CN105531933A - 使用自适应逐次逼近寄存器的超低功率接口 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种医疗装置，该医疗装置被配置成使用可适配位数来转换模拟信号。该医疗装置包括用于接收模拟信号的模拟-数字(A/D)转换器。该A/D转换器具有全刻度范围和跨越该全刻度范围的总位数。该A/D转换器在转换周期内使用可适配位数将该模拟信号转换成数字信号，这样使得在这些转换周期的至少一部分上，该A/D转换器使用跨越该全刻度范围的一部分、小于该总位数的所适配位数来转换该模拟信号。

Description

使用自适应逐次逼近寄存器的超低功率接口
技术领域
本公开涉及能够使用自适应的位数将模拟信号转换成数字信号的医疗装置。
背景技术
许多可植入式医疗装置(IMD)可用于急性或慢性植入患者体内。一些可植入式医疗装置可用于监测患者的生理信号，诸如心脏起搏器、可植入式血液动力监测器、可植入式心脏监测器(有时称为可植入式循环记录器或ECG监测器)、可植入式血液化学监测器、可植入式压力监测器等。用于监测患者的医疗装置所利用的各种类型的生理传感器包括用于测量电信号和/或阻抗的电极、压电晶体、加速度计、压力传感器、pH值传感器、声学传感器、温度传感器以及氧传感器。
生理信号可以由医疗装置进行存储、处理和分析，以便生成关于患者的对临床医生诊断病症或规划医学治疗方案有用的生理数据。一些可植入式装置可以被配置成递送与监测生理信号相关联的治疗。可以对生理信号进行处理和分析以便确定何时需要治疗或者需要如何调整治疗而对患者有益。由可植入式医疗装置递送的治疗可以包括电刺激治疗(例如心脏起搏、心脏复律/除颤电击脉冲、或神经刺激)以及药理学治疗或生物流体递送治疗。
为了提供用于检测病理条件、控制自动治疗递送或生成可由临床医生用来进行诊断和预测的形式的数据所需的生理数据，通常需要将生理传感器所产生的模拟信号数字化。模拟-数字(A/D)转换器被用来根据期望的采样率和位分辨率将模拟信号转换成数字信号。当连续或频繁地监测生理信号时，包括在IMD中的A/D转换器可显著贡献于总体装置功率消耗。
医疗装置技术中正在进行的设计目标是减小装置尺寸，例如，以便能够实现微创植入过程并且提升患者舒适度。然而，装置尺寸的减小对可用于电源、信号处理电路以及支持主要装置功能的其他装置部件的空间造成限制。降低信号处理电路(诸如A/D转换器)所需的功率消耗的系统和方法能够改善可植入式装置的电池寿命和/或有助于减小总体尺寸。
发明内容
总的来说，本公开涉及用于在医疗装置中将模拟信号转换成数字信号的技术。包括可适配逐次逼近寄存器(ASAR)和转换控制模块的自调节A/D转换器使用可适配位数将模拟输入信号转换成数字信号。在一个实施例中，一种用于将模拟信号转换成数字信号的方法包括由A/D转换器接收模拟信号。该A/D转换器具有全刻度范围和跨越该全刻度范围的总位数。该方法进一步包括在转换周期内使用可适配位数将模拟信号转换成数字信号，这样使得在这些转换周期的至少一部分上，A/D转换器使用小于跨越全刻度范围的总位数的所适配位数来转换模拟信号。所适配位数跨越全刻度范围的一部分，该部分小于全刻度范围。
在另一个实施例中，一种医疗装置包括被配置成接收模拟信号的模拟-数字(A/D)转换器。该A/D转换器具有全刻度范围和跨越该全刻度范围的总位数。该A/D转换器包括被配置成在转换周期内使用可适配位数将模拟信号转换成数字信号的ASAR。在这些转换周期的至少一部分上，使用跨越全刻度范围的一部分、小于总位数的所适配位数来转换模拟信号。
在另一个实例中，一种医疗装置包括：用于接收模拟信号的接收装置；用于在转换周期内将模拟信号转换成数字信号的转换装置；以及用于调节由该用于在转换周期内转换模拟信号的转换装置使用的可适配位数的控制装置。针对这些转换周期中的至少一个，该可适配位数的跨度小于转换装置的全刻度范围。
在其他实例中，一种计算机可读存储介质存储可由包括在医疗装置中的模拟-数字(A/D)转换器的控制模块执行的指令集。这些指令致使该控制模块操作来使得A/D转换器能够在转换周期内使用可适配位数将模拟信号转换成数字信号。这些指令进一步致使该控制模块操作来调节可适配位数，这样使得在这些转换周期的至少一部分上，使用所适配位数来转换模拟信号。所适配位数的跨度是A/D转换器的全刻度范围的一部分、小于A/D转换器的总可用位数所跨越的全刻度范围。
以下附图和说明阐述了本公开的一个或多个方面的细节。从本说明书、附图以及权利要求书中将清楚了解其他特征、目的以及优点。
附图说明
图1是可植入式医疗装置(IMD)系统的一个实施例的示意图。
图2是图1所示的IMD的示例配置的功能框图。
图3是可以包括在图2所示的IMD的感测接口中的A/D转换器的示意图。
图4是在全范围、全位转换过程中和在部分范围、所适配位数转换过程中的模拟-数字转换周期的说明性绘图。
图5是根据一个实施例的由自调节A/D转换器执行的方法的流程图。
图6是根据一个实施例的用于控制使用可适配位数的A/D转换的方法的流程图。
图7是用于改变被用来调节位数控制参数的因子Z的值的位时间使用的绘图。
图8是根据另一个实施例的用于控制自调节A/D转换器的方法的流程图。
具体实施方式
图1是可植入式医疗装置(IMD)系统100的一个实施例的示意图。系统100包括由IMD10内的处理电路接收的生理信号一个或多个传感器，这些生理信号可以包括电信号，机械信号、化学信号或温度信号。IMD信号处理电路包括用于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。该A/D转换器包括自适应逐次逼近寄存器(ASAR)，其用于减少信号处理电路将所感测的模拟信号转换成数字信号所需的功率，如在此将要描述的。因此，所公开的设备和技术可以在多种多样的医疗装置，包括可植入式装置和外部装置中实现。
可实现在此公开的信号处理技术的可植入式医疗装置的实例包括心脏起搏器、可植入式复律除颤器(ICD)、心脏监测器(诸如血液动力监测器或ECG记录器)、被配置用于向末梢神经和/或中枢神经系统的各部分递送电刺激并监测其活动的神经刺激器、脑电图(EEG)监测器、肌电图(EMG)监测器、药泵或其他流体递送装置、氧监测器、流量监测器、压力监测器、阻抗监测器、声学监测器、活动监测器、运动监测器、或被配置用于感测生理信号的任何其他可植入式装置。作为替代方案，在此公开的设备和技术可以在外部装置中实现，该外部装置可以是可佩带的患者用监测器或床边患者用监测器。图1所示的系统100是可植入式医疗装置系统的一个说明性实例，该系统包括IMD10，其被配置成感测生理信号并且利用A/D转换来实现信号分析以及生理事件或条件和/或治疗需要的检测。
系统100包括联接到携带多个电极的引线118、120和122的IMD10。IMD10被配置用于与编程器170进行双向通信。IMD10可以是例如可植入式起搏器或可植入式复律除颤器(ICD)，该可植入式起搏器或可植入式复律除颤器通过联接到引线118、120和122中的一个或多个的电极向心脏112提供电信号以便对心脏112进行起搏、复律和除颤。IMD10能够在一个或多个心腔中递送起搏，并且在所示的实施例中，被配置用于使用引线118、120和122在右心房(RA)126、右心室(RV)128、以及左心室(LV)132中进行多腔起搏和感测。
