CN105356884B - 基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Sigma‑Delta模数转换器的传感器读出电路，包括：输入信号选择器（MUX），用于选择八个输入通道中的两路通道作为差分输入信号；缓冲电路（Input buffer），提供高输入阻抗，接收传感器输入信号，并驱动后级电路；可编程增益放大器（PGA），用于放大输入信号；直流偏移产生器，可以提供一个固定直流偏移，改变输入信号直流值，偏移量同样可以通过寄存器进行配置；Sigma‑Delta模数转换器，用于将模拟输入信号转换成单比特脉冲密度调制码（PDM）；数字模块包含数字滤波器和寄存器，数字滤波器用于将PDM进行滤波和降采样，寄存器配置各个模块工作方式。本发明提出的电路可应用于温度、压力、重力等检测系统，具有高精度、高线性度、宽动态范围的等优点。

Description

基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路

技术领域

本发明涉及一种传感器信号读出电路，特别是一种基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出芯片，可应用于温度、压力、重力等检测系统，属于集成电路技术领域。

背景技术

传感器作为电子设备感知自然界信息必不可少的部件，已广泛应用在工业控制、汽车、医疗、消费电子等领域。随着物联网的发展和智能设备的普及，传感器迎来了新的发展机遇，无论是数量还是种类，人们对传感器的需求日益增多，同时对性能的要求也更加严格。作为传感器系统中至关重要的一部分，传感器读出（处理）电路也面临着同样的挑战。

Sigma-Delta模数转换器广泛用于低速信号读出电路中。它以高过采样率将低速模拟信号转换成高速数字信号，经过数字电路滤波处理，可以达到很高的信噪比。在一些应用中，需要采集多路信号，而信号的幅值和直流也会发生变化，在这种情况下，为了更好的读出信号，本发明提出了一种基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提出一种基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，它可以灵活便捷地对传感器信号进行选择、放大、偏移、转换处理，同时具有很高的信噪比和很好的线性度。

技术方案：一种基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，包括：

输入信号选择器，用于从八路输入通道中选择两路输出给后级电路；

输入缓冲器，用于提供高输入阻抗，缓冲输入信号，驱动后级电路；

可编程增益放大器，用于放大输入信号，可以通过寄存器配置；

直流偏移产生器，产生偏移电压，用于偏移输入信号直流幅值，偏移量同样可以通过寄存器进行配置；

Sigma-Delta模数转换器，用于将输入模拟信号转换成脉冲密度调制码（PDM）；

数字模块，用于对脉冲密度调制码进行滤波和降采样，并且配置其他电路工作方式。

本发明中的输入信号选择器，包含十六组开关和控制电路，每一输入通道与两组开关输入端连接，这两组开关输出端分别与所述输入缓冲器的正负输入端连接，每一组开关控制端与控制电路连接。

本发明中的直流偏移产生器，包括参考电压分压电路和译码电路，其中参考电压分压电路产生一组偏移参考电压V1、V2、…、Vm，每一个偏移参考电压分别与一个开关输入端相连，所有开关输出端与所述参考电压分压电路的输出端相连，而译码电路产生一组偏移参考电压选择控制端C1、C2、…、Cm，每一偏移参考电压选择控制端分别与相应的开关控制端相连。

本发明中的Sigma-Delta模数转换器，为三级单环路1bit模数转换器，它包含第一积分器，第二积分器，第三积分器，第一加法器，第二加法器，第一放大器，第二放大器，第一带使能控制放大器，第二带使能控制放大器，一个1bit数模转换器，以及一个1bit量化器；输入信号VIN经过第一放大器放大，与数字输出信号VOUT经过1bit数模转换器转换后的信号在第一加法器求和，求和结果依次经过第一积分器、第二积分器和第三积分器进行运算，三个积分器的积分结果分别通过第二放大器、第三放大器和第四放大器放大，三个放大器输出结果由第二加法器进行求和，求和结果由1bit量化器转换成数字输出信号VOUT，其中第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器带有使能控制端，使能控制端由数字模块控制，当第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器被禁止工作时，此Sigma-Delta模数转换器变成一阶结构。

