CN106618485B - 信号处理设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种信号处理设备和方法。一种信号处理设备，包括：差信号获取器，被配置为获得反映输入信号基于参考信号在预设时间间隔变化的差信号；信号放大器，被配置为将差信号进行放大；以及信号恢复器，被配置为通过将放大的差信号转换为数字信号，并且对数字信号求和，来生成输出信号。

Description

信号处理设备和方法
本申请要求2015年11月4日提供到韩国知识产权局的第10-2015-0154351号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的全部公开出于各种目的通过引用合并于此。
技术领域
下面的描述涉及信号处理技术。
背景技术
仪器放大器(IA)用于测量各种类型的信号。例如，在医疗领域，IA用于测量并且放大生物信号，诸如，心电图(ECG)、肌电图(EMG)、光电血管容积图(PPG)、人体阻抗和运动信号。通常，IA可以被配置为具有低偏移、低噪声、高共模抑制、高环路增益和高输入阻抗的差分放大器。例如，这样的差分放大器可在电路操作范围内放大输入信号并且输出放大的信号。
发明内容
提供本发明内容以简化形式介绍将在下面在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。
根据一个总体方面，一种信号处理设备，包括：差信号获取器，被配置为获得反映输入信号基于参考信号在预设时间间隔变化的差信号；信号放大器，被配置为将差信号进行放大；以及信号恢复器，被配置为通过将放大的差信号转换为数字信号，并且对数字信号求和，来生成输出信号。
差信号获取器可以包括：被配置为被第一控制信号控制的第一开关，并且第一开关可以被配置为：通过基于第一控制信号，将信号放大器的输入端周期性地连接到参考信号，并且将信号放大器的输入端周期性地连接到输入信号，来生成差信号。
响应于第一开关被第一控制信号控制为处于通路状态，信号放大器的输入端可以重置为参考信号。响应于第一开关被第一控制信号控制为处于开路状态，输入信号可以被输入到信号放大器的输入端。
第一控制信号可以被配置为：控制第一开关以比输入信号的周期短的周期，对输入信号执行切换操作。
数字信号的求和可以包括：对与输入信号的周期相应的数字信号求和。
差信号的信号幅度范围可以小于输入信号的信号幅度范围。
信号处理设备还可以包括：开关，被配置为通过将信号放大器的输入端周期性地连接到参考信号，并且将信号放大器的输入端周期性地连接到输入信号，来生成差信号。
差信号获取器还可以包括：被输入输入信号的第一电容器，并且第一开关的一端、第一电容器的一端和信号放大器的输入端可以彼此电连接。
差信号可以反应通过重复的切换操作输入信号在预设时间间隔的重复变化。
信号恢复器可以包括：采样器和保持器，被配置为对放大的差信号进行采样以生成采样信号，并且保持采样信号；信号转换器，被配置为将采样信号转换为数字信号；以及信号加法器，被配置为通过对数字信号求和来生成输出信号。
采样器和保持器可以被配置为：在前一通路切换操作之后并且在执行切换操作的开关通路之前的时间点，对放大的差信号进行采样。
信号恢复器还可以包括：滤波器，被配置为对采样信号执行低通滤波；以及信号转换器可以被配置为将通过低通滤波获得的信号转换为数字信号。
根据另一总体方面，一种信号处理方法包括：基于应用到输入信号的切换操作来获得输入信号的差信号；将差信号进行放大；将放大的差信号转换为数字信号；以及通过对数字信号求和来生成输出信号，以恢复表示输入信号的放大的信号。
根据另一总体方面，一种信号处理设备包括：信号放大器，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端；第一输入器，被配置为将第一输入信号交替地传送到第一输入端和第二输入端；以及第二输入器，被配置为将第二输入信号交替地传送到第三输入端和第四输入端，其中，信号放大器被配置为基于第一输入信号和第二输入信号将差信号进行放大，并且输出放大的差信号。
第一输入器可以包括：第一开关，第一开关的切换操作基于第一控制信号被控制；以及第二开关，第二开关的切换操作基于第二控制信号被控制。
在第一阶段，第一开关可以基于第一控制信号通路，以将第一参考信号传送到第一输入端，并且第二开关可以基于第二控制信号开路，以将第一输入信号传送到第二输入端。在第二阶段，第一开关可以被开路，以将第一输入信号传送到第一输入端，并且第二开关可以基于第二控制信号通路，以将第一参考信号传送到第二输入端。
第一开关的一端和第二开关的一端可以连接到参考信号。
第一输入器还可以包括：第一电容器，连接到第一开关和第一输入端；以及第二电容器，连接到第二开关和第二输入端。
第二输入器可以包括：第三开关，第三开关的切换操作基于第三控制信号被控制；以及第四开关，第四开关的切换操作基于与第三控制信号不重叠的第四控制信号被控制。
在第一阶段，第三开关可以基于第三控制信号通路，以将第二参考信号传送到第三输入端，并且第四开关可以基于第四控制信号开路，以将第二输入信号传送到第四输入端。在第二阶段，第三开关可以基于第三控制信号开路，以将第二输入信号传送到第三输入端，并且第四开关可以基于第四控制信号通路，以将第二参考信号传送到第四输入端。