IMD10使用RV尖头电极140和RV环形电极142来递送RV起搏脉冲并且感测RV心内电描记图(EGM)信号。RV引线118被示出为携带线圈电极162，该线圈电极可用于递送高电压心脏复律或除颤电击脉冲。IMD10使用由多极的冠状窦引线120携带的电极144感测LVEGM信号并且递送LV起搏脉冲，该冠状窦引线延伸穿过RA126并且通过冠状窦进入心静脉130。在一些实施例中，冠状窦引线120可以包括沿左心房(LA)136定位的用于感测左心房(LA)EGM信号并且递送LA起搏脉冲的电极。RV引线118进一步被示出为携带传感器190，该传感器可以是压力传感器、加速度计、氧传感器、或生成可被转换成数字信号以供IMD10进行分析的模拟信号的其他类型的生理传感器。
IMD10使用RA引线122来感测RAEGM信号并且递送RA起搏脉冲，该RA引线携带尖头电极148和环形电极150。RA引线122被示出为携带线圈电极166，该线圈电极可以沿上腔静脉(SVC)定位以便在递送心脏复律/除颤电击时使用。在其他实施例中，RV引线118携带RV线圈电极162和SVC线圈电极166。IMD10可以检测心脏112的快速性心律失常，诸如心室128和132的纤维性颤动，并且将高电压心脏复律或除颤治疗以电击脉冲的形式递送到心脏112。典型地，使用起搏/感测电极140、142、144、148和150来实现心腔的起搏和感测，然而，在一些实施例中，线圈电极162和/或166可用于感测和/或起搏电极向量。
虽然IMD10在图1中被示出为处于右胸植入位置，但当IMD10具体化为ICD时，更典型的植入位置是左胸植入位置。在其他实施例中，IMD10可以植入在腹部位置。
IMD10包括用于执行归属于IMD10的功能的内部电路。外壳160封闭内部电路。应当认识到，外壳160或其部分可以被配置为用于心脏复律/除颤电击递送的活性电极158，或者被用作用于单极起搏或感测具有由引线118、120和122携带的任何电极的配置的惰性电极。IMD10包括连接器块134，该连接器块具有用于接收引线118、120和122的近侧引线连接器的连接器孔。由引线118、120和122携带的电极或其他传感器与IMD内部电路的电连接通过包括在连接器块134中的各种连接器和电贯穿件实现。
虽然图1中示出了多腔ICD，但应当认识到，在此公开的技术可以在许多类型的可植入式医疗装置中实现，包括具有或不具有抗心律失常治疗(诸如心脏复律和除颤电击能力)的单腔、双腔和多腔起搏器，以及在此列出的医疗装置的任何其他实例。
编程器170包括显示器172、处理器174、用户接口176、以及包括用于与IMD10通信的无线遥测电路的通信模块178。在一些实例中，编程器170可以是手持式装置或基于微处理器的家用监测器或床边编程装置。用户，诸如内科医生、技术员、护士或其他临床医生可以与编程器170进行交互以便与IMD10通信。例如，用户可以通过用户接口176与编程器170进行交互，以便检索当前编程的操作参数、由IMD10收集的生理数据、或来自IMD10的装置相关的诊断信息。用户还可以与编程器170进行交互以便对IMD10进行编程，例如选择用于IMD的操作参数的值。
编程器170包括用于实现与IMD10的无线通信的通信模块178。由系统100使用的通信技术的实例包括低频或射频(RF)遥测，该低频或射频遥测可以是例如通过蓝牙、WiFi或MICS建立的RF链路。在一些实例中，编程器170可以包括编程头，该编程头靠近患者的身体、在IMD10植入部位附近放置，并且在其他实例中，编程器170和IMD10可以被配置成使用距离遥测算法和电路进行通信，该距离遥测算法和电路不需要使用编程头并且不需要用户干预来维持通信链路。
在此公开的A/D转换技术可以在编程器170中实现，以便处理从IMD10接收的信号和/或处理由编程器170使用外表面电极直接获取的信号，例如ECG信号。
所设想的是，编程器170可以通过通信模块178联接到通信网络上，以便将数据传递到远程数据库或计算机，从而允许使用在此描述的技术对患者114进行远程监测和管理。
图2是IMD10的示例配置的功能框图。在图2所示的实例中，IMD10包括处理器和控制模块80(在此也被称为“处理器”80)、存储器82、信号发生器84、电感测模块86、以及遥测模块88。另外，IMD10可以包括用于检测运动或位置诸如患者活动或姿势、心脏运动、呼吸运动或其他生理移动的加速度计94。IMD10任选地包括其他生理传感器90，该其他生理传感器可以包括压力传感器、pH值传感器、温度传感器、声学传感器、流量传感器、氧传感器、压电传感器或用于响应于随时间变化的生理条件产生信号的任何其他传感器。加速度计94和传感器90示意性地被示出在IMD10内，然而，应当认识到，作为替代方案，加速度计94和传感器90可以由从IMD10延伸出、沿IMD外壳160安装或定位在连接器块134内或沿其定位的引线118、120或122携带，诸如图1所示的传感器190。
图2所示的模块80、84、86、88、92、存储器82、传感器90以及加速度计94可以包括实现能够产生归属于在此的IMD10的功能的模拟电路和/或数字电路的任何离散和/或集成电子电路部件。例如，感测模块86、感测接口92、以及处理器和控制模块80可以包括模拟电路，例如放大电路、过滤电路和/或用于接收和处理来自电极140、142、162、144、148、150、158、162和166、传感器90以及加速度计94的信号的其他模拟电路。感测模块86、感测接口92、以及处理器和控制模块80还可以包括用于处理所接收的信号的数字电路，例如组合或时序逻辑电路、存储器装置、A/D转换器等。
归属于在此的IMD10的功能可具体化为一个或多个处理器、硬件、固件、软件或它们的任何组合。作为离散模块或部件的不同特征结构的描绘旨在强调不同的功能方面，而并不一定暗指这类模块必须通过分开的硬件或软件部件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可以通过分开的硬件或软件部件来执行，或整合在共同的或分开的硬件或软件部件中。例如，用于从其它IMD模块或传感器接收模拟电信号并且转换所接收的模拟电信号的感测接口92可以在包括在处理器80和存储器82中的硬件和软件中实现。
在一些实例中，感测接口92被配置成从电感测模块86、传感器90和/或加速度计94接收一个或多个模拟信号。感测接口92包括用于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。处理器80接收所转换的数字信号并且可以分析这些数字信号以便检测患者病症、控制由信号发生器84递送的治疗、和/或将患者数据存储在存储器82中以供稍后通过遥测模块88传输。如在此将更详细地描述的，包括在感测接口92中的A/D转换器使用ASAR，该ASAR具有将模拟信号转换成数字信号所使用的可调节位数。
