CN104950165A - 检测电路和检测方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种检测电路，用于检测电压信号，包括：电压信号放大器、驱动电路、过采样模数转换器、数字滤波器。驱动电路为电压信号放大器产生的放大信号进行增益和带宽调制，使得电压信号放大器的带宽不需要匹配过采样模数转换器，电压信号放大器用作滤波器来滤除输入电压信号的噪声，不需要降低数字滤波器的带宽，提高了系统的信噪比。所述检测电路还包括设置于电压信号放大器之前的第一斩波电路和设置在驱动电路和过采样模数转换器之间的第二斩波电路。通过斩波电路，将电压信号放大器和驱动电路产生的1/f噪声调制到高频通过数字滤波器滤除，提高了系统的信噪比。还公开了一种高信噪比的电压信号的检测方法。

Description

检测电路和检测方法

技术领域

本发明涉及模拟电路技术领域，具体涉及一种检测电路和检测方法。

背景技术

MEMS传感器以其体积小、重量轻、抗机械振动及温度变化能力强、抗电磁干扰性能优越等许多优点越来越广泛地应用于工业、声学、医疗、军事、石油探测等许多领域，特别在移动通信领域，MEMS传感器已成为智能手机的标配。

现有的MEMS传感器的输出信号检测电路先用放大器将信号放大，然后通过模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)进行模数转换，最后用数字滤波器对模数转换器输出的数字值进行滤波。MEMS传感器的输出信号检测电路主要有三种架构：电荷放大器加逐次逼近模数转换器和数字滤波器，电压信号放大器加过采样模数转换器和数字滤波器，电压信号放大器加逐次逼近模数转换器和数字滤波器。

现有技术的检测电路结构中，由于放大器需要驱动模数转换器，所以放大器的带宽会受到限制。这样，放大器的噪声和MEMS传感器输出本身的噪声都是通过数字滤波器进行滤波的。这样为降低噪声就必须降低数字滤波器的带宽，无论是增加ADC的采样次数还是降低ADC的采样时钟频率来降低数字滤波器的带宽，都会以增加前端电路的功耗为代价。通常这些电路能达到16bit的精度，如果继续提高精度，代价会比较大，存在着优化性能与功耗之间的矛盾。

因此期望MEMS传感器的输出信号的检测电路能够提供高的信噪比。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种检测电路，用于检测电压信号，例如MEMS传感器的微弱输出信号。

根据本发明的一个方面，本发明提出的检测电路包括：电压信号放大器，用于放大所述电压信号，以生成放大信号；驱动电路，用于调整所述放大信号的增益、带宽，以生成驱动信号；过采样模数转换器，用于在第一时序信号的控制下以第一频率对所述驱动信号进行采样、量化，以生成数字信号；数字滤波器，用于对所述数字信号进行滤波；其中，所述放大信号不包含所述电压信号中的噪声，所述驱动信号与所述过采样模数转换器匹配。

优选地，所述检测电路还包括：第一斩波电路，设置在所述电压信号放大器之前，用于在第二时序信号的控制下对所述电压信号进行斩波；第二斩波电路，设置在所述驱动电路和所述过采样模数转换器之间，用于在第二时序信号的控制下对所述驱动信号进行斩波。

优选地，所述第一频率大于所述驱动信号的频率的两倍。

优选地，所述第二时序信号包括交替且时间相等的第一相位和第二相位。

优选地，所述第一斩波电路在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；所述第一斩波电路在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入反相；所述第二斩波电路在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；所述第二斩波电路在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入信号反相。

优选地，所述过采样模数转换器在第一时序信号的控制下，在所述第一相位和第二相位切换后的建立时间内不工作或丢弃输出的数字信号。

优选地，所述第一时序信号的周期为所述第二时序信号的周期的一半，所述第一时序信号的周期包括依次的建立时间和工作时间，其中所述工作时间的长度为所述过采样模数转换器的采样周期的整数倍。