第二输入器还可以包括：第三电容器，连接到第三开关和第三输入端；以及第四电容器，连接到第四开关和第四输入端。
从下面的详细的描述、附图和权利要求，其他特征和方面将是明显的。
附图说明
图1示出信号处理设备的示例的示图。
图2是示出信号恢复器的示例的示图。
图3A至图3D是示出由信号处理设备执行的信号处理的示例的示图。
图4A和图4B是示出用于实现信号处理设备的电路的示例的示图。
图5A至图5D是示出将应用到图4A的信号处理设备的控制信号的示例和由图4A的信号处理设备测量的信号的示例的示图。
图6是示出信号处理设备的另一示例的示图。
图7A至图7D是示出将应用到图6的信号处理设备的控制信号的示例和由图6的信号处理设备测量的信号的示例的示图。
图8是示出信号处理方法的示例的流程图。
贯穿附图和详细的描述，相同的参考标号指示相同的元件。附图可以不按比例，并且为了清楚、说明和方便，可以夸大附图中的元件的相对大小、比例和描绘。
具体实施方式
提供下面的详细描述以帮助读者获得在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物对本领域的普通技术人员将显而易见的。在此描述的操作顺序仅是示例，并且不受限于在此阐述的操作顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可改变顺序对本领域的普通技术人员将是显而易见的。此外，为了更加清楚和简明，可以省略本领域的普通技术人员公知的功能和结构的描述。
可以以不同的形式实现在此描述的特征，并且在此描述的特征不应当被解释为受限于在此描述的示例。相反，已经提供了在此描述的示例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的普通技术人员传达本公开的全部范围。
在此使用的技术术语仅是为了描述特定示例的目的，而不是限制示例。如在此所使用的，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语在此可用于描述组件。这些术语的每个术语不用于限定相应组件的本质、次序或顺序，而仅用于将相应组件与其它组件进行区分。
应当注意，如果在本公开描述一个组件“连接”、“结合”或“接合”到另一组件，则尽管第一组件可以直接连接、结合或接合到第二组件，但是第三组件可以“连接”、“结合”或“接合”在第一组件与第二组件之间。
除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式也意图包括复数形式。如在此所使用的，术语“包含”、“包括”、“具有”指定存在所叙述的特征、数量、操作、元件、组件及其组合，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、数量、操作、元件、组件及其组合。
以下，参照附图详细地描述示例。附图中的相同的参考标号表示相同的元件，并且在此将省略已知的功能或配置。
图1是示出信号处理设备100的示例的示图。信号处理设备100放大输入信号，例如，生物信号，并输出放大的信号。信号处理设备100获得输入信号的差信号，将差信号进行放大，并从放大的差信号恢复原始输入信号的信息。因此，信号处理设备100能够测量具有比电路操作幅度范围更宽的幅度范围的输入信号。在此，差信号是反映输入信号的幅度在时间间隔变化的信号。此后，将更加详细地描述信号处理设备100的功能和操作。
参照图1，信号处理设备100包括差信号获取器110、信号放大器120和信号恢复器130。差信号获取器110从输入信号获得差信号。差信号反映输入信号基于参考信号在预设时间间隔的变化。例如，参考信号可以是具有预设电压值的偏压(bias voltage)。在一个示例中，差信号可以被周期性地设置为参考信号的信号值，并且具有反映输入信号的电压变化(从参考信号的信号电压值开始)的信号形式。
差信号获取器110通过控制信号控制的开关的切换操作获得差信号。在此，切换操作是指开关的通路状态与开路状态之间的切换。在一个示例中，差信号获取器110可以周期性地将开关通路，以将信号放大器120的输入端重置为参考信号，然后将开关开路，以获得反映输入信号变化的差信号，或者以其它方式执行切换。开关可以以比输入信号的周期短的周期，来执行切换操作。将参照图4A和图4B更加详细地描述由差信号获取器(诸如，差信号获取器110)通过切换操作获得差信号的处理。
信号放大器120放大从差信号获取器110输入的差信号，并且输出放大的差信号。在一个示例中，差信号的幅度变化的范围或差信号的幅度变化范围(例如，信号范围)，可以小于输入信号的幅度变化范围。这种情况是因为差信号被周期性地重置为参考信号的信号值，例如，设置电压值。因此，尽管偏离可被输入信号放大器120可放大的信号幅度范围的输入信号被输入，信号处理设备100仍然可以执行输入信号的正常放大，这是因为具有降低的信号幅度范围的相应的差信号被输入到信号放大器120。
