上界进行比较，当所述预处理信号小于阈值近下界时，输出电平不变，当所述预处理信号大于阈值近上界时，输出电平由高电平变为低电平或由低电平变为高电平。

较佳地，所述步骤S12具体为：将所述预处理信号与阈值近上界进行比较，当所述预处理信号大于所述阈值近上界时，输出电平由低电平变为高电平或由高电平变为低电平，当所述预处理信号小于所述阈值近上界时，将所述预处理信号与所述阈值近下界进行比较，当所述预处理信号大于所述阈值近下界时，输出电平不变，当所述预处理信号小于所述阈值近下界时，输出电平由高电平变为低电平或由低电平变为高电平。

较佳地，所述步骤S16具体为：当所述预处理信号触碰所述阈值上界时，将预处理信号下拉至所述阈值近下界；

当所述预处理信号触碰所述阈值下界时，将预处理信号上拉至所述阈值近上界。

较佳地，所述步骤S16进一步为：非均匀1bit模/数转换模块根据采样脉冲信号和区域指示信号，采用电荷共享机制将预处理信号下拉至所述阈值近下界或上拉至所述阈值近上界。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法，电路结构简单，且具有普遍适用性；

(2)本发明采用迟滞采样方法，根据预处理信号所在区域，将预处理信号上拉(下拉)至阈值近上界(阈值近下界)，而非直接上拉(下拉)至阈值上界(阈值下界)，能够有效去除因为输入信号中所夹杂的噪声带来的虚假采样，产生虚假采样的机制与常见的比较器迟滞问题一致，这里不再赘述，可以参见施密特触发器设计原理，因此，本发明能够进一步减少虚假采样所带来的系统功耗；

(3)本发明采用一个非均匀1bit数/模转化器，在减少芯片面积及功耗的同时，可以有效简单地实现将预处理信号上拉(下拉)至阈值近上界(阈值近下界)这一非均匀操作，且单个数/模转换器不存在多个数/模转换器所存在的生产个体偏差问题，不会引入由于此类偏差而引起的系统采样噪声；

(4)本发明将模/数转换器的数量减少至一个，且使用一个高精度的采样比较器，同时使用一个低精度的区域比较器来实现信号的采集及区域判断；由于高精度比较器的数量直接制约系统功耗的高低，本发明将这一限制降至最低，大大减小了系统的功耗。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为现有的时钟驱动型模/数转换器的采样方式图；

图2为现有的事件驱动型模/数转换器的采样方式图；

图3为现有的事件驱动型模/数转换器的采样信号图；

图4为本发明的超低功耗事件驱动型模/数转换器的结构示意图；

图5为本发明的区域比较器的电路原理图；

图6为本发明的采样比较器的电路原理图；

图7为本发明的非均匀1bit数/模转换模块的电路原理图；

图8为本发明的控制逻辑的电路原理图；

图9为本发明的压缩采样方法的操作步骤图；

图10为本发明的压缩采样方法的流程图。

标号说明：1-非均匀1bit数/模转换模块，2-区域比较器，3-采样比较器，4-控制逻辑，5-二选一开关，6-三选二开关。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例详细描述本发明的超低功耗事件驱动型模/数转换器，其结构示意图如图4所示，包括：非均匀1bit数/模转换模块(DAC)1、区域比较器2、采样比较器3以及控制逻辑4。

待转换的模拟输入信号V_in输入到非均匀1bit数/模转换模块1，非均匀1bit数/模转换模块1将其转换为位于阈值上界V_H和阈值下界V_L之间的锯齿状预处理信号V_on；预处理信号V_on输入区域比较器2的一输入端，阈值近上界VH′或阈值近下界VL′通过一二选一开关输入到区域比较器2的另一输入端，区域比较器2用于将预处理信号V_on和阈值近上界V_subH以及阈值近下界V_subL进行比较，输出区域指示信号φ，用于控制采样比较器3的输入,其电路图如图5所示；非均匀1bit数/模转换模块与采样比较器3通过一三选二开关6连接，三选二开关6通过区域指示信号φ，选择将预处理信号V_on和阈值上界V_H或将预处理信号V_on和阈值下界V_L输出到采样比较器3，采用比较器3用于对预处理信号V_on和阈值上界V_H进行比较或对预处理信号V_on和阈值下界V_L进行比较，如发生穿越，即预处理信号V_on触碰阈值上界V_H或触碰阈值下界V_L时，输出采样脉冲信号ψ，其电路图如图6所示；控制逻辑4用于接收区域比较器2传输来的区域指示信号φ以及采样比较器3传输来的采样脉冲信号ψ，输出反馈控制信号给非均匀1bit数/模转换模块1，非均匀1bit数/模转换模块1根据反馈控制信号将预处理信号V_on下拉至阈值近下界V_subL或上拉至阈值近上界V_subH，当预处理信号V_on触碰阈值上界V_H时，将预处理信号V_on下拉至阈值近下界V_subL；当预处理信号V_on触碰阈值下界V_L时，将预处理信号V_on上拉至阈值近上界V_subH。

