CN111741159B - 感测讯号的运算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种感测讯号的运算方法及其电路，其藉由一模拟数字转换单元先行处理具有最高有效位(MSB)的输入讯号至少一次，尔后，处理具有最低有效位(LSB)与最高有效位(MSB)的输入讯号，并总和所有输入讯号，因而简化模拟数字转换单元的处理步骤，并缩短时间。

Description

感测讯号的运算方法

技术领域

本发明是有关一种运算方法，尤其是一种感测模拟讯号的运算方法。

背景技术

距离传感器(Proximity Sensor，PS)及环境光线传感器(Ambient Light Sensor，ALS)已广泛地应用于电子装置，例如：现今人手一机的手机或平板，即智能型手机、可携式行动装置。常见的实例为智能型手机于通话时，会透过距离传感器侦测使用者与手机面板的距离，以让智能型手机内的控制单元依据距离传感器感测结果判断是否关闭手机面板的触控或显示等功能。

如图1A与图1B所示，现有技术中，距离感测装置1’利用一光源2’所产生的光线L1(例如：发光二极管LED产生红外线)经反射体O(例如：人体或其他可反射光线的对象)反射后而产生对应的反射光线L2，而被光传感器3’所接收，进而提供距离感测结果，但光传感器3’的感测结果包含环境光A的成分，为避免环境光A的成分影响，可让光传感器3’于光源2’开启及关闭状态下分别进行感测，再将环境光A的成分扣除以削减环境光影响。然而，如图2A与图2B所示，倘若环境光A为来自于日光灯的情况下，基于一般日光灯供电为交流电源，而导致环境光A存在照度强弱起伏。如果光传感器3’于光源2’开启ON及关闭OFF状态下的感测时间点间隔过长，两次感测时环境光A的照度差异较大(如图2A所示的第一感测间隔gap1)，会导致距离感测装置1’无法有效将环境光A的成分扣除，造成感测误差较大。为了避免环境光影响造成的误差过大，一般会尝试缩短光源2’开启ON及关闭OFF状态下的感测时间点间隔，以缩小两次感测时环境光A的照度差异(如图2B所示的第二感测间隔gap2)，且通常会以多组感测结果进行距离感测结果校正。

然而，由于光传感器3’的每一次感测结果利用模拟数字转换单元转换为数值数据时，均包含最高有效位运算与最低有效位运算，而最低有效位运算受限于模拟数字转换单元的精确度限制，会发生量化误差(quantizationerror)，即每一次感测结果均包含量化误差。因此，当距离感测装置1’依据光传感器3’于光源2’开启ON及关闭OFF状态下的多组感测结果校正而获得最终感测结果时，此最终感测结果即包含多个量化误差的总和，将对距离感测装置1’的精确度造成不良影响。

基于上述的问题，本发明提供一种感测讯号的运算方法及其电路，以减少量化误差，并进一步藉由减少最低有效位的合并运算次数而缩短模拟数字转换单元的运算时间。

发明内容

本发明的一目的，提供一种感测讯号的运算方法及其电路，其藉由减少最低有效位的运算并搭配最高有效位的累积运算，并于最后一阶累积运算结合最低有效位数据进行合并运算，而简化模拟数字转换单元的运算过程，因而让模拟数字转换单元输出具较少量化误差的的输出结果。

本发明揭示了一种感测讯号的运算方法，其先运算一输入讯号产生对应的输出结果并撷取对应的一最高有效位数据，然后合并至下一输入讯号，循环直到最后运算最后一笔输入讯号合并对应的最后一最高有效位数据与一最低有效位数据，因而将该些个最高有效位数据与该最低有效位数据进行合并运算，因而产生一输出讯号。藉由减少该最低有效位数据的运算，因而缩短整体总和运算所耗费的时间，且减少该最低有效位数据的运算而对应减少量化误差。

本发明揭示了一种感测讯号的运算电路，其累积运算复数个输入讯号的复数个最高有效位数据，并与该些输入讯号的最后一者一并提取最高有效位与最低有效位数据，以进行合并运算，而产生一输出讯号。如此本发明因仅在最后一输入讯号合并运算最低有效位数据，因而缩短整体总和运算所耗费的时间，且因最后一者方才合并运算最低有效位数据，因而相对应将整体量化误差总数减少至一量化误差。