信号恢复器130基于从信号放大器120输出的放大的差信号，来恢复关于原始输入信号的信息。在一个示例中，信号恢复器130可以通过将放大的差信号转换成数字信号，并且通过对转换获得的与输入信号的周期相应的数字信号求和或累积，来生成输出信号。在此，输出信号对应于通过放大信号处理设备100的输入信号并且将放大的信号转换成数字信号而获得的信号。将参照图2、图4A和图4B更加详细地描述由信号恢复器(诸如，信号恢复器130)执行的信号恢复处理。
在一个示例中，信号处理设备100可以被应用到被配置为放大测量的信号并输出放大的信号的放大电路。通常，当具有宽于相应的放大电路能够接收或者被设计为接收的输入幅度范围的信号幅度范围的信号被输入到放大终端时，在放大终端可能发生饱和，并且信号不能被正常放大。如上所述，信号处理设备100可以将具有宽信号幅度范围的信号转换成具有更小信号幅度范围的信号，并且将通过转换获得的信号进行放大，因此尽管输入信号具有宽于输入信号被提供到的放大电路的输入幅度范围的信号幅度范围，信号处理设备100也可以正常地放大输入信号，并且输出放大的信号。
另外，信号处理设备100可以通过降低放大电路的操作电压来降低功耗。通常，可以通过放大电路的操作电压和电路中消耗的电流来确定放大电路的功耗。例如，当输入信号的幅度变化范围是30毫伏(mV)，输入信号的放大因子是一百倍时，为了基本的放大电路的正常操作可能需要3伏(V)或更高的操作电压。然而，根据示例，具有30mV的幅度变化范围的输入信号可以被转换成具有5mV或更小的变化范围的时间序列差信号，并且放大电路的操作电压可以被降低到0.5V，这是因为，放大的差信号在通过100倍的因子放大差信号时具有0.5V或更小的放大的信号范围。由于这样的电路的操作电压的降低，可以减小放大电路的功耗。
此外，因为在放大电路的输入器(例如，输入电路或输入开关)中输入信号改变为具有小信号幅度范围或小摆动的信号，所以可以减小谐波失真的影响，从而可以减少设计放大电路的复杂性。
此外，因为在需要输入信号的初始稳定化时间的区域可以减小初始稳定化时间，所以可以改善用户的便利性。例如，在使用诸如心电图(ECG)的生物信号的个人认证中，在放大电路和信号源被连接之后可能需要快速地执行测量和认证。通常，当使用金属电极来测量生物信号时，由于金属材料的极化特性(polarization property)在金属电极开始与身体接触之后的几秒，测量的生物信号可以被稳定在可处理的幅度范围。在此，由于在生物信号的初始稳定化处理中使用的这样的时间量，认证的时间量可能增加。在一个示例中，尽管通过金属电极测量的生物信号具有大于放大电路的操作范围的范围，但是可以执行将生物信号转换为在放大电路的操作幅度范围内的信号的信号处理，因此用于初始稳定化处理的时间量可以减少，用于认证的时间量也可以减少，并且可以改善用户的便利性。
图2是示出根据实施例的信号恢复器130的示例的示图。参照图2，例如，信号恢复器130包括采样器和保持器210、信号转换器230和信号加法器240。
采样器和保持器210采样和保持从信号放大器120输出的信号。例如，采样器和保持器210可以使用开关对从信号放大器120输出的信号进行采样，并且在存储器(例如，电容器)中存储采样信号。
信号转换器230将通过采样器和保持器210采样并保持的信号转换为数字域的信号。例如，信号转换器230可以使用被配置为将模拟信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)，将从采样器和保持器210输出的信号转换成数字信号。
信号加法器240通过对从信号转换器230输出的与输入信号的周期相应的数字信号求和来生成输出信号。通过由信号转换器230转换获得的数字信号包括周期性获得的与输入信号的变化相关联的信息，因此通过将数字信号相加来恢复关于原始输入的信息。
在另一示例中，信号恢复器130还包括滤波器220。滤波器220可以通过对采样信号执行低通滤波，来减少包括在由采样器和保持器210采样的信号中的高频噪声分量。信号转换器230将通过低通滤波获得的信号转换成数字信号，并且信号加法器240通过将数字信号相加来生成输出信号。
图3A至图3D是示出根据一个或多个实施例的由信号处理设备执行的信号处理的示例的示图。在图3A的示例中，“310”是指输入到图1的差信号获取器110的输入信号，“A”是指在预设时间间隔(诸如，示出的6个T间隔)输入信号310的信号幅度范围。
差信号获取器110通过对应于每个时间间隔T执行的切换操作，从输入信号310获得时间序列差信号。获得的差信号在图3B的示例被指示为“320”。每当差信号320到达每个时间间隔T的开始时，差信号320被设置为参考信号的信号值，并且差信号320在差信号320被设置为信号值之后，在每个时间间隔T之后，反映输入信号310的幅度的变化。在此，“a”指示差信号320的最大信号幅度范围。
差信号320由图1的信号放大器120放大，例如，在图3C的示例中，放大的信号被示出为“330”，并且“aa”指示放大的差信号330的最大信号幅度范围。
放大的差信号330通过图1的信号恢复器130转换为数字信号。如图3D所示，通过转换获得的数字信号被示出为“340”。信号恢复器130在由差信号获取器110开始周期性的求差之前的时间点，对从信号放大器120输出的放大的差信号330进行采样，并且将采样值转换成数字信号值。“td[n-1]”、“td[n]”和“td[n+1]”指示由差信号获取器110开始周期性的求差的每个时间点，并且可选地指示信号放大器120的输入端被设置为参考信号的信号值的时间点。“tc[n-1]”、“tc[n]”和“tc[n+1]”指示由信号恢复器130开始模数转换的每个时间点。