较佳实施例中，非均匀1bit数/模转换模块1将预处理信号V_on下拉至阈值近下界V_subL或上拉至阈值近上界V_subH所采用的方法为电荷共享机制，其电路图如图7所示，通过开关的断开与闭合来进行电荷的重新分配，电荷共享平衡后使预处理信号V_on的电压为阈值近上界V_subH或阈值近下界V_subL，电荷共享平衡后的电压由电容C_U、C_D、C_UM、C_DM的相互关系来确定，例如：如果四个电容相等，电荷共享后的的预处理信号V_on的平衡电压为阈值上界V_H与阈值下界V_L的中点电压。本实施例中，使电容C_U、C_D、C_UM、C_DM满足一定的比例关系，使电荷平衡后电压为阈值近上界V_subH或阈值近下界V_subL。控制逻辑的电路原理图如图8所示，其根据区域指示信号φ以及采样脉冲信号ψ，输出反馈控制信号，包括：其分别用于控制非均匀1bit数/模转换模块1的开关的开启与闭合，以进行电荷重新分配。

较佳实施例中，阈值上界V_H与阈值近上界V_subH的电压差以及阈值下界V_L与阈值近下界V_subL的电压差为待转换的模拟输入信号的夹杂噪声信号的标准差电压的三倍；阈值上界与阈值近下界的电压差以及阈值下界与阈值近上界的电压差为预设的最低有效位电压V_LSB，即：

V_H-V_subL＝V_subH-V_L＝V_LSB，

假设待转换的模拟输入信号的夹杂噪声信号的均方差为：

Δn＝εV_LSB (0＜ε＜1/3)，

则：

V_H-V_subH＝V_subL-V_L＝3Δn，

此处取：

C_UM＝C_DM＝3εC_U＝3εC_D,

不同实施例中，阈值近上界V_subH、阈值近下界V_subL以及电容C_U、C_D、C_UM、C_DM可以有不同的取值，其根据待转换的模拟输入信号V_in来确定。

实施例2：

本实施例详细描述本发明的超低功耗事件驱动型模/数转换器及其压缩采样方法，其操作步骤图如图9所示，其包括以下步骤：

S11：将待转换的模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的锯齿状预处理信号；

S12：将预处理信号与阈值近上界以及阈值近下界进行比较，判断预处理信号所在的区域，输出区域指示信号；

S13：根据区域指示信号，将预处理信号、阈值下界输出至采样比较器，或者将预处理信号、阈值上界输出至采样比较器；同时将所述预处理信号以及所述阈值近下界输出至区域比较器，或将所述预处理信号以及所述阈值近上界输出至区域比较器；

S14：将预处理信号和阈值上界进行比较或者将预处理信号和阈值下界进行比较，判断是否进行采样动作触发，是则转入步骤S15，否则重复步骤S14；

S15：触发采样动作，产生采样脉冲信号；

S16：根据采样脉冲信号和区域指示信号将预处理信号下拉至阈值近下界或上拉至阈值近上界。

其中：步骤S12具体为：将预处理信号与阈值近下界进行比较，当预处理信号小于阈值近下界时，输出电平由高电平变为低电平，当预处理信号大于所述阈值近下界时，将预处理信号与阈值近上界进行比较，当预处理信号小于阈值近下界时，输出电平不变，当预处理信号大于阈值近上界时，输出电平由低电平变为高电平，流程图如图10所示。

步骤S16具体为：非均匀1bit模/数转换模块根据采样脉冲信号和区域指示信号，采用电荷共享机制将预处理信号下拉至阈值近下界或上拉至阈值近上界。当预处理信号“触碰”(当预处理信号超越阈值上界阈值下界一个极小值时，预处理信号即被控制逻辑下拉至阈值近下界或上拉至阈值近上界，这里将这一电压超越阈值上下界的现象称为触碰)阈值上界时，将预处理信号下拉至阈值近下界；当预处理信号“触碰”阈值下界时，将预处理信号上拉至阈值近上界。

不同实施例中，步骤S12也可以为：将预处理信号与阈值近下界进行比较，当预处理信号小于阈值近下界时，输出电平由低电平变为高电平，当预处理信号大于所述阈值近下界时，将预处理信号与阈值近上界进行比较，当预处理信号小于阈值近下界时，输出电平不变，当预处理信号大于阈值近上界时，输出电平由高电平变为低电平。另外，也可以为先将预处理信号与阈值近上界比较，当预处理信号小于阈值近上界时，再将预处理信号与阈值近下界比较，原理类似，此处不再赘述。