附图说明

图1A：其为习知技术的距离感测于开启光源的示意图；

图1B：其为习知技术的距离感测于关闭光源的示意图；

图2A：其为习知技术的交流讯号对感测间隔的示意图；

图2B：其为习知技术的交流讯号对感测间隔的示意图；

图3：其为本发明的一实施例的流程图；

图4：其为图3的细部说明的流程图；

图5A：其为本发明的一实施例的方块图；

图5B：其为本发明的一实施例的包含溢位的方块图；

图6A：其为本发明的一实施例的电路图；

图6B：其为本发明的一实施例的暂存资料的示意图；

图6C：其为本发明的一实施例的合并运算的示意图；

图7：其为本发明的另一实施例的时间对讯号的波形图；

图8：其为本发明的另一实施例的方块图；

图9A：其为本发明的另一实施例的电路图；

图9B：其为本发明的另一实施例的暂存资料的示意图；

图9C：其为本发明的另一实施例的合并运算的示意图；

图10：其为本发明的另一实施例的时间对讯号的波形图；

图11：其为习知技术的运算时间的示意图；以及

图12：其为本发明的运算时间的示意图。

【图号对照说明】

1’距离感测装置

2’光源

3’光传感器

1运算电路

12加总单元

22第一暂存元件

24第二暂存元件

26第三暂存元件

28第四暂存元件

A环境光

ADC模拟数字转换单元

ADM模拟域

I1第一输入端

I2第二输入端

IN1第一模拟输入讯号

IN2第二模拟输入讯号

ISW1第一输入开关

ISW2第二输入开关

DDM数位域

DL最低有效位数据

DM最高有效位数据

DM1第一最高有效位数据

DM2第二最高有效位数据

DM3第三最高有效位数据

DM4第四最高有效位数据

gap1第一感测间隔

gap1第二感测间隔

L1光线

L2反射光线

O反射体

O1第一输出端

O2第二输出端

ON开启

OFF关闭

OP运算放大器

OUT数字输出讯号

OUT1第一数字输出讯号

OUT 2第二数字输出讯号

RES暂存资料

S运算单元

SW1第一开关元件

SW2第二开关元件

SW3第三开关元件

SW4第四开关元件

T1第一期间

T2第二期间

T3第三期间

TD1第一运算期间

TD2第二运算期间

TD3第三运算期间

TD4第四运算期间

V1第一电位

V2第二电位

V3第三电位

V4第四电位

V5第五电位

V6第六电位

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

有鉴于习知模拟数字转换过程中，最高有效位数据与最低有效位数据占用较多运算时间，且每一次转换运算导致复数个量化误差，若能够降低该量化误差并缩短转换运算的时间，即能够达到较为有效率且低误差的模拟数字转换运算，据此，本发明遂提出一种感测讯号的运算方法及其电路，以解决习知技术所造成的运算时间较长与量化误差较多的问题。

以下，将进一步说明本发明揭示一种感测讯号的运算方法及其电路所包含的特性、所搭配的结构：

首先，请参阅图3，其为本发明的一实施例的流程图。如图所示，本发明的感测讯号的运算方法，为应用于一模拟数字转换单元的输入输出，该运算方法的步骤包含：

步骤S5：依序接收数个模拟输入讯号；

步骤S10：运算一模拟输入讯号对应的最高有效位数据，并将余数(residue)合并至下一模拟输入讯号运算；以及

步骤S20：循环至运算最后一模拟输入讯号后，运算最后一模拟输入讯号的最高有效位数据与最低有效位数据，以产生数字输出讯号。

于步骤S5中，依序连续接收复数个模拟输入讯号，接续于步骤S10中，并藉由累积运算该些模拟输入讯号所具有的复数个最高有效位(Most Significant Bit，MSB)数据，以及将每次进行最高有效位运算后的余数(residue)合并至下一模拟输入讯号。于步骤S20中，直到运算该些模拟输入讯号的最后一者时，一并运算最后一MSB数据与的一最低有效位(Least Significant Bit，LSB)数据，因此每次产生输出讯号时仅执行一次最低有效位运算，就量化误差的数量而言，每产生一次数字输出讯号仅包含一量化误差，使最低有效位运算的量化误差对于感测结果的精确度影响大幅缩小。