电源96根据需要向IMD10的其他模块和部件中的每一个提供电力。处理器80可以执行功率控制操作，以便控制何时向不同的部件或模块供电以执行不同的IMD功能。电源96可以包括一个或多个能量存储装置，诸如一个或多个可再充电的或非可再充电的电池。处理器80还可以被配置成执行IMD10的诊断测试，该诊断测试可以包括例如监测电源96的剩余电荷以及提供更换或再充电指示符。为清楚起见，未示出电源96与处理器80以及其他IMD模块和部件之间的连接。
在一些实例中，感测接口92可以从电源96、信号发生器84、处理器80或其他IMD模块或部件接收内部IMD信号，以便将供装置诊断测试使用的信号数字化，该装置诊断测试诸如测试包括在信号发生器84中的充电或输出电路、测试电源96的电荷、对由遥测模块88接收或产生的通信信号进行验证或编码/解码、或其他装置功能。因此，感测接口92可以被配置成转换一个或多个模拟信号，该一个或多个模拟信号可以是从传感器90、加速度计94或电感测模块86接收的生理信号和/或由内部IMD电路或模块诸如电源96、遥测模块88或信号发生器84产生的装置相关的信号。
存储器82可以包括计算机可读指令，这些计算机可读指令在由处理器80执行时，致使IMD10和处理器80执行贯穿本公开归属于IMD10、处理器80以及感测接口92的各种功能。计算机可读指令可以被编码在存储器82内。存储器82可以包括任何非暂时性计算机可读存储介质，包括任何易失性介质、非易失性介质、磁性介质、光学介质或电介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、快闪存储器、或其他数字介质，唯一的例外是瞬时传播信号。
处理器和控制模块80可以包括微处理器、控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或等效离散或集成逻辑电路中的任何一个或多个。在一些实例中，处理器80可以包括多个部件，诸如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC、或一个或多个FPGA、以及其他离散或集成逻辑电路的任何组合。归属于在此的处理器80的功能可以具体化为软件、固件、硬件或它们的任何组合。在一个实例中，感测接口92可以至少部分地被存储或被编码为存储器82中的指令，这些指令由处理器和控制模块80执行。
处理器和控制模块80包括治疗控制模块，该治疗控制模块控制信号发生器84以便根据所选择的一个或多个治疗程序向心脏112递送电刺激治疗，例如心脏起搏，该一个或多个治疗程序可以存储在存储器82中。信号发生器84例如通过对应引线118、120、122的导体、或在外壳电极158的情况下通过布置在IMD10的外壳160内的电导体被电联接到电极140、142、144A-144D(统称为144)、148、150、158、162以及166(这些电极全部在图1中示出)。信号发生器84被配置成生成电刺激治疗并且通过电极140、142、144、148、150、158、162以及166的所选择组合向心脏112递送该电刺激治疗。信号发生器84根据治疗控制参数并且响应于由电感测模块、传感器90和加速度计94感测到的信号而递送心脏起搏脉冲。存储器82存储由处理器80用来控制信号发生器84递送起搏脉冲的间期、计数器或其他数据。
信号发生器84可以包括开关模块(未示出)并且处理器和控制模块80可以使用该开关模块来选择(例如，通过数据/地址总线)使用可用电极中的哪些来递送起搏脉冲。处理器80控制电极140、142、144A-144D、148、150、158、162以及166中的哪一个被联接到信号发生器84以便例如通过开关模块递送刺激脉冲。开关模块可以包括开关阵列、开关矩阵、多路调制器或适合于将信号选择性地联接到所选择电极的任何其他类型的切换装置。
电感测模块86监测来自电极140、142、144A-144D、148、150、158、162或166中的所选择电极的心脏电信号以便感测心脏电事件，例如P波和R波，进而监测心脏112的电活动。感测模块86还可以包括开关模块，其用于选择使用可用电极中的哪些来感测心脏电活动。在一些实例中，处理器80通过感测模块86内的开关模块选择电极来充当感测电极或感测向量。
感测模块86可以包括多个感测信道，该多个感测信道中的每一个可以选择性地联接到电极140、142、144A-144D、148、150、158、162或166的对应组合以便检测心脏112的特定腔室的电活动。每个感测信道可以包括放大器，该放大器响应于在心脏112的对应腔室中感测到心脏去极化而向处理器80输出指示。以此方式，处理器80可以接收对应于心脏112的不同腔室中R波和P波的发生的感测事件信号，例如对应于对应心脏腔室的内在去极化的心室感测事件和心房感测事件。
感测模块86可进一步将通过电极140、142、144A-144D、148、150、158、162以及166接收的模拟信号提供到感测接口92以便转换成数字信号。例如，处理器80可以对数字化EMG信号进行分析，以便检测和识别心律失常，检测T波交替、检测心脏缺血或其他心脏病症。因此，感测接口92可以包括多个A/D转换器，该多个A/D转换器对应于包括在感测模块86中的每一个感测信道。可以从电感测模块86接收的其他电信号可以包括可用于监测引线阻抗、心脏阻抗、胸阻抗或其他感兴趣的阻抗值的电阻抗信号。
加速度计94可以具体化为一维的、二维的或三维的加速度计，包括一个或多个DC或AC加速度计或其他运行敏感装置。用于感测患者活动和/或姿势的加速度计的实例一般描述于美国专利号5,593,431(谢尔登)和美国专利号6,044,297(谢尔登)中，这两个专利据此通过引用以其全部内容结合在此。为了控制心脏起搏或出于其他患者监测、治疗控制或诊断目的，可以对用于监测患者活动的加速度计信号进行分析以便提供活动指示的心率。
在一个实例中，包括在感测接口92中的用于接收加速度计信号的A/D转换器可以具有±2G的全刻度范围，以便涵盖地球重力(1G)加上包括典型的人类活动的1G范围。4G的全刻度范围(-2G至+2G)适应当加速度计的取向改变从而导致信号极性改变时的实例。大多数时间患者将处于相对低的活动水平下，例如休息或日常生活的正常活动，这样使得加速度计信号将仅在A/D转换器的全刻度范围的一部分内改变。较少的是，加速度计信号振幅可延伸到接近于A/D转换器的全范围持续短暂的时间，例如在发生高水平的体力活动或运动的过程中。一般来说，在任何给定的活动水平期间，加速度计信号将在小于A/D转换器的全刻度范围的范围内改变。对于大多数患者来说，在绝大多数时间，变化将保持在小于全刻度范围的范围内。
因此，针对加速度计信号的每个采样点、利用A/D转换器的全刻度范围的数字转换正在消耗功率来转换可能并不是在每个转换周期上都需要利用的位。如在此公开的ASAR在每个转换周期上利用可适配位数以便节省A/D转换器的功率消耗。如在此公开的具有ASAR的A/D转换器和相关联的转换技术适合用于需要相对大的全刻度范围但典型地保持在那个范围的仅一部分内持续较长时间的模拟信号。