图4A和图4B是示出根据实施例的用于实现信号处理设备400的电路的示例的示图。参照图4A，例如，信号处理设备400包括差信号获取器110、信号放大器120和信号恢复器130。
差信号获取器110包括第一开关420和第一电容器410。第一开关420的一端连接到信号放大器120的输入端和第一电容器410，第一开关420的另一端连接到第一参考信号430。第一电容器410的一端连接到第一开关420和信号放大器120的输入端。
基于第一控制信号来控制第一开关420的每个切换操作，并且以比输入信号的周期(例如，输入信号的带宽)短的周期，来执行第一开关420的每个切换操作。在一个示例中，第一控制信号可以控制第一开关420，以比输入信号的周期短两倍或更多倍的周期来执行切换操作。
在第一开关420的开路状态下，经过第一电容器410的输入信号被输入到信号放大器120。在第一开关420的通路状态下，信号放大器120的输入端被重置为第一参考信号430的信号值，例如，偏压的电压值。被布置在信号处理设备400的前端的电容器410从输入信号去除不必要的直流(DC)分量，以防止输入信号的DC分量被传送到信号放大器120，并且在第一开关420的通路状态下将信号放大器120的输入端保持为第一参考信号430的信号值。
在第一开关420的通路状态改变为第一开关420的开路状态之后，将被输入到信号放大器120的信号可以随着输入信号从(输入信号为第一参考信号430的信号值的)开始点改变而改变。例如，每当第一开关420通路时，信号放大器120的输入端在该时间点被设置为第一参考信号430的信号值。当第一开关420开路时，反映从第一参考信号430的信号值开始输入信号变化的信号被输入到信号放大器120。通过第一开关420的这种切换操作，获得反映在第一开关420通路期间的一个或多个时间间隔发生的输入信号变化的差信号。
信号放大器120放大通过差信号获取器110获得的差信号。在一个示例中，信号放大器120的输入端可以连接到偏置电阻(未示出)，偏置电阻并连到第一开关420，以设置信号放大器120的参考偏置(reference bias)。
如图4A所示，采样器和保持器210包括第二开关440和第二电容器450。第二开关440的一端连接到信号放大器120的输出端，第二开关440的另一端连接到第二电容器450和滤波器220。第二电容器450的一端连接到第二开关440和滤波器220，第二电容器450的另一端连接到第二参考信号460。在一个示例中，第二参考信号460可以选择性地具有与第一参考信号430的信号值相同的信号值。
第二开关440基于第二控制信号，对信号放大器120的输出信号进行采样。第二电容器450保持由第二开关440采样的信号。第二控制信号可以控制第二开关400在第一开关420被重置为参考电压之前的时间点(例如，在第一开关420通路之前立即)，对信号放大器120的输出信号进行采样。
滤波器220对存储在第二电容器450中的信号(例如，通过第二开关440采样的信号)，进行低通滤波。通过信号转换器230将通过低通滤波获得的信号转换为数字信号。信号加法器240对通过信号转换器230执行的转换获得的与输入信号的周期相应(例如，与所有的时间间隔相应)的数字信号求和，以恢复原始输入信号的信息。
在一个示例中，信号处理设备400还可以包括：被配置为生成第一控制信号和第二控制信号并且控制信号处理设备400的全部操作的控制器402。
图4B示出在信号处理设备400的每个节点测量的信号波形的示例。参照图4B，通过节点470来输入输入信号Vin，并且通过第一开关420的切换操作来获得差信号V_A_i。基于通过第一控制信号确定的第一开关420的切换操作的周期来确定差信号V_A_i的周期495。通过信号放大器120的输入端472来输入差信号V_A_i，通过信号放大器120来放大差信号V_A_i，并且通过信号放大器120的输出端474来输出放大的差信号V_A_o。
通过第二开关440对放大的差信号V_A_o进行采样，并且在节点476获得采样信号V_SH。滤波器220对采样信号V_SH进行低通滤波，并且在节点478获得通过低通滤波获得的信号V_LPF。信号转换器230通过数字采样处理将信号V_LPF转换为数字信号，并且在节点480获得数字信号ADCout。信号加法器240对与输入信号Vin的周期相应的数字信号ADCout求和或构建，以生成输出信号Vout，并且通过输出端482来输出该输出信号Vout。
在图4B的示例中，“485”指示输入信号Vin的信号电压范围，“490”指示信号处理设备400应用到的电路的操作电压范围。如图4B所示，尽管具有大于电路的操作电压范围490的信号电压范围485的输入信号Vin被输入到电路，但是随着具有小于输入信号Vin的信号电压范围485的信号电压范围的差信号V_A_i被放大，正常的放大处理可被执行。如上所述，能够测量具有大于电路的操作电压范围的电压范围的输入信号。尽管在此描述了输入信号的信号电压范围大于电路的操作电压范围的情况，但是在此描述的示例可用于输入信号的信号电压范围处于电路的操作电压范围内的情况。