且，进一步地，如图4所示，步骤S10中包含：

步骤S110：运算一模拟输入讯号的MSB数据并暂存；

步骤S115：判断该模拟输入讯号是否为最后一模拟输入讯号；以及

步骤S120：当判断该模拟输入讯号并非最后一模拟输入讯号时，将最高有效位运算后的余数合并至下一模拟输入讯号。

又，步骤S20：当判断该模拟输入讯号为最后一模拟输入讯号时，运算最后一模拟输入讯号的MSB数据与LSB元数据，并暂存或运算数个模拟输入讯号的MSB数据以及最后一模拟输入讯的LSB数据，以产生该数字输出讯号。

请一并参阅图5A，为了执行本发明上述实施例的感测讯号的运算方法，在搭配一模拟数字转换单元ADC的运算电路1中，加总单元10依序接收复数个模拟输入讯号IN，例如依序接收四个模拟输入讯号IN，并在模拟域ADM运算前三个模拟输入讯号IN中对应的MSB数据DM1、DM2、DM3，且每次运算MSB数据DM1、DM2、DM3后，由于前三个模拟输入讯号IN并非最后一模拟输入讯号，因此将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号。该模拟数字转换单元ADC仍会运算第四个模拟输入讯号IN的MSB数据DM4，然而特别的是，作为最后一次输入的模拟输入讯号IN，该模拟数字转换单元ADC亦将运算第四个模拟输入讯号IN对应的LSB数据DL；其中，第四个模拟输入讯号IN已合并累积了前三个模拟输入讯号IN最高有效位运算后的余数RES。在数字域DDM中，一运算单元S可供暂存或运算上述MSB数据DM1～DM4以及LSB数据DL，以产生数字输出讯号OUT，例如，该运算单元S可以进行将第一MSB数据DM1、第二MSB资料DM2、第三MSB资料DM3、第四MSB数据DM4与LSB数据DL加总的累加运算，以形成数字输出讯号OUT＝DM1+DM2+DM3+DM4+DL。

更详言之，请进一步参阅图3与图4，作为第一个模拟输入讯号IN，于步骤S110中，自第一个模拟输入讯号IN进行最高有效位运算出对应的第一MSB数据DM1，而由该运算单元S暂存第一MSB数据DM1，且接续于步骤S115中判断该第一个模拟输入讯号IN是否最后一模拟输入讯号，经判断为否时，接续执行步骤S120，将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号，并反复针对下一模拟输入讯号(第二个模拟输入讯号IN)接续执行步骤S110。反复执行前述流程，当步骤S110自第四个模拟输入讯号IN运算出对应的第四MSB数据DM4后，于步骤S115判断该第四个模拟输入讯号IN即是最后一模拟输入讯号，故接续执行步骤S20；于步骤S20中，运算第四个模拟输入讯号IN对应的LSB数据DL，并以该运算单元S暂存或运算上述MSB数据DM1～DM4以及LSB数据DL，以对应产生数字输出讯号OUT，并输出至数字域DDM。值得注意的是，该运算单元S可以于每次接收MSB资料DM1～DM4以及LSB数据DL后进行实时运算(例如前述累加运算)；或者，该运算单元S亦可在接收全部MSB数据DM1～DM4以及LSB数据DL后，统一进行运算；又或者，在本发明部分实施例中，该运算单元S仅供暂存上述MSB数据DM1～DM4以及LSB数据DL而不作额外运算，并将其作为数字输出讯号OUT供其它系统使用。

也就是说，上述的该些个步骤S110、步骤S120重复执行复数次于撷取该些模拟输入讯号IN的该些个MSB数据DM1、DM2、DM3，该些MSB资料DM1、DM2、DM3被暂存或运算，直到接收最后一笔模拟输入讯号并执行步骤S110、步骤S20而让运算电路1撷取最后一笔模拟输入讯号对应的第四MSB数据DM4与LSB数据DL并暂存或合并运算，以产生该数字输出讯号OUT。另外，如图5A与图5B所示，其为本发明运算电路1一实施例的方块图，在运算电路1中，该模拟数字转换单元ADC连接该运算单元S，因此上述MSB资料DM1～DM4以及LSB数据DL可以被暂存于该运算单元S中，并进一步如图5B所示，由于在前述实施例中，该运算单元S可以进行将上述MSB资料DM1～DM4以及LSB数据DL加总的累加运算，倘若产生的运算结果进位时，该数字输出讯号OUT中可以具有一溢位(OVERRANGE)数据OD，