当Sigma-Delta模数转换器阶数比较高时，整体环路容易出现不稳定的情况。在本发明中，当出现不稳定情况时，可以将第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器禁用，当这些模块被禁用时，调制器环路变为一阶，一阶环路是无条件稳定的。通过本发明的这种降低阶数的方法，可以使得Sigma-Delta模数转换器在发生不稳定时仍然可以正常工作。降低阶数后，经过一段时间，模数转换器会重新恢复到三阶的工作模式。

本发明中的数字模块，由数字滤波器和寄存器两部分组成。数字滤波器用于将单比特脉冲密度调制码进行滤波和降采样，数字滤波器包含了第一数字滤波器和第二数字滤波器，寄存器为20位Register，控制本发明电路工作方式。

附图说明

图1 为本发明提供的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路示意图；

图2 为本发明提供的Sigma-Delta模数转换器电路结构示意图；

图3 位本发明数字模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的提出的读出电路结构如图1所示，由输入信号选择器、输入缓冲器、可编程增益放大器、直流偏移产生器、Sigma-Delta模数转换器和数字模块构成。

本发明读出电路可以适用于单个或多个传感器读出方案。在处理多个传感器信号时，每一路传感器信号都可以接入读出电路输入端，由输入信号选择器进行选择对某一路信号进行处理。输入信号选择器由开关阵列组成，有八个输入端和两个输出端，即正负输出端。每个输入端分别经由两个开关与正负输出端相连，所以任何一路信号既可以作为正端输出也可以作为负端输出。

后级电路输入缓冲器、可编程增益放大器、直流偏移产生器、Sigma-Delta模数转换器均为全差分结构。输入缓冲器相对于可编程增益放大器可以提供高输入阻抗，在传感器驱动能力不强的时候，减小对传感器的影响，避免干扰传感器的正常工作。在一些应用中，如果传感器可以直接驱动可编程增益放大器，则可以将缓冲器关掉而不使其工作。

可编程增益放大器可以对输入信号进行不同倍数的放大。当输入信号幅度很小时，可以先将其放大一定倍数，再进行模数转换，这样就可以提高读出电路整体分辨率。

直流偏移产生器可以用来对输入信号的直流分量进行一定的调整，同样可以提高读出电路的有效分辨率。直流偏移产生器产生的偏移电压是以Sigma-Delta模数转换器的参考电压为基准的，偏移电压由参考电压经电阻阵列分压而成，偏移幅值受数字模块控制，最小步长为参考电压的一半除以127，偏移最大幅值为参考电压的一半。参考电压分压电路产生一组偏移参考电压V1、V2、…、Vm，每一个偏移参考电压分别与一个开关输入端相连，所有开关输出端与所述参考电压分压电路的输出端相连，而译码电路产生一组偏移参考电压选择控制端C1、C2、…、Cm，每一偏移参考电压选择控制端分别与相应的开关控制端相连。

Sigma-Delta模数转换器用于将模拟输入信号转换成单比特脉冲密度调制码（PDM），是读出电路中的最为关键的电路，它直接决定了整体电路的性能。为了实现优秀的噪声特性，优选一种三阶单环路单比特 Sigma-Delta模数转换器，见图2。它包含第一积分器、第二积分器和第三积分器，第一加法器、第二加法器，第一放大器、第二放大器，第一带使能控制放大器和第二带使能控制放大器，一个1bit数模转换器，一个1bit量化器。输入信号VIN经过第一放大器放大，与VOUT经过1bit数模转换器转换后的信号在第一加法器求和，其结果依次经过第一积分器、第二积分器和第三积分器进行运算，三个积分器的积分结果分别通过第二放大器、第三放大器和第四放大器放大，三个放大器输出结果由第二加法器进行求和，求和结果由1bit量化器转换成数字输出信号VOUT。