如在此描述的，感测接口92可以包括一个或多个A/D转换器，每个A/D转换器具有用于使用可适配位数来转换所接收信号的ASAR。可以将可适配位数从全刻度位数减少，以便减少将模拟信号样本转换成数字信号所需的时间。A/D转换周期是将模拟信号采样点转换成N位数字字(digitalword)所需的时间。A/D转换正常是逐位执行的，以便针对所有N个位将每个位设定为数字高值或数字低值。在已设定了N位数字字中所有可用的位之后，转换周期才完成。转换周期的历时可以被称为“位时间”并且通常等于覆盖A/D转换器的全刻度范围所使用的总可用位数。例如，如果使用了8位A/D转换器，那么单个转换周期将需要为8的位时间。如在此公开的ASAR能够通过使用可适配位数来实现平均转换周期位时间的总体减少，该可适配位数小于用于至少一些转换周期的总可用位数。总体平均位时间的减少节省了IMD电力供应。
并不相对于采样率快速改变并且保持在小于全刻度A/D转换器范围的范围内持续较长时间的患者活动或姿势信号是可以使用在此描述的方法进行转换以便显著减少总体平均位时间的信号的一个说明性实例。许多其他生理和/或内部IMD信号可以使用在此公开的方法进行转换以便通过减少平均转换周期时间来节省功率。感测接口92因此可以从加速度计94、传感器90、电感测模块86、或任何内部IMD部件或模块中的任一个接收信号，并且可以包括具有ASAR的用于转换所接收的模拟信号的所需数量的AD转换器。
图3是可以包括在IMD10的感测接口92中的A/D转换器200的示意图。A/D转换器包括ASAR202和转换控制模块220。A/D转换器200是自调节A/D转换器，其使用自动调节的位数将模拟输入信号V输入201转换成数字化输出信号M输出230。V输入201可以从任何生理传感器接收，诸如在此描述或列出的那些。在一个实例中，V输入201是由用于监测患者活动和/或姿势的加速度计94产生的信号。在其他实例中，V输入201是ECG信号、EMG信号、EEG信号、压力信号、氧信号、pH值信号、温度信号、声学信号或阻抗信号。作为替代方案，V输入201可以是从其他IMD电路接收的并且用于装置诊断测试的内部装置生成的信号。
V输入201是由ASAR202接收的。ASAR202包括跟踪和保持电路214，该跟踪和保持电路用于以期望的采样率对模拟输入信号V输入201进行采样并且在转换周期过程中保持模拟信号样本Ai215的值。在此描述的说明性实施例涉及电压转换器。然而，对于使用逐次近似值生成数字化结果序列的任何转换，在此公开的转换技术可以利用自适应的位数。例如，可以在被配置成转换电流信号、电阻信号、电容信号、光强度信号或其他所接收的信号的转换器中利用在此公开的技术。
在转换周期过程中，ASAR202执行搜索算法以便收敛在Ai215的数字估计值上。在一个实例中，ASAR202执行逐位二进制搜索以便确定模拟信号样本Ai215的数字字表示。二进制搜索包括将Ai215与近似的电压信号Vdac205进行比较。Vdac205是由包括在ASAR202中的数模转换器(DAC)210产生的模拟电压信号。DAC210从可适配位寄存器208接收Mi的数字“猜测值”或近似值，即Ai215的数字化值。Mi的数字近似值被转换成模拟信号Vdac205以便由比较器212在二进制搜索算法过程中与Ai215进行比较。DAC210使用输入信号V参考204将Mi的数字近似值转换成Vdac205。V参考204可以是由电源96提供的输入电压信号。当A/D转换器200具有从0V到+V参考的范围时，V参考204可以等于A/D转换器200的全范围，或者当A/D转换器200具有从-V参考到+V参考的范围时，该V参考可以等于全刻度范围的一半。
在过去的利用逐次逼近寄存器(SAR)的A/D转换器中，SAR在搜索算法中对模拟信号样本使用逐次逼近来将模拟输入信号转换成数字字。典型地，使用SAR的A/D转换器将通过将模拟信号样本初始近似为等于A/D转换器的全刻度范围的中点，例如对于从0V到V参考的范围为V参考/2或者在全刻度范围是-V参考至+V参考时为0V，来执行二进制搜索。此中点将对应于被设定为数字高的(例如，1)最高有效位，同时所有较低的位被设定为数字低的(例如，0)。如果模拟信号大于中点，那么最高有效位保持被设定在数字高处，并且下一个最高有效位针对下一个近似值被设定为数字高的。此下一个近似值通过内部DAC被转换成模拟电压信号并且与模拟信号样本进行比较。如果模拟信号样本仍然大于下一个近似值，那么下一个最高有效位保持被设定在数字高处。如果模拟信号样本小于下一个近似值，那么下一个最高有效位被设定在数字低处。在基于比较器输出设定下一个最高有效位之后，比较过程继续逐位进行直到所有位都已被设定并且产生了数字输出。数字输出是输入电压的收敛数字值。
在用于当前模拟信号样本的转换周期完成之前，下一个模拟信号采样点将不会被数字化。在下一个转换周期过程中，通过将模拟信号的初始近似值重新设定为全范围中点来针对下一个输入信号样本重复逐位二进制搜索过程。每个转换周期使用覆盖A/D转换器的全范围的所有位。因此，每个转换周期以等于A/D转换器全刻度范围的中点的初始近似值开始并且需要等于N的位时间，其中N是跨越全刻度范围的总位数。
相比之下，在此公开的自调节A/D转换器202使用Mi的可适配初始近似值和/或可适配位数来将Ai转换成数字值Mi。ASAR202从转换控制模块220接收Ai的位控制参数(在此被称为“位控制”224)和初始数字近似值M初始222作为输入。以下将结合图5和图6来描述由ASAR202和转换控制模块220执行的用于调节位控制224、调节用于每个转换周期的可适配位数并且设定初始近似值M初始222的方法。
ASAR逻辑206根据从转换控制模块220接收的位控制224来设定针对每个转换周期由可适配位寄存器208所使用的位数。位控制224是可调节的数字，其由转换控制模块220设定并且由ASAR逻辑206使用以便将所适配位数设定为等于或小于对应于A/D转换器200的全刻度范围的总可用位数。例如，如果A/D转换器200在±V参考的全范围内具有8位分辨率，那么所适配位数可以是8个位或更少。小于总可用位数的位数被用于至少一些转换周期以便缩短总体平均转换周期时间并且减少由A/D转换器200消耗的功率。
ASAR逻辑206向可适配位寄存器208提供初始近似值M初始222。在一些实例中，M初始222被设定为等于最近的前一个数字输出M输出230。作为替代方案，M初始222可以被设定为随着一个或多个最近的数字输出而改变。以此方式，作为由ASAR202产生的Ai的数字化值的Mi基于V输入201的预定数量的最近数字化输出值M输出230被初始近似出来。当M初始222被设定为等于来自最近的前一个转换周期的M输出230时，假设V输入201并不相对于跟踪和保持电路214的采样率快速改变。
在不改变A/D转换器200的位分辨率的情况下，用于生成Mi216的可适配位寄存器208所使用的位数是由ASAR逻辑206设定的。小于总可用位数的所适配位数具有作为A/D转换器200的全刻度范围的一部分的范围，该部分小于全刻度范围。不管所使用的位数如何，位分辨率都是相同的。在一些实例中，所适配位数的范围可以以Mi的初始近似值为中心。换言之，所适配位数可以具有不以全刻度范围的中点为中心的范围。