图5A至图5D是示出应用到图4A的信号处理设备400的组件的控制信号的示例和由信号处理设备400测量的信号的示例的示图。在图5A至图5D的示例中，“510”指示应用到图4A的第一开关420的第一控制信号，“520”指示作为图4A的信号放大器120的输入信号的通过图4A的差信号获取器110获得的差信号，“530”指示信号放大器120的输出信号，“540”指示应用到图4A的第二开关440的第二控制信号，“550”指示图4A的采样器和保持器210的输出信号。
参照图5A，以逻辑高电平周期性地控制第一控制信号510。参照图5B，每次第一控制信号510变为逻辑高时，第一开关420通路，并且信号放大器120的输入信号520被设置为第一参考信号430的信号值。在第一控制信号510处于示出的逻辑低电平的时间段期间，第一开关420开路，并且在信号放大器120的输入信号520中反映将被输入到信号处理设备400的输入信号的变化。
例如，如图5A和图5B所示，在“a”与“b”之间的时间间隔以及“d”与“e”之间的时间间隔，第一控制信号510变为逻辑高，并且信号放大器120的输入信号520被设置为第一参考信号430的信号值。在此，例如，a与b之间的时间间隔以及d与e之间的时间间隔中的每个时间间隔可以具有1微秒(μs)的时间长度。在第一控制信号510是逻辑低的“b”与“c”之间的时间间隔，信号放大器120的输入信号520可随着输入信号变化而变化。如图5B所示，通过信号放大器120来放大信号放大器120的输入信号520，并且输出信号放大器120的输出信号530。
如图5C所示，在第一控制信号510变为逻辑高之前的时间点，第二控制信号540周期性地为示出的逻辑高电平。在第二控制信号540为逻辑高电平的时间段期间，第二开关440通路，并且信号放大器120的输出信号530被采样和保持。在第二控制信号540为示出的逻辑低电平的时间段期间，第二开关440开路，并且采样器和保持器210的输出信号550被保持为具有前一时间间隔的采样信号值。
例如，如图5D所示，在“b”与“c”之间的时间间隔，第二控制信号540被示出为逻辑低，并且采样器和保持器210的输出信号550被保持为具有前一时间间隔的采样信号值。在“c”与“d”之间的时间间隔，第二控制信号540是逻辑高，并且采样器和保持器210的输出信号550基于信号放大器120的输出信号530而变化。
图6是示出根据实施例的信号处理设备600的另一示例的示图。通常，在具有周期性的时钟信号中，在上升沿或下降沿可能发生快速变化。在这种情况下，当在这种上升沿或下降沿发生的时间间隔，放大器的输入端被重置为参考信号时，放大器不能正常地放大时钟信号。
在一个示例中，信号处理设备600在基于时间区分的不同阶段，将输入信号施加到信号放大器670的不同输入端，因此可以正常放大具有时钟信号的形式的输入信号，增加将信号放大器670的输入端重置为具有参考信号的信号值的开关的重置时间。由于增加了开关的重置时间，因此能够使用小尺寸的开关。
如图6所示，信号处理设备600具有双差分输入(differential dual input)和差分输出的形式。术语“双差分输入”指示信号放大器670具有包括两个输入端的加(+)输入和包括两个输入端的减(-)输入的形式。差分输出指示信号放大器670具有加(+)输出和减(-)输出的形式。然而，信号放大器670的输入端和输出端的形式不限于上述，因此可以进行各种修改和变化。以下，仅作为一个示例，将基于信号处理设备600的配置更加详细地描述信号处理设备(诸如，图6的信号处理设备600)的功能和操作。
参照图6，信号处理设备600包括：被配置为将第一输入信号Vip传送到信号放大器670的第一输入电路或第一输入开关(以下，“第一输入器”)610，、被配置为将第二输入信号Vin传送到信号放大器670的第二输入电路和第二输入开关(以下，“第二输入器”)640、，以及信号放大器670。在此，第一输入信号Vip和第二输入信号Vin是差分信号的关系，每个信号具有时钟信号或至少周期信号的形式。
第一输入器610包括：第一开关615、第二开关620、第一电容器625和第二电容器630。通过第一控制信号fresetp1和第二控制信号fresetp2来分别控制第一开关615和第二开关620的切换操作。
第一开关615的一端连接到第一电容器625和信号放大器670的第一输入端672，第一开关615的另一端连接到第一参考信号635，例如，具有电压值的偏压。第一电容器625的一端连接到第一开关615和信号放大器670的第一输入端672，第一电容器625的另一端连接到第一输入信号Vip和第二电容器630。第二开关620的一端连接到第二电容器630和信号放大器670的第二输入端674，第二开关620的另一端连接到第一参考信号635。第二电容器630的一端连接到第二开关620和信号放大器670的第二输入端674，第二电容器630的另一端连接到第一输入信号Vip和第一电容器625。