优选地，所述工作时间的长度为所述过采样模数转换器的采样周期的2ⁿ倍。

优选地，所述建立时间根据所述电压信号放大器的带宽确定，且所述建立时间大于所述过采样模数转换器的采样周期，小于所述工作时间。

优选地，在所述建立时间内，所述过采样模数转换器同所述数字滤波器断开；在所述工作时间内，所述过采样模数转换器同所述数字滤波器连接。

根据本发明的另一个方面，一种检测方法，用于检测电压信号，所述检测方法包括：放大所述电压信号并滤除所述电压信号的噪声，以生成放大信号；调整所述放大信号的带宽，以生成驱动信号；在第一时序信号的控制下以第一频率对所述驱动信号进行采样、量化，以生成数字信号；用于对所述数字信号进行滤波；其中，所述驱动信号的带宽与第一频率匹配。

优选地，所述检测方法还包括：在电压信号被放大、滤波之前，根据第二时序信号对电压信号进行斩波；以及在采样、量化之前，根据第二时序信号对对驱动信号进行斩波。

优选地，所述第一频率大于所述驱动信号的频率的两倍。

优选地，所述第二时序信号包括交替且时间相等的第一相位和第二相位。

优选地，根据第二时序信号进行斩波包括：在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入信号反相。

优选地，所述第一时序信号的周期为所述第二时序信号的一半，所述第一时序信号的周期包括依次的建立时间和工作时间，在建立时间内不对驱动信号采样、量化或丢弃经采样、量化生成的数字信号；在工作时间内，对驱动信号进行整数次采样、量化。

优选地，在工作时间内，对驱动信号进行2ⁿ次采样、量化。

优选地，建立时间大于进行采样、量化的采样周期，小于所述工作时间。

通过驱动电路为电压信号放大器产生的放大信号进行增益和带宽调制，使得电压信号放大器的带宽不需要匹配过采样模数转换器，电压信号放大器用作滤波器来滤除MEMS传感器输出信号的噪声，不需要降低数字滤波器的带宽，提高了系统的信噪比，改善了电路性能。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为根据本发明第一实施例的检测电路的结构图；

图2为根据本发明第二实施例的检测电路的结构图；

图3为根据本发明第二实施例的检测电路的斩波电路的输入输出波形图；

图4为根据本发明第二实施例的检测电路的工作时序图；以及

图5为根据本发明第三实施例的检测方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

MEMS传感器的输出信号十分微弱，通常只有几毫伏，有的甚至是微伏级的，而且还带有噪声；此时的信号质量是非常差的，信噪比很低。检测电路的任务是对MEMS传感器的输出信号进行放大、滤波、再进行模数转换，最后通过数字滤波器得到高信噪比的输出信号。

图1为根据本发明第一实施例的检测电路的结构图，检测电路100包括：电压信号放大器101、驱动电路102、过采样模数转换器103以及数字滤波器104。检测电路100用于检测MEMS传感器300的输出信号。

电压信号放大器101设置在MEMS传感器300和驱动电路之间102。电压信号放大器101放大MEMS传感器产生的微弱的输出信号，以产生放大信号。电压信号放大器又称连续放大器，是以运算放大器为基础的放大器，用于放大电压信号。同时，电压信号放大器101还作为滤波器，通过调整电压信号放大器101的带宽可以滤除MEMS传感器的输出信号中的噪声，提高信噪比。

驱动电路102设置在电压信号放大器101和过采样模数转换器103之间，驱动电路102用于调整放大信号的增益、带宽等，以产生与过采样模数转换器103匹配的驱动信号。

过采样模数转换器103设置在驱动电路102和数字滤波器104之间，用于将输入的模拟信号转换为数字信号，例如，过采样模数转换器103为Σ-Δ模数转换器。过采样模数转换器103的采样频率高于奈奎斯特采样率，能够降低量化噪声，提高精度，同时使得其输出数字信号的上限频率到1/2采样频率的区域都能进进行数字处理。

数字滤波器104用于对过采样模数转换器103输出的数字信号进行滤波。数字滤波器104具有易调整、精度高的特点，能够消除几乎所有的过采样模数转换器103带外噪声。

通常模数转换器具有高输入阻抗和较大且可变的容抗，同时开关电容或采样保持电路会产生电流尖峰，驱动电路102能够消除电流尖峰同时提供低阻抗抗源。过采样模数转换器103的采样频率高于奈奎斯特采样率，被采样的模拟信号需要有匹配的带宽，在采样频率的1/2处，前一级的电路需要和过采样模数转换器103有相近的失真和噪声特性