初始数字近似值M初始222被DAC210转换成模拟信号以便产生作为对比较器212的输入的Vdac205。比较器212将Vdac205与Ai215进行比较。比较器212的输出被提供为到ASAR逻辑206的反馈，该ASAR逻辑通过以下方式做出响应：控制可适配位寄存器208以便在Ai215大于Vdac的情况下将当前位设定为数字高的或者在Ai215小于Vdac205的情况下将当前位设定为数字低的。ASAR逻辑206基于当前位值将Ai的下一个近似值增量或减量。例如，如果可适配位数已被调节为4个位，那么Ai215的下一个近似值将从M初始增量或减量8个数字单元，即四个位的最高有效位的16个数字单元的一半。
表示Ai215的下一个近似值的数字字被提供到DAC210，被转换成模拟信号Vdac205，并且由比较器212来与Ai215进行比较。比较结果被用来将下一个近似值上调或下调当前位分辨率的一半。此过程继续进行，直到所调节位数的所有位都已被设定。
结合图4示出并描述在二进制搜索Mi216的过程中Ai215的逐次近似值、由ASAR202生成的Ai215的数字值的实例。在所适配位数的所有位都被设定之后，ASAR逻辑208确定二进制搜索完成并且将收敛值Mi216提供到转换控制逻辑220。
ASAR逻辑206可以计算Ai的近似值在二进制搜索过程中逐次增量或逐次减量的次数。此计数在此被称为“逐次调节计数”并且是Ai215是否在用于转换周期的所适配位数的范围内的指示。如以下将进一步描述的，由SAR202作为输出计数218提供的此逐次调节计数被转换控制模块220用来确定位控制224，该位控制用于在下一个转换周期过程中设定所调节的位数。例如，如果计数指示Ai215是在所适配位数的范围之外，那么在下一个转换周期上位数将被增加。
计数218指示Ai215是否有可能在用于第i个转换周期的所适配位数的范围内，并且表示用于做出此确定的一种方法。举例说明，如果计数218等于所调节的位数，那么此计数指示在二进制搜索过程中Ai215的每个逐次近似值都是在同一个方向上被调节的，要么一直增大要么一直减小。例如，响应于Vdac205与Ai215的每个位比较，Ai的近似值被重复地且顺序地增大，或者响应于每个位比较，Ai的近似值被顺序地且重复地减小。在逐位搜索Mi的过程中，Ai要么一直大于每个逐次近似值要么一直小于每个逐次近似值。这指示Ai215有可能在所适配位数的范围之外，即，要么大于要么小于所适配位数的范围。
如果计数218指示Ai215有可能在所适配位数的范围之外，那么转换控制模块220确定转换周期未完成。转换控制模块220可以将位控制224设定为可用的最大位数，并且由ASAR202在A/D转换器200的全刻度范围内执行全位转换。可以利用与先前尝试的转换周期相同的初始近似值M初始来开始全位转换的执行。作为替代方案，可以利用等于全A/D转换范围的中点的初始近似值M初始222来开始全位转换的执行。随后，A/D转换器200提供全位转换的输出Mi216作为Ai215的数字输出值M输出230。
如果在给定的转换周期结束时计数218小于所适配位数，那么Ai215有可能在所适配位范围内，因为Ai215的至少一个逐次近似值所涉及的收敛值是在与Ai215的前一个近似值相反的方向上调节的。例如，由SAR逻辑206设定的Ai215的近似值可能已响应于一个位比较而增大并且响应于随后的位比较而减小。Ai215的逐次近似值序列(包括至少一次方向上的改变)指示收敛在所适配位数范围内的Ai上的二进制搜索。那么，认为在转换周期结束时Mi216的值是Ai215的有效数字表示。转换控制模块220确定第i个转换周期完成。转换控制模块220提供由ASAR202在二进制搜索过程中使用所适配位数收敛的最终近似值Mi216作为用于第i个信号样本Ai215的数字输出信号M输出230。
在此描述的实施例利用ASAR在二进制搜索Mi216的过程中执行逐次逼近。在其他实施例中，可以使用其他非二进制搜索算法。例如，逐次逼近法每一次可以确定两个位，以使处理过程加速。这将需要多个比较器在每个比较点进行操作，并且出于比较目的需要生成多个量化级别的电压(或电流、电荷等)。此外，所设想的是，在此公开的技术的各方面可以使用除使用逐次逼近寄存器的转换器之外的其他类型的A/D转换器来实现。
图4是两个不同的A/D转换周期的说明性绘图300。这个实例中的A/D转换器在-V参考至+V参考的A/D转换器全刻度范围内具有8位分辨率。用短划线示出的一个转换周期301是全刻度范围、8位转换。用点线示出的另一个转换周期307是部分范围、所适配位数的转换。
转换周期301的起点302是Ai305的初始近似值M初始。M初始302等于全刻度范围-V参考至+V参考的中点(在这个实例中为0V)。此初始近似值302是通过将最高有效位(MSB)7设定为数字高的(例如，1)并且将所有其他位设定为数字低的(例如，0)而设定的。在将初始近似值302与Ai305进行比较时，ASAR逻辑将MSB设定为数字低的，因为Ai305小于初始近似值302。ASAR逻辑通过将下一个最高有效位设定为数字高的来减小Ai305的下一个近似值304。因为近似值304小于Ai305，所以ASAR逻辑将使下一个近似值306增量，等等。对于所有八个位，逐位继续进行此二进制搜索过程。
转换周期301和307的一部分在椭圆330中以放大的纵向刻度示出。放大的刻度使得能够更容易地观察在每个位比较之后逐次近似值的收敛。
如图4所示，全位转换301收敛在最终值Mi320上。转换周期301的总时间历时322是将所有8个位进行比较并且将它们设定为数字化输出值Mi320所需的时间。此历时322可以被称为位时间，在这个实例中该位时间是8。
所适配位数转换周期307开始于点308。在这个实例中，位数已基于先前的转换周期而被自动调节为4，如将要结合图5和图6进行描述的。所适配位数改变执行转换的范围。所适配位数不是位分辨率的调节；每个位保持相同的分辨率，这样使得所适配位数包括具有不变的分辨率/位的全刻度范围的减少部分。换言之，如果全刻度范围是20mV，例如从-10mV到+10mV，并且总可用位数是8，那么位分辨率为约0.08mV/位(20mV除以256)。如果位数被调节为四个位，那么位分辨率将仍为约0.08mV/位，但是转换模拟信号的范围将减小至10mV范围。此10mV范围并不一定像全刻度范围那样以0mV为中心。所调节的位数将所适配位数的范围设定为全刻度范围的一部分，该部分小于所有8个可用位所跨越的范围。所适配位数范围包括初始近似值308。在一些实例中，所适配转换周期307的初始近似值308可以是所适配位数范围的中心。
由自适应转换周期307中的点308表示的初始近似值M初始被设定为在最近的前一个转换周期上确定的先前的Ai-1的数字化值。在一些情况下，不希望模拟输入信号相对于采样率快速改变。因此，将初始近似值M初始设定在最近的前一个数字输出值M输出处并且使用减少的位数来减少执行二进制搜索的范围，并且在M输出的合理预测值处开始二进制搜索。此缩窄的二进制搜索可以减少收敛在Ai305的数字值上所需的转换时间，因为使用了较少的位。
ASAR逻辑根据需要设定每个位0至位3以便设定M初始308，该M初始被DAC转换成模拟信号Vdac以便与Ai305进行比较。在进行二进制搜索过程中的第一比较时，M初始308小于Ai305。ASAR逻辑将使下一个近似值310增量。下一个近似值310被减少当前位值的一半。例如，对于位3来说，Ai305的下一个数字近似值将减小4个数字单位(8的一半)。因为Ai305小于下一个近似值310，所以ASAR逻辑将下一个逐次近似值312减小当前位值的一半。