第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器均带有使能控制端，使能控制端由数字模块控制。当Sigma-Delta模数转换器阶数比较高时，整体环路容易出现不稳定的情况。在本发明中，当出现不稳定情况时，可以将第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器禁用，当这些模块被禁用时，调制器环路变为一阶，一阶环路是无条件稳定的。一阶的环路虽然噪声特性会变差，但是仍然可以对模拟信号进行转换。通过本发明的这种降低阶数的方法，可以使得Sigma-Delta模数转换器在发生不稳定时仍然可以正常工作。降低阶数后，经过一段时间，模数转换器会重新恢复到三阶的工作模式。

本发明中的数字模块，包含了数字滤波器和寄存器，数字滤波器用于将PDM进行滤波和降采样，寄存器配置各个模块工作方式。如图3所示。其中数字滤波器由第一滤波器和第二滤波器构成。第一滤波器速度快精度低，第二滤波器速度慢精度高。当Sigma-Delta模数转换器开始工作时，首先使用第一滤波器输出数据，经过两次转换后，第二滤波器开始输出数据。这种工作方式兼顾了速度和精度的选择。在本发明中采用了20位寄存器来配置整体电路，使整个读出电路对传感器信号处理更加灵活方便。

Claims (6)

1.一种基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，包括：

输入信号选择器，用于从八路输入通道中选择两路输出给后级电路；

输入缓冲器，用于提供高输入阻抗，缓冲输入信号，驱动后级电路；

可编程增益放大器，用于放大输入信号，放大器增益通过数字模块的寄存器进行配置；

直流偏移产生器，产生偏移电压，用于偏移输入信号直流幅值，偏移量通过数字模块的寄存器进行配置；

Sigma-Delta模数转换器，用于将输入模拟信号转换成单比特脉冲密度调制码；

数字模块，用于对脉冲密度调制码进行滤波和降采样，并且配置其他电路工作方式。

2.如权利要求1所述的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，所述输入信号选择器，包含十六组开关和控制电路，每一输入通道与两组开关输入端连接，这两组开关输出端分别与所述输入缓冲器的正负输入端连接，每一组开关控制端与控制电路连接。

3.如权利要求1所述的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，所述直流偏移产生器，包括参考电压分压电路和译码电路，其中参考电压分压电路产生一组偏移参考电压V1、V2、…、Vm，每一个偏移参考电压分别与一个开关输入端相连，所有开关输出端与所述参考电压分压电路的输出端相连，而译码电路产生一组偏移参考电压选择控制端C1、C2、…、Cm，每一偏移参考电压选择控制端分别与相应的开关控制端相连。

4.如权利要求1所述的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，Sigma-Delta模数转换器，为三级单环路1bit模数转换器，它包含第一积分器，第二积分器，第三积分器，第一加法器，第二加法器，第一放大器，第二放大器，第一带使能控制放大器，第二带使能控制放大器，一个1bit数模转换器，以及一个1bit量化器；

输入信号VIN经过第一放大器放大，与数字输出信号VOUT经过1bit数模转换器转换后的信号在第一加法器求和，求和结果依次经过第一积分器、第二积分器和第三积分器进行运算，三个积分器的积分结果分别通过第二放大器、第三放大器和第四放大器放大，三个放大器输出结果由第二加法器进行求和，求和结果由1bit量化器转换成数字输出信号VOUT，其中第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器带有使能控制端，使能控制端由数字模块控制。

5.如权利要求4所述的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，当第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器被禁止工作时，此Sigma-Delta模数转换器变成一阶结构；即，Sigma-Delta模数转换器在发生不稳定时，将第二积分器、第三积分器、第三放大器和第四放大器禁用，当这些模块被禁用时，Sigma-Delta模数转换器变成一阶结构；当Sigma-Delta模数转换器稳定时，重新恢复到三阶的工作模式。

6.如权利要求1所述的基于Sigma-Delta模数转换器的传感器读出电路，其特征在于，所述数字模块，由数字滤波器和寄存器两部分组成；数字滤波器用于将单比特脉冲密度调制码进行滤波和降采样，数字滤波器包含了第一数字滤波器和第二数字滤波器，寄存器为20位Register，控制读出电路工作方式。