电压信号放大器101为了滤除MEMS传感器的输出信号中的噪声，需要合适的带宽，因此电压信号放大器101输出的放大信号与过采样模数转换器103不匹配，驱动电路102通过调整放大信号的增益、带宽以生成与过采样模数转换器103匹配的驱动信号。驱动电路102使得放大电路101的带宽不再受过采样模数转换器103制约，能够更好地对MEMS传感器的输出信号进行滤波。

本发明第一实施例的检测电路100可以在不降低数字滤波器104带宽的情况下就能够提高输出信号的质量。在第一实施例的检测电路100中MEMS传感器输出信号的噪声通过电压信号放大器101滤除，电压信号放大器101产生的噪声通过数字滤波器104滤除。在MEMS传感器输出信号的噪声是主要噪声来源的情况下，第一实施例的检测电路100能够有效提高系统的信噪比。

本发明第一实施例的检测电路100可以同MEMS传感器300制作在同一个衬底上，也可以同片外单独的MEMS传感器300封装在一起。

图2为根据本发明第二实施例的检测电路的结构图，检测电路200包括：电压信号放大器201、驱动电路202、过采样模数转换器203、数字滤波器204、斩波电路205以及斩波电路206。检测电路200用于检测MEMS传感器300的输出信号。

斩波电路205设置在MEMS传感器300和电压信号放大器201之间。斩波电路205在时序信号Cp的控制下对MEMS传感器300的输出信号进行斩波。通常MEMS传感器300的输出信号为低频信号，MEMS传感器300的输出信号的频率记作f₀。斩波电路205将MEMS传感器300的输出信号调制到频率f₁，其中f₁>>f₀。

电压信号放大器201设置在斩波电路205和驱动电路之间202。电压信号放大器201放大斩波后的MEMS传感器300的输出信号，以产生放大信号。电压信号放大器又称连续放大器，是以运算放大器为基础的放大器，用于放大电压信号。同时，电压信号放大器201还作为滤波器，通过调整电压信号放大器201的带宽可以滤除MEMS传感器300的输出信号中的噪声，提高信噪比。

驱动电路202设置在电压信号放大器201和斩波电路206之间，驱动电路202用于调整放大信号的增益、带宽等，以产生与过采样模数转换器203匹配的驱动信号。

斩波电路206设置在驱动电路202和过采样模数转换器203之间。斩波电路206在时序信号Cp的控制下对驱动信号进行斩波。斩波电路206将驱动信号从频率f₁调制回频率f₀，而电压信号放大器201和驱动电路202产生的噪声被调制到频率f₁。

过采样模数转换器203设置在斩波电路206和数字滤波器204之间，过采样模数转换器203在时钟信号ADC_CLK的控制下对驱动信号进行采样、量化，将驱动信号转换为数字信号，例如，过采样模数转换器203为Σ-Δ模数转换器。过采样模数转换器203的采样频率高于奈奎斯特采样率，使得其输出数字信号的上限频率到1/2采样频率的区域都能进进行数字处理。

数字滤波器204用于对过采样模数转换器203输出的数字信号进行滤波。数字滤波器204具有易调整、精度高的特点，能够消除几乎所有的过采样模数转换器203带外噪声。

图3示出了本发明第二实施例的检测电路的斩波电路的输入输出波形图。斩波电路205和斩波电路206在时钟信号CP的控制下斩波，时钟信号CP的周期为Tcp＝1/f₁。时钟信号CP包括交替的第一相位和第二相位，第一相位和第二相位的时间分别为Tcp/2。

斩波电路205在时钟信号CP为第一相位时，斩波电路205的输出Vout同斩波电路205的输入Vin相同；斩波电路205在时钟信号CP为第二相位时，斩波电路205的输出Vout同斩波电路205的输入Vin反相。例如斩波电路205的输入Vin一直保持为V1，斩波电路205的输出Vout在时钟信号CP为第一相位时为V1，在时钟信号CP为第二相位时为-V1。