最终近似值是Ai305的收敛数字值Mi320。用于全位转换周期301和所适配位数转换周期307的Mi320的最终值典型地也收敛于相同的数字值，虽然可能存在全位转换周期301和所适配位转换周期307的最终收敛值可不同的情况。
所适配位数转换周期307具有为四的位时间历时，显著短于全范围8位转换周期历时322。因此，通过使用所适配位数，可以生成Ai305的数字值Mi320，同时消耗较少的时间和功率。
图5是根据一个实施例的用于控制自调节A/D转换器的方法的流程图350。在框352处，在启动A/D转换器以便将模拟输入信号数字化时，设定用于第一转换周期的初始近似值M初始。用于第一转换周期的M初始是第i个模拟信号样本Ai的“猜测值”。在第一转换周期上，当初始启动A/D转换器时，如框354所指示执行全位转换以便通过二进制搜索确定Mi。全位转换是在逐位二进制搜索过程中使用A/D转换器的全范围内的所有可用位的转换周期。在框352处，可以选择Mi的初始近似值作为A/D转换器的全范围的中点。二进制搜索算法将收敛在A/D转换器的位分辨率内的最接近输入信号样本Ai的Mi的值上。在全位转换周期之后，由A/D转换器产生的数字输出信号M输出被设定为等于Mi的收敛值(框355)。
在执行此第一转换周期之后，在框356处设定用于下一个转换周期的初始近似值M初始。初始近似值M初始是基于至少一个先前转换周期的数字输出值M输出设定的。代替使每一个转换周期在A/D转换器的全刻度范围的中点处开始，基于一个或多个最近的M输出值做出Mi的起始预测。在一个实例中，M初始被设定为等于来自最近的前一个转换周期(第i-1个周期)的M输出。在其他实例中，M初始可以被设定为等于平均值、中位值、众值、y个最近值中的第x个最大绝对值、或者基于预定数量的先前M输出值的组合的另一个值。
在框358处，自调节A/D转换器设定用于下一个转换周期的可适配位数。该可适配位数可以是基于由SAR逻辑输出的Mi的前一个收敛值是否在前一个转换周期上所使用的位数的范围内，如将在下文并结合图6进行描述的。在第一转换周期之后，位数可保持在用于第二转换周期的全刻度位数处。在其他实施例中，在下一个转换周期上位数可以被减少，例如减少一个位。
在框360处，通过执行在被设定用于当前转换周期的M初始处开始的二进制搜索并且使用在框358处设定的位数来执行下一个(第i个)转换。在收敛在Mi上之后，SAR逻辑确定Ai的值是否有可能在用于当前转换周期的位数的范围内。如果在框358处，位数已从总可用位数减少，那么所适配位数具有作为小于A/D转换器的全刻度范围的一部分的范围，其中所调节位数中的每个位具有与分配给全刻度范围中的每个位的位分辨率相同的位分辨率。在一些实例中，输入信号样本Ai可以落在所适配位数范围之外，但在A/D转换器的全刻度范围内。如果这种情况发生，那么位数需要增加以便获得用于Ai的Mi的正确值。然而，只要Ai保持在所适配位数的范围内，就可以使用减少的位数来继续A/D转换，从而减少总体平均转换周期时间和A/D转换器功率消耗。
在一个实施例中，转换控制模块通过确定对Mi的近似值的所有调节是否都是在同一个方向进行的来确定Ai是否在当前位数范围内。例如，如果在二进制搜索过程中Mi的所有逐次近似值都从前一个近似值增大，那么Ai有可能大于所适配位数范围的上边界。类似地，如果Mi的所有逐次近似值都从前一个近似值减小，那么Ai有可能小于所适配位数范围的下边界。
可以使用用于确定Ai是否有可能在当前位数范围之外的其他方法。例如，可以将Mi与当前位数范围的边界进行比较。如果Mi等于边界值，那么认为Ai有可能在范围之外。
如果在框362处确定Ai有可能在所适配位数范围之外，那么在框364处增加由用于控制每个转换周期上的可适配位数的转换控制模块所使用的控制参数。如果Ai在位数范围之外，那么在下一个转换周期上可适配位数倍被增加以便捕获在所适配位数范围内的Ai。
在一些实施例中，在前进到下一个转换周期以便使用增加的所适配位数来将Ai+i数字化之前，将通过返回到框354来重复第i个转换周期。因为确定Ai是在所适配位数范围之外，所以在第i个转换周期结束时Mi的值可能不是Ai的正确数字值。可以使用较宽的范围、即较大的位数来重复第i个转换周期，以便获得用于当前信号样本Ai的Mi的正确值。在框354处，可以执行全位转换以便获得在全刻度A/D转换器范围内的有效值Mi。作为替代方案，可适配位数可以被增加一个或另一个预定的增量以便重复第i个转换周期，其中较大的位数跨越A/D转换器的全刻度范围的较大部分。在于框354处使用增加的数位重复第i个转换周期之后，在框355处生成数字输出信号M输出，其等于从重复的转换周期产生的有效Mi值。
在一些实例中，位控制参数可能已经在最大值处，例如当上一个转换周期是全位转换时。如果例如由于噪声，Ai在A/D转换器的全刻度范围之外，那么将使用所有有效位直到Ai重新在范围之内。
如果Ai在当前位数范围内，如在框362处所确定的，那么在框366处减少位控制参数。只要Ai保持在所适配位数范围内，减少的位控制参数就将用于减少下一个或另一个随后的转换周期上的可适配位数。结合图6更详细地描述用于控制响应于Ai在当前位数范围内而减少可适配位数的频率。
在减少位控制参数之后，A/D转换器过程返回到框355以便生成等于所适配位数转换周期的Mi结果的M输出。只要确定Ai是在所适配数范围内，就认为在缩短的二进制搜索结束时所收敛的Mi的值是Ai的有效数字值。在框356处，例如使用Mi来设定用于下一个转换周期的M初始。
在框358处，设定可适配位数。在响应于Ai在所适配位数范围内而减少位数之前，针对期望数量的周期可适配位数可保持相同。例如，如果Ai已在所适配位数范围内持续Z个转换周期，那么可以在每第Z个周期减少位数。作为替代方案，可以在每次Ai在所适配位数范围内时减少位数。所适配位数的较快减少可能会导致更频繁的全位转换，因为Ai是在所适配位数的范围之外。然而，可适配位数减少得太慢可能会限制减少转换时间的益处。因此，减少可适配位数的速率可以最佳化以便争取总体转换时间的最大减少，并且此速率也可以由A/D转换器自动调节。
图6是由包括可适配位数的自调节A/D转换器执行的示例A/D转换方法的流程图400。如以上所描述的，当IMD10初始启动以便开始模拟信号的A/D转换时，可以使用跨越全刻度A/D转换范围的所有可用位来转换模拟信号的第一采样点。因为不知道输入信号的先前数字化值，所以在框402处可以将初始近似值设定为全范围的中点，例如从-V参考到+V参考的全范围中的0V或者从0到V参 考的全范围中的V参考/2。
在于框404处针对第一采样点执行全位转换之后，在框406处可以将用于下一个转换周期的第一近似值M初始设定为第一数字化值M输出，即设定为在框404处执行的前一个转换周期的结果。在框408处，ASAR逻辑根据由转换控制模块提供的位控制参数设定用于下一个转换的位数。以下更详细地描述由转换控制模块实现的位控制参数(位控制)的计算。ASAR逻辑基于位控制参数设定由ASAR位寄存器在下一个转换周期过程中使用的位数(位#)。在一个实例中，位#是通过将位控制取舍至最接近的整数(整数(位控制))而设定的，如框408处的实例中所示。