本发明所设计的模/数转换器通过记录信号变化至阈值处的时刻以及阈值大小来记录被采样信号。在还原信号时，通过采样脉冲所记录下来的采样时刻即：图4中的采样脉冲信号ψ，以及每个采样时刻对应的信号幅度值(阈值间距的累积，即：阈值上界与阈值近下界的差或者阈值上界与阈值近上界的差的累加)，得到一系列离散的采样点，此后再对这一系列的离散采样点通过插值和滤波等方式即可得到原有信号。非均匀采样的具体还原算法有很多，此处不再赘述。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超低功耗事件驱动型模/数转换器，其特征在于，包括：

非均匀1bit数/模转换模块：用于接收待转换的模拟输入信号，并将所述模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的预处理信号；还用于接收控制逻辑的反馈控制信号，将所述预处理信号上拉至阈值近上界或下拉至阈值近下界；

区域比较器：用于对所述预处理信号和所述阈值近上界进行比较和/或对所述预处理信号和所述阈值近下界进行比较，输出区域指示信号；

采样比较器：用于接收所述区域指示信号，并判断所述预处理信号是否穿越出阈值上下界之间的区域，如穿越出，输出采样脉冲信号；

控制逻辑：用于接收所述区域指示信号和采样脉冲信号，输出反馈控制信号给所述非均匀1bit数/模转换模块。

2.根据权利要求1所述的超低功耗事件驱动型模/数转换器，其特征在于，所述非均匀1bit数/模转换模块采用电荷共享机制将所述预处理信号上拉至阈值近上界或下拉至阈值近下界。

3.根据权利要求1所述的超低功耗事件驱动型模/数转换器，其特征在于，所述阈值上界与所述阈值近上界的电压差以及所述阈值下界与所述阈值近下界的电压差为所述待转换的模拟输入信号所夹杂噪声电压的标准差的三倍；

所述阈值上界与所述阈值近下界的电压差以及所述阈值下界与所述阈值近上界的电压差为预设的最低有效位电压。

4.根据权利要求1所述的超低功耗事件驱动型模/数转换器，其特征在于，所述非均匀1bit数/模转换模块与所述采样比较器之间通过三选二开关相连；

所述三选二开关用于将所述阈值上界和所述预处理信号输入到所述采样比较器的两个输入端或将所述阈值下界和所述预处理信号输入到所述采样比较器的两个输入端。

5.根据权利要求1所述的超低功耗事件驱动型模/数转换器，其特征在于，所述阈值近上界和所述阈值近下界通过二选一开关连接到所述区域比较器的一输入端；

所述二选一开关用于将所述阈值近上界或所述阈值近下界输入到所述区域比较器的一输入端。

6.一种超低功耗事件驱动型模/数转换器的压缩采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：将待转换的模拟输入信号转换为位于阈值上下界之间的预处理信号；

S12：将所述预处理信号与阈值近上界以及阈值近下界进行比较，判断预处理信号所在的区域，输出区域指示信号；

S13：根据区域指示信号，将所述预处理信号以及所述阈值下界输出，或者将所述预处理信号以及所述阈值上界输出；同时将所述预处理信号以及所述阈值近下界输出，或将所述预处理信号以及所述阈值近上界输出；

S14：将所述预处理信号和所述阈值上界进行比较或者将所述预处理信号和所述阈值下界进行比较，判断是否进行采样动作触发，是则转入步骤S15，否则重复步骤S14；

S15：触发采样动作，产生采样脉冲信号；

S16：根据所述采样脉冲信号和所述区域指示信号将所述预处理信号下拉至所述阈值近下界或上拉至所述阈值近上界。

7.根据权利要求6所述的压缩采样方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：将所述预处理信号与阈值近下界进行比较，当所述预处理信号小于所述阈值近下界时，输出电平由低电平变为高电平或由高电平变为低电平，当所述预处理信号大于所述阈值近下界时，将所述预处理信号与所述阈值近上界进行比较，当所述预处理信号小于阈值近下界时，输出电平不变，当所述预处理信号大于阈值近上界时，输出电平由高电平变为低电平或由低电平变为高电平。

8.根据权利要求6所述的压缩采样方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：将所述预处理信号与阈值近上界进行比较，当所述预处理信号大于所述阈值近上界时，输出电平由低电平变为高电平或由高电平变为低电平，当所述预处理信号小于所述阈值近上界时，将所述预处理信号与所述阈值近下界进行比较，当所述预处理信号大于所述阈值近下界时，输出电平不变，当所述预处理信号小于所述阈值近下界时，输出电平由高电平变为低电平或由低电平变为高电平。

9.根据权利要求6所述的压缩采样方法，其特征在于，所述步骤S16具体为：当所述预处理信号触碰所述阈值上界时，将预处理信号下拉至所述阈值近下界；

当所述预处理信号触碰所述阈值下界时，将预处理信号上拉至所述阈值近上界。

10.根据权利要求9所述的压缩采样方法，其特征在于，所述步骤S16进一步为：非均匀1bit模/数转换模块根据采样脉冲信号和区域指示信号，采用电荷共享机制将预处理信号下拉至所述阈值近下界或上拉至所述阈值近上界。