斩波电路206在时钟信号CP为第一相位时，斩波电路206的输出Vout同斩波电路206的输入Vin相同；斩波电路206在时钟信号CP为第二相位时，斩波电路206的输出Vout同斩波电路206的输入Vin反相。例如斩波电路206的输入Vin一直保持为V1，斩波电路206的输出Vout在时钟信号CP为第一相位时为V1，在时钟信号CP为第二相位时为-V1。

图4示出本发明第二实施例的检测电路200的工作时序图。过采样模数转换器203的时钟信号ADC_CLK的一个周期为Tcp/2。时钟信号ADC_CLK的一个周期包括建立时间Ts和工作时间Tc，其中工作时间Tc＝A*T，T为过采样模数转换器203的采样周期，即过采样模数转换器203完成一次采样、量化的时间，A为大于0的整数。在优选的实施方式中，A＝2ⁿ。当时序信号CP在第一相位和第二相位之间切换时，时钟信号ADC_CLK开始处于建立时间Ts然后是工作时间Tc。建立时间Ts小于工作时间Tc，并且大于过采样模数转换器203的采样周期T，建立时间Ts由电压信号放大器201的带宽决定，在建立时间Ts，过采样模数转换器203不工作或丢弃输出的数字信号。

在优选的实施方式中，在过采样模数转换器203和数字滤波器204之间还设有第一开关，第一开关在时钟信号ADC_CLK处于建立时间Ts时断开，在时钟信号ADC_CLK处于工作时间Tc时闭合。

MEMS传感器300的输出信号的噪声、电压信号放大器201产生的噪声、驱动电路202产生的噪声主要为热噪声和1/f噪声。热噪声为白噪声，热噪声处于较高的频率可以通过电压信号放大器201和数字滤波器204滤除。1/f噪声主要集中在低频，因为在检测电路200中的电压信号放大器201和数字滤波器204为低通滤波，很难滤除1/f噪声。斩波电路205将MEMS传感器300的输出信号调制到高频f₁，斩波电路206将驱动信号调制回频率f₀。进入过采样模数转换器203的驱动信号保持在原有频率f₀，而电压信号放大器201和驱动电路202产生的1/f噪声被斩波电路206调制到高频f₁，这样在经过数字滤波器204时，电压信号放大器201和驱动电路202产生的1/f噪声就能被滤除。

图5示出了本发明第三实施例的电压信号的检测方法的流程图。

在步骤S101，在第二时序信号的控制下，对电压信号进行第一次斩波。第二时序信号包括交替且时间相等的第一相位和第二相位，在第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；在第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入信号反相。因此第一次斩波将电压信号从原始频率调制到第二时序信号的频率，记为斩波频率，斩波频率大于电压信号的原始频率。

在步骤S102，放大并滤波上述斩波后的电压信号以生成放大信号。

在步骤S103，调制放大信号的带宽以生成驱动信号。

在步骤S104，在第二时序信号的控制下，对驱动信号进行第二次斩波。第二次斩波将驱动信号调制到原始频率。但步骤S102、步骤S103中产生的噪声依然保持在斩波频率。

在步骤S105，在第一时序信号的控制下，以第一频率对斩波后的驱动信号进行采样、量化，以生成数字信号。其中，第一时序信号的周期为第二时序信号的一半，第一时序信号的周期包括依次的建立时间和工作时间。在建立时间内不对驱动信号采样、量化或丢弃经采样、量化生成的数字信号；在工作时间内，对驱动信号进行整数次采样、量化。建立时间大于进行采样、量化的采样周期，小于工作时间。采样、量化的采样周期为对驱动信号进行一次采样、量化的时间。

在优选地实施例中，在工作时间内，对驱动信号进行2ⁿ次采样、量化。

在步骤S106，对数字信号进行滤波。

根据本发明第一实施例的检测电路，通过设置在过采样模数转换器和电压信号放大器之间的驱动电路为电压信号放大器产生的放大信号进行增益和带宽调制，使得电压信号放大器的带宽不需要匹配过采样模数转换器，电压信号放大器用作滤波器来滤除MEMS传感器输出信号的噪声，不需要降低数字滤波器的带宽，提高了系统的信噪比，改善了电路性能。