在于框406处将初始近似值M初始设定为前一个M输出并且于框408处设定所适配位数之后，在框410处开始下一个转换周期。可以执行逐位二进制搜素，直到所适配位数中的所有位都已被转换。如果并非所适配位数的所有位都已被转换，如在判定框412处所确定的，那么在框414处，将以M初始开始的Ai的逐次近似值与当前模拟信号样本Ai进行比较。如果对于当前的位比较，近似值Mi大于Ai(判定框414)，那么在框416处，逐次近似值Mi从其当前值增加与当前位值相关联的增量(INC)，例如当前位值的一半。
在框418处，包括在ASAR逻辑中的计数器增加一。此计数器可以被称为“逐次逼近计数器”，因为它被用来计算Ai的近似值Mi在同一个方向上(即，逐次增大或逐次减小)被重复地且顺序地调节的次数。如以下所描述的，此计数由转换控制模块用来控制何时将可适配位数增加到最大可用位数。当Ai大于当前近似值Mi时，当前位值将被设定为数字高的。
如果当前近似值Mi小于Ai(判定框414)，那么用于下一次比较的近似值Mi在框420处从其当前值减小与当前位值相关联的减量(DEC)，例如当前位值的一半。当前位值将被设定为数字低的。当近似值Mi被减小时，在框422处逐次调节计数减少一。
如果在逐次位转换上近似值Mi被重复增大，那么在框418处计数将达到位#。换言之，如果在逐位二进制搜索过程中对于每次比较Ai都大于Mi，那么Mi的逐次近似值将全部增大，从而导致计数达到位数。类似地，如果在逐位二进制搜索过程中近似值Mi在每个位转换上都逐次减小，那么在框422处计数将达到位数的负值。如果在当前转换周期过程中Mi的近似值在至少一个位转换上增大并且在至少一个位转换上减小，那么计数将达到小于位数的值。
在所有位都被转换之后，如在框412处所确定的，在框430处，将逐次逼近计数器的绝对值与位数进行比较。如果计数的绝对值已达到位数，这指示转换需要针对每个位顺序地增大逐次近似值Mi或者针对每个位顺序地减小逐次近似值Mi，那么在框436处执行全位转换。针对所有的位比较逐次增大近似值或逐次减小近似值指示Ai是在所适配位数范围之外。执行全位转换，因为信号样本Ai是在当前位数的范围之外，在正方向上或负方向上。在框436处的全位转换允许在A/D转换器的全刻度范围内获得Ai的数字化表示。在返回到框406时，全位转换的输出M输出变成用于下一个转换周期的初始近似值M初始。
在框438处，响应于由于所适配位数范围不包括第i个信号样本Ai而执行全位转换，转换控制模块增加位控制参数。位控制参数响应于全位转换而增加的量P可以在不同的实施例之间改变并且可以是可编程的或可调节的数字。在一个实例中，位控制增加了一。以此方式，每次达到超出范围的条件，如由达到位数的逐次逼近计数器所指示的，位控制都增加一，从而使用于下一个转换周期的位数增加一。这允许在随后的转换周期上快速地增加可调节位数，直到位数范围包括进入的模拟信号或者达到最大可用位数。
在一些实施例中，在框438处位控制参数增加的量P是固定值。作为替代方案，在框438处位控制参数增加的量P可以响应于在框436处执行的全位转换的输出而进行缩放或适配。例如，可以将全位转换的输出M输出与先前的M输出值进行比较。如果用于全位转换的M输出与先前的M输出值之间存在相当大的差值，那么可以将位控制参数增加多于一，以致使ASAR逻辑来针对更快速改变的信号更快速地增加位数。可以将用于当前转换周期和前一个转换周期的M输出之间的差值与阈值、范围、或位分辨率进行比较，以便确定应用于位控制参数的增量P。一般来说，如果顺序的M输出值指示相对较高斜率的V输入，那么位控制参数可以比顺序的M输出值指示相对较低斜率的V输入时增加更大的增量。
在于框438处调节位控制参数之后，A/D转换过程返回到框406以便设定用于开始下一个转换周期的M初始。可以将M初始设定为在框436处执行的全位转换的输出M输出。在框408处，将用于下一个转换周期的位数设定为位控制参数的整数值。下一个转换周期在框410处开始并且如先前所描述的那样进行。
如果逐次逼近计数器的绝对值不等于在转换周期结束时的位数，如在框430处所确定的，那么转换控制模块认为转换完成。由ASAR生成的最终近似值Mi的数字化值被转换控制模块接收，并且被产生作为从A/D转换器提供到IMD处理器和控制模块(或其他控制或处理电路)的M输出信号。小于位数的计数指示所适配位数搜索收敛在所适配位数的范围内的Ai的值上。
在框434处，位控制被减少。位控制被减少的量可以在不同的实施例之间改变并且可以是固定的或可调节的数字。在所示的实例中，位控制参数从其当前值减少1/Z，其中Z可以是固定的或可编程的数字。作为替代方案，Z可以是可自动调节的数字。例如，IMD10可以被配置成“获悉”用于将针对给定患者的给定模拟输入信号的转换时间最小化的Z的最佳值。Z可以是大于零的任何值，并且典型地将为(但不限于)大于或等于一的整数值。
在调节位控制参数之后，A/D转换过程返回到框406以便将用于下一个转换周期的M初始设定为框432处的Ai的最近的数字化值(提供为M输出)。用于下一个转换周期的位数被设定为位控制参数的整数值。因此，如果已从前一个位控制值中减去分数部分1/Z，那么位控制值被取舍至最接近的整数以便设定所调节的位数。在框410处，使用分别在框406和408处设定的初始近似值M初始和位#来开始下一个转换周期。
转换控制模块使用Z的值来控制减少位数的频率。例如，当Z大于或等于一时，假设不需要将导致框438处的位控制增加的介入全位转换，在每个逐次转换周期上位控制减少1/Z。如果针对Z个顺序转换周期位控制减少1/Z，那么在第Z个转换周期上位#将减少一。这样，如果Z等于或大于1，那么在框408处减少位数的最大频率是每第Z个转换周期一次。
在Z大于1并且P等于1的实例中，位控制参数导致所适配位数响应于转换周期的超出范围的结果而更相对较快速地增加并且在转换保持在所适配位数的范围内时相对较慢速地减少。通过使用所适配位数减少转换周期所需的位时间减少了A/D转换所需的总功率消耗。即使响应于逐次逼近计数器达到位数可能需要使用所有可用位来重复转换周期，总体转换时间仍可能减少，这样因为并不是针对每个单个转换周期都执行全范围转换。
图7是根据一个说明性实例的用于改变因子Z的值的位时间使用的绘图，该因子被用来调节图6的框434处的位数控制参数。用于所有转换周期的平均位时间是沿用于对植入在站立和行走的受试者体内的模拟加速度计信号进行A/D转换的y轴502绘制的。平均位时间指示当根据如结合图6所描述的位控制参数来调节可适配位数时，每个转换周期所使用的总体平均位数。所示的实例包括用于初始全范围转换以及用于在模拟信号超出所适配位数范围的情况下执行的任何全位转换的总计九个可用位。
位控制因子Z是沿x轴504绘制的。因子Z被用来使等式位控制＝位控制-1/Z中的位控制参数减量，如结合图6的框434所描述的。如图7中可以看出，与在所有转换周期上进行的全位转换相比，被测试用于Z的所有值，甚至为1的值，导致了所有转换周期的平均位时间的总体减少。例如，当Z＝1时，平均位时间被减少至7。当Z是8或16时，平均位时间被减少至小于5。