信号放大器670的第一输入端672和第二输入端674分别连接到信号放大器670中的第一晶体管和第二晶体管。在一个示例中，第一晶体管和第二晶体管的两端可被连接。例如，第一晶体管的漏端可以连接到第二晶体管的漏端，第一晶体管的源端可以连接到第二晶体管的源端。
第一输入器610将第一输入信号Vip交替地传送到第一输入端672和第二输入端674。在一个示例中，在第一阶段，第一开关615通路，以将第一参考信号635传送到第一输入端672，并且第二开关620开路，以将第一输入信号Vip传送到第二输入端674。在第二阶段，第一开关615开路，以将第一输入信号Vip传送到第一输入端672，并且第二开关620通路，以将第一参考信号635传送到第二输入端674。在第一阶段和第二阶段中的每个阶段，第一输入信号Vip的上升沿分量和下降沿分量可以被传送到信号放大器670。第一输入器610可以交替地且重复地执行第一阶段和第二阶段。
第二输入器640包括第三开关645、第四开关650、第三电容器655和第四电容器660。通过第三控制信号fresetn1和第四控制信号fresetn2来分别控制第三开关645和第四开关650的操作。
第三开关645的一端连接到第三电容器655和信号放大器670的第三输入端676，第三开关645的另一端连接到第二参考信号665。在一个示例中，第二参考信号665可以具有等于第一参考信号635的信号值的信号值。第三电容器655的一端连接到第三开关645和信号放大器670的第三输入端676，第三电容器655的另一端连接到第二输入信号Vin和第四电容器660。第四开关650的一端连接到第四电容器660和信号放大器670的第四输入端678，第四开关650的另一端连接到第二参考信号665。第四电容器660的一端连接到第四开关650和信号放大器670的第四输入端678，第四电容器660的另一端连接到第二输入信号Vin和第三电容器655。
信号放大器670的第三输入端676和第四输入端678分别连接到信号放大器670中的第三晶体管和第四晶体管。在一个示例中，第三晶体管和第四晶体管的两端可被连接。例如，第三晶体管的漏端可以连接到第四晶体管的漏端，第三晶体管的源端可以连接到第四晶体管的源端。
第二输入器640将第二输入信号Vin交替地传送到第三输入端676和第四输入端678。在一个示例中，在第一阶段，第三开关645通路，以将第二参考信号665传送到第三输入端676，并且第四开关650开路，以将第二输入信号Vin传送到第四输入端678。在第二阶段，第三开口645开路，以将第二输入信号Vin传送到第三输入端676，并且第四开关650通路，以将第二参考信号665传送到第四输入端678。在第一阶段和第二阶段中的每个阶段，第二输入信号Vin的下降沿分量和上升沿分量可以被传送到信号放大器670。第二输入器640可以交替地且重复地执行第一阶段和第二阶段。
信号放大器670放大第一输入信号Vip和第二输入信号Vin的差信号，并且输出放大的差信号。从信号放大器670输出的差信号(例如，差信号Vop和差信号Von)可以在数字域被恢复。例如，可以通过由ADC对信号放大器670的输出信号分别进行采样和转换，并且使用对通过转换获得的数字值相加或对数字值积分的方法，或者对在时间间隔的信号值进行移位的方法，来执行恢复。
在一个示例中，信号处理设备600还可以包括：被配置为生成第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号并且控制信号处理设备600的全部操作的控制器602。
图7A至图7D是示出由控制器生成的将被应用到图6的信号处理设备600的控制信号的示例以及由信号处理设备600测量的信号的示例。
参照图7A，时钟信号形式的输入信号Vipn被分类为处于差分信号关系的第一输入信号Vip和第二输入信号Vin。第一输入信号Vip和第二输入信号Vin分别被输入到第一输入器610和第二输入器640。
第一控制信号fresetp1被应用到第一开关615，第二控制信号fresetp2被应用到第二开关620。第一控制信号fresetp1和第二控制信号fresetp2是不重叠信号，并且具有彼此相反的相位。例如，当第一开关615和第二开关620通路时，第一控制信号fresetp1和第二控制信号fresetp2可以处于逻辑高电平。
例如，如图7A所示，当第一控制信号fresetp1是逻辑高时，例如，在“f”与“g”之间的时间间隔以及“h”与“i”之间的时间间隔，第一参考信号635被输入到第一输入端672。在此，第二控制信号fresetp2是逻辑低，第一输入信号Vip被输入到第二输入端674。第一输入信号Vip的上升沿分量被输入到第二输入端674，得到放大的V_A_ip1信号。
当第一控制信号fresetp1是逻辑低时，例如，在“g”与“h”之间的时间间隔以及“i”与“j”之间的时间间隔，第一输入信号Vip被输入到第一输入端672。在此，第二控制信号fresetp2是逻辑高，第一参考信号635被输入到第二输入端674。第一输入信号Vip的下降沿分量被输入到第一输入端672，得到放大的V_A_ip2信号。
当第一输入端672和第二输入端674连接到对电路的后端具有相同影响的各个输入晶体管，并且输入晶体管的两端被连接时，从电路的后端观察，通过第一输入端672和第二输入端674输入的双输入信号可以等于示出的V_A_ip_eq信号的输入。