根据本发明第二实施例的检测电路，通过斩波电路的调制，将电压信号放大器和驱动电路产生的1/f噪声调制到高频通过数字滤波器滤除，提高了系统的信噪比，改善了电路性能。

根据本发明的第三实施例的检测方法，在步骤S104的第二次斩波中，驱动信号被调制到原始频率，而在步骤S102和S103中产生的1/f噪声只经过步骤S104的斩波调制，处在高频位置，通过步骤S106过滤掉，提高了信噪比。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种检测电路，用于检测电压信号，所述检测电路包括：

电压信号放大器，用于放大所述电压信号，以生成放大信号；

驱动电路，用于调整所述放大信号的增益、带宽，以生成驱动信号；

过采样模数转换器，用于在第一时序信号的控制下以第一频率对所述驱动信号进行采样、量化，以生成数字信号；

数字滤波器，用于对所述数字信号进行滤波；

其中，所述放大信号不包含所述电压信号中的噪声，所述驱动信号与所述过采样模数转换器匹配。

2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述检测电路还包括：

第一斩波电路，设置在所述电压信号放大器之前，用于在第二时序信号的控制下对所述电压信号进行斩波；

第二斩波电路，设置在所述驱动电路和所述过采样模数转换器之间，用于在第二时序信号的控制下对所述驱动信号进行斩波。

3.根据权利要求1或2所述的检测电路，其特征在于，所述第一频率大于所述驱动信号的频率的两倍。

4.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述第二时序信号包括交替且时间相等的第一相位和第二相位。

5.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述第一斩波电路在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；所述第一斩波电路在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入反相；

所述第二斩波电路在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；所述第二斩波电路在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入信号反相。

6.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述过采样模数转换器在第一时序信号的控制下，在所述第一相位和第二相位切换后的建立时间内不工作或丢弃输出的数字信号。

7.根据权利要求6所述的检测电路，其特征在于，所述第一时序信号的周期为所述第二时序信号的周期的一半，所述第一时序信号的周期包括依次的建立时间和工作时间，其中所述工作时间的长度为所述过采样模数转换器的采样周期的整数倍。

8.根据权利要求7所述的检测电路，其特征在于，所述工作时间的长度为所述过采样模数转换器的采样周期的2ⁿ倍。

9.根据权利要求6所述的检测电路，其特征在于，所述建立时间根据所述电压信号放大器的带宽确定，且所述建立时间大于所述过采样模数转换器的采样周期，小于所述工作时间。

10.根据权利要求7所述的检测电路，其特征在于，在所述建立时间内，所述过采样模数转换器同所述数字滤波器断开；在所述工作时间内，所述过采样模数转换器同所述数字滤波器连接。

11.一种检测方法，用于检测电压信号，所述检测方法包括：

放大所述电压信号并滤除所述电压信号的噪声，以生成放大信号；

调整所述放大信号的带宽，以生成驱动信号；

在第一时序信号的控制下以第一频率对所述驱动信号进行采样、量化，以生成数字信号；

用于对所述数字信号进行滤波；

其中，所述驱动信号的带宽与第一频率匹配。

12.根据权利要求11所述的检测方法，其中，所述检测方法还包括：

在电压信号被放大、滤波之前，根据第二时序信号对电压信号进行斩波；以及

在采样、量化之前，根据第二时序信号对对驱动信号进行斩波。

13.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于，所述第一频率大于所述驱动信号的频率的两倍。

14.根据权利要求12所述的检测方法，其特征在于，所述第二时序信号包括交替且时间相等的第一相位和第二相位。

15.根据权利要求14所述的检测方法，其特征在于，根据第二时序信号进行斩波包括：

在所述第二时序信号为第一相位时，将输入信号直接输出；在所述第二时序信号为第二相位时，将输出信号设置为同输入信号反相。

16.根据权利要求15所述的电压信号的检测方法，其特征在于，所述第一时序信号的周期为所述第二时序信号的一半，所述第一时序信号的周期包括依次的建立时间和工作时间，在建立时间内不对驱动信号采样、量化或丢弃经采样、量化生成的数字信号；在工作时间内，对驱动信号进行整数次采样、量化。

17.根据权利要求16所述的电压信号的检测方法，其特征在于，在工作时间内，对驱动信号进行2ⁿ次采样、量化。

18.根据权利要求14所述的电压信号的检测方法，其特征在于，所述建立时间大于进行采样、量化的采样周期，小于所述工作时间。