在不同的实例中，Z可以是固定的或可调节的值。包括在IMD10中的A/D转换器所转换的信号不同，选择用于Z的值也可以不同。取决于模拟信号行为和其他因素，与每个周期上的全位转换相比，用于实现位时间的最大减少的最佳Z可能由于影响模拟信号的其他因素而在不同的信号类型之间、在不同的采样率之间、在不同的患者之间、以及随时间的推移改变。因此，Z可以是可调节的值。在一些实施例中，IMD10可以存储用于改变Z的值的位时间数据以便“获悉”用于减少用于转换给定信号的平均位时间的Z的最佳值。最佳Z可以由IMD10自动设定。
图8是根据另一个实施例的用于控制自调节A/D转换器的方法的流程图600。在框352处，在启动A/D转换器以便将模拟输入信号数字化时，设定用于第一转换周期的Ai的初始数字近似值M初始。在框602处，可以选择Ai的初始数字近似值作为A/D转换器的全范围的中点。在框604处，使用全刻度A/D转换器范围和所有可用位来执行全位转换。在完成全位转换时由A/D转换器产生的数字输出信号M输出被设定为等于Mi的收敛值(框606)。
在执行第一转换周期之后，在框608处设定用于下一个转换周期的初始近似值M初始。用于下一个转换周期的M初始可以基于至少一个先前转换周期的数字输出值M输出进行设定，如上所述。在框610处，设定用于下一个转换周期的位数，该位数可以是基于针对预定数量的先前转换周期Ai是在所适配位数范围内的所适配位数，如以上所描述的。
在612处，将初始近似值M初始与用于当前转换周期的Ai进行比较。在一些实例中，通过确定Ai与M初始之间的差值并且确定此差值的符号是正还是负来完成此比较。差值Ai-M初始的符号指示Ai是否大于M初始(正差值)或者Ai是否小于M初始(负差值)。此差值的符号在所适配位数转换周期过程中使用，因为它指示调节Ai的下一个数字近似值的方向。如果符号是正，将增大下一个近似值，并且如果符号是负，将减小下一个近似值。
在框614处，将Ai与所适配位数范围的在于框612处确定的符号的方向上的边界值进行比较。例如，如果所适配位数范围是±5mV，并且确定Ai大于M初始(正符号差值)，那么将Ai与所适配位数范围的正边界或上边界(在这个实例中为+5mV)进行比较。如果Ai小于M初始，在框612处导致负差值，那么将Ai与所适配位数范围的负边界或下边界进行比较。
如果Ai超过所适配位数范围的边界值，即，或者大于上边界或者小于下边界，如由框614处的比较确定的，那么在框618处增加位控制参数。在框604处，紧接着在完成所适配位数转换周期之前执行全位转换。如果Ai不超过边界值，即，不大于上边界或不小于下边界，那么在框616处A/D转换器继续进行以完成所适配位数转换。在框620处减少位控制参数以用于设定下一个转换周期中的位数。
通过在与M初始的初始比较之后将Ai与边界值进行比较，可以比在使用逐次调节计算器(如结合图6所描述的)的情况下更早地检测出超出范围情况的确定。此超出范围情况的较早检测使得能够使用总可用位数的转换周期的重新开始更早地发生，而不是在如结合图6所描述的在完成所适配位数转换周期之后发生。然而，由流程图600所示的方法确实需要针对每个所适配位数转换周期进行额外的Ai比较，即Ai与所适配位数范围的边界值的比较(框614)。
因此，已经描述了用于A/D转换的设备和方法的不同实施例。然而，本领域的普通技术人员还将理解，可以在不脱离权利要求书的范围的情况下对所描述的实施例做出不同的修改。例如，虽然已经描述了转换控制参数和参数值的具体实例，但是应理解，可以定义或设想其他控制参数或参数值以便控制可适配位数和模拟信号样本的数字值的初始近似值，进而减少A/D转换周期所需的平均时间。这些和其他实例是在以下权利要求书的范围之内。

Claims (11)

1.一种医疗装置，包括
模拟-数字(A/D)转换器，配置成接收模拟信号并且具有全刻度范围和跨越所述全刻度范围的总位数，
所述A/D转换器配置成在多个转换周期内、使用在所述多个转换周期中的至少当前转换周期上的可适配位数来将所述模拟信号转换成数字信号，其中，所述可适配位数包括跨越所述全刻度范围的部分的所适配的位数，所述全刻度范围的所述部分小于所述总位数的所述全刻度范围。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
转换控制模块，配置成使用所述模拟信号的先前经数字化的值来设定所述模拟信号的采样点的数字值的初始近似，
所述A/D转换器配置成从所述初始近似值开始来搜索所述采样点的所述数字值。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述转换控制模块配置成将所述初始近似值设定成等于在紧接的前一个转换周期中获得的经数字化的值。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成将跨越所述全刻度的所述部分的所述可适配位数设定成包括所述初始近似。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：
判定所述模拟信号的采样点是否在所述全刻度范围中由所述所适配位数跨越的所述部分内；并且
如果所述模拟信号的所述采样点在所述全刻度范围的所述部分内，则减少用于所述多个转换周期中的下一个转换周期的所述可适配位数。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：在预定数量的模拟信号采样点在所述全刻度范围的所述部分内之后，减少所述可适配位数。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：
判定所述模拟信号的采样点是否在所述全刻度范围中由所述所适配位数跨越的所述部分外部；以及
如果所述模拟信号采样点在所述全刻度范围的所述部分外部，则增加用于所述多个转换周期中的下一个转换周期的所述可适配位数。
8.如权利要求1-6中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：
判定所述模拟信号的采样点是否在所述全刻度范围中由所述所适配位数跨越的所述部分外部；以及
响应于所述模拟信号在所述全刻度范围的所述部分外部，使用所述总位数来重复将所述模拟信号转换为数字信号。
9.如权利要求1-8中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：在减少所述可适配位数之前，调节需要在所述全刻度范围的所述部分内的所述预定数量的模拟信号采样点，以便减少在所述多个转换周期内转换所述模拟信号所需的总时间。
10.如权利要求1-9中的任一项所述的装置，其中，所述A/D转换器配置成：
将所述模拟信号的采样点的数字近似与所述模拟信号进行比较；
响应于所述比较，响应于所述数字近似值大于所述模拟信号而在第一方向上调节所述数字近似，并且响应于所述数字近似小于所述模拟信号而在第二方向上调节所述数字近似；
在所述搜索操作期间，产生在所述第一方向和所述第二方向中的仅一个方向上经重复地调节的多个逐次的数字近似的计数；以及
响应于所述计数，调节在所述多个转换周期中的下一个转换周期上的所述可适配位数。
11.如权利要求1-10中的任一项所述的装置，进一步包括产生所述模拟信号的可植入式生理传感器。
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