可以对第二输入信号Vin输入到的第二输入器640执行与对第一输入器610执行的处理类似的处理。当第三控制信号fresetn1是逻辑高时，例如，在“f”与“g”之间的时间间隔以及“h”与“i”之间的时间间隔，第二参考信号665被输入到第三输入端676。在此，第四控制信号fresetn2是逻辑低，第二输入信号Vin被输入到第四输入端678。第二输入信号Vin的下降沿分量被输入到第四输入端678，得到放大的V_A_in1信号。
当第三控制信号fresetn1是逻辑低时，例如，在“g”与“h”之间的时间间隔以及“i”与“j”之间的时间间隔，第二输入信号Vin被输入到第三输入端676。在此，第四控制信号fresetn2是逻辑高，第二参考信号665被输入到第四输入端678。第二输入信号Vin的上升沿分量被输入到第三输入端676，得到放大的V_A_in2信号。
当第三输入端676和第四输入端678连接到对电路的后端具有相同影响的各个输入晶体管，并且输入晶体管的两端被连接时，从电路的后端观察，通过第三输入端676和第四输入端678输入的双输入信号可以等于示出的V_A_in_eq信号的输入。
在图7B中，“710”指示通过从图7A所示的信号波形V_A_ip_eq减去信号波形V_A_in_eq获得的信号波形。通过信号放大器670的第一输入端至第四输入端672、674、676和678输入的信号可以等于具有信号波形710的信号。可以通过信号放大器670来放大信号波形710，并且关于原始输入信号的信息可以基于放大的信号被恢复。例如，如图7C所示，对于信号恢复，可以使用下面的方法：在紧接着例如f、g、h、i和j点之前的时间点，对信号放大器670的输出信号进行采样并且对采样值连续相加。在此，得到的信号波形被示出为“720”。对于另一示例，如图7D所示，如“730”所示，可以使用对在时间间隔的信号值进行移位(例如，仅对“f”与“g”之间的时间间隔以及“h”与“i”之间的时间间隔的信号值进行移位)的方法，来恢复信号。
图8是示出根据实施例的信号处理方法的示例的流程图。可以通过信号处理设备，例如，图1的信号处理设备100和图4A的信号处理设备400来执行信号处理方法。信号处理方法的可选实现方式也是可行的。
参照图8，在操作810中，信号处理设备基于切换操作获得输入信号的差信号。信号处理设备可以使开关周期性通路，以将信号放大器的输入端重置为参考信号，然后将开关周期性地开路，以获得反映输入信号变化的差信号。在操作820中，信号处理设备放大差信号。在操作830中，信号处理设备将放大的差信号转换为数字信号。信号处理设备可以基于切换操作，对放大的差信号进行采样，并且将采样信号转换为数字信号。在操作840中，信号处理设备通过对数字信号求和来生成输出信号。信号处理设备可通过对基于时间(例如，与周期输入信号的周期相应)的数字信号求和或者累积，来生成包括关于原始输入信号的信息的输出信号。
通过硬件组件实现执行在此针对图8描述的操作的图1、图2、图4A、图4B和图6示出的设备、单元、模块、装置和其他组件(例如，差信号获取器110、信号放大器120、信号放大器670、信号恢复器130、采样器和保持器210、滤波器220、信号转换器230、信号加法器240和信号输入器610、信号输入器640)。硬件组件的示例包括控制器、传感器、生成器、驱动器以及本领域的普通技术人员已知的任何其他电子组件。在一个示例中，通过一个或多个处理器或计算机实现硬件组件。通过一个或多个处理元件(诸如，逻辑门阵列、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列、微处理器或本领域的普通技术人员已知的能够以定义的方式响应并执行指令来实现期望结果的任何其它装置或装置的组合)来实现处理器或计算机。在一个示例中，处理器或计算机包括或连接到：存储由处理器或计算机执行的指令或软件的一个或多个存储器。通过处理器或计算机实现的硬件组件执行指令或软件，诸如，操作系统(OS)和在OS上运行的一个或多个软件应用程序，以执行在此针对图8描述的操作。硬件组件还响应于指令或软件的执行来访问、操纵、处理、创建和存储数据。为了简明，可以在这里描述的实施例的描述中使用单数术语“处理器”或“计算机”，但是在其它实施例中，使用多个处理器或计算机，或者处理器或计算机包括多个处理元件，或多种类型的处理元件，或者使用处理器和计算机二者。在一个示例中，硬件组件包括多个处理器，在另一示例中，硬件组件包括处理器和控制器。硬件组件具有任何一个或多个不同处理配置，其示例包括单个处理器、独立处理器、并行处理器、单指令单数据(SISD)多处理、单指令多数据(SIMD)多处理、多指令单数据(MISD)多处理和多指令多数据(MIMD)多处理。
通过如上所述的执行指令或软件以执行在此描述的操作的处理器或计算机，来执行图8所示的方法，该方法执行在此针对图1、图2、图4A、图4B和图6描述的操作。
用于控制处理器或计算机实现硬件组件并执行如上所述的方法的指令或软件可以被编写为计算机程序、代码段、指令或它们的任何组合，从而单独地或共同指示或配置处理器或计算机作为机器或专用计算机进行操作，以执行由硬件组件执行操作和如上所述的方法。在一个示例中，指令或软件包括直接由处理器或计算机执行的机器代码，诸如，由编译器生成的机器代码。在另一示例中，指令或软件包括由处理器或计算机使用解释器执行的高级代码。本领域的普通技术人员的编程者可以基于在附图中所示的框图和流程图以及说明书中的相应描述容易地编写指令或软件，在附图中所示的框图和流程图以及说明书中的相应描述中，公开了用于执行由硬件组件执行的操作的算法和如上所述的方法。
用于控制处理器或计算机实现定硬件组件并执行如上所述的方法的指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构可被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态磁盘以及本领域的普通技术人员已知的任意装置，其中，所述任意装置能够以非暂时性方式存储指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构，并且将指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机，使得处理器或计算机能够执行指令。在一个示例中，通过联网的计算机系统来分布指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构，从而通过处理器或计算机以分布方式存储、访问并且执行指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构。
尽管本公开包括特定示例，但是对本领域的普通技术人员将是显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可以对这些示例进行形式和细节上的各种改变。在此所描述的示例被认为仅是描述性的意义，而不是为了限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其它示例中的类似特征或方面。如果描述的技术以不同顺序执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同方式组合，和/或由其他组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。因此，本公开的范围不是由详细的描述限定，而是由权利要求及其等同物限定，权利要求及其等同物的范围之内的所有变化都将被解释为包括在本公开中。

Claims (11)

1.一种信号处理设备，包括：
差信号获取器，被配置为获得反映输入信号基于参考信号在预设时间间隔变化的差信号；
信号放大器，被配置为将差信号进行放大；
信号恢复器，被配置为通过将放大的差信号转换为数字信号，并且对数字信号求和，来生成输出信号，以及
第一开关，被配置为通过将信号放大器的输入端周期性地连接到参考信号，并且将信号放大器的输入端周期性地连接到输入信号，来生成差信号。
2.如权利要求1所述的信号处理设备，其中：
第一开关包括在差信号获取器中，并且被配置为被第一控制信号控制；
第一开关被配置为：通过基于第一控制信号，将信号放大器的输入端周期性地连接到参考信号，并且将信号放大器的输入端周期性地连接到输入信号，来生成差信号。
3.如权利要求2所述的信号处理设备，其中：
响应于第一开关被第一控制信号控制为处于通路状态，信号放大器的输入端重置为参考信号；以及
响应于第一开关被第一控制信号控制为处于开路状态，输入信号被输入到信号放大器的输入端。
4.如权利要求2所述的信号处理设备，其中，第一控制信号被配置为：控制第一开关以比输入信号的周期短的周期，对输入信号执行切换操作。
5.如权利要求2所述的信号处理设备，其中：
差信号获取器还包括被输入输入信号的第一电容器；
第一开关的一端、第一电容器的一端和信号放大器的输入端彼此电连接。
6.如权利要求1所述的信号处理设备，其中，数字信号的求和包括：对与输入信号的周期相应的数字信号求和。
7.如权利要求1所述的信号处理设备，其中，差信号的信号幅度范围小于输入信号的信号幅度范围。
8.如权利要求1所述的信号处理设备，其中，信号恢复器包括：
采样器和保持器，被配置为对放大的差信号进行采样以生成采样信号，并且保持采样信号；
信号转换器，被配置为将采样信号转换为数字信号；以及
信号加法器，被配置为通过对数字信号求和来生成输出信号。
9.如权利要求8所述的信号处理设备，其中，采样器和保持器被配置为：在前一通路切换操作之后，并且在执行切换操作的开关通路之前的时间点，对放大的差信号进行采样。
10.如权利要求8所述的信号处理设备，其中：
信号恢复器还包括：滤波器，被配置为对采样信号执行低通滤波；
信号转换器被配置为将通过低通滤波获得的信号转换为数字信号。
11.一种信号处理方法，包括：
基于应用到输入信号的切换操作，来获得输入信号的差信号；
将差信号进行放大；
将放大的差信号转换为数字信号；以及
通过对数字信号求和来生成输出信号，以恢复关于输入信号的信息，
其中，通过将信号放大器的输入端周期性地连接到参考信号，并且将信号放大器的输入端周期性地连接到输入信号，来生成差信号。
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