请进一步参阅图6A，其为本发明运算电路1的的部分电路图；如图所示，其包含一运算放大器OP、一第一暂存元件22、一第二暂存元件24，以对应于加总单元10与模拟数字转换单元ADC，其中，第一暂存元件22耦接于运算放大器OP的一输出端一输入端，以及第二暂存元件24耦接于运算放大器OP的输出端或输入端。其中，该第一暂存元件22与配合运算放大器OP组成模拟数字转换单元ADC(例如Sigma-Delta ADC)所需的积分器，用以取样该些模拟输入讯号IN，供该模拟数字转换单元ADC运算该些模拟输入讯号IN的MSB数据DM1、DM2、DM3、DM4，并且以该第二暂存元件24将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号，详述如下：

第一暂存元件22的一第一端耦接于运算放大器OP的一第一输入端I1，第一暂存元件22的一第二端耦接于该运算放大器OP的一第一输出端O1，第二暂存元件24的一第一端与一第二端分别耦接一第一开关元件SW1与一第二开关元件SW2，第一开关元件SW1耦接运算放大器OP的第一输入端I1，第二开关元件SW2耦接运算放大器OP的第一输出端O1。其中第一暂存元件22与第二暂存元件24在本实施例系以电容元件做为举例说明，以供暂存模拟讯号。此外，第一输入端I1为进一步耦接一第一输入开关ISW1，即控制运算放大器OP接收模拟输入讯号IN时闭合，其余时间为开启而断路。

如图6B与图6C所示，并一并参阅图7，在运算放大器OP接收模拟输入讯号IN后，即在第一期间T1，第一暂存元件22经接收模拟输入讯号IN后，而在撷取MSB数据DM1、DM2、DM3或DM4时达到第一电位V1，因而让第一输出端O1的端点电位达到第一电位V1；在进入第二期间T2时，该模拟数字转换单元ADC已完成最高位有效运算，故此时第一输出端O1的端点电位将被扣除取MSB资料DM1、DM2、DM3或DM4的成分而达到第二电位V2，此时由第一开关元件SW1呈开启状态而断路，第二开关元件SW2为闭合状态而导通，故第二暂存元件24可以储存第二电位V2数据(即最高有效位运算后的余数RES)；最后在进入第三期间T3前，由第一开关元件SW1呈闭合状态而导通，第二开关元件SW2为开启状态而断路，使第二暂存元件24可在进入第三期间T3时将所储存的第二电位V2合并至下一模拟输入讯号合并运算。

在以上实施例，该些模拟输入讯号IN的MSB数据DM1～DM4以及LSB数据DL系被加总运算来产生数字输出讯号OUT，因此将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号时，亦采用加总方式进行。然而，如前所述，若本发明系的运算方法及其电路要应用于距离感测装置，为避免环境光的成分影响，需让光传感器于光源开启及关闭状态下分别进行感测，再将环境光的成分扣除以削减环境光影响，为此本发明系的运算方法及其电路的另一实施例如下所述。

请参阅图8，其为本发明另一实施例运算电路1的方块图，可供应用于本发明另一实施例的感测讯号的运算方法。其中，图5A与图8的差异在于图8的加总单元12进一步包含相减功能，且将模拟输入讯号IN进一步包含区隔为第一模拟输入讯号IN1与第二模拟输入讯号IN2，其中第一模拟输入讯号IN1与第二模拟输入讯号IN2不同相位。其中，第一模拟输入讯号IN1可以为光传感器于光源开启状态下进行感测所得到的结果；第二模拟输入讯号IN2可以为光传感器于光源关闭状态下进行感测所得到的结果。

在本发明另一实施例的感测讯号的运算方法中，若该运算电路同样依序接收四个模拟输入讯号IN，第一个和第三个模拟输入讯号IN为第一模拟输入讯号IN1(例如光源开启状态下进行感测所得到的结果)，第二个和第四个模拟输入讯号IN为第二模拟输入讯号IN2(例如光源关闭状态下进行感测所得到的结果)。据此，该运算单元S可以将由第一模拟输入讯号IN1所得到的MSB数据DM1、DM3减去由第二模拟输入讯号IN2所得到的MSB数据DM2、DM4，同时由于最后一模拟输入讯号为第二模拟输入讯号IN2，再减去由第最后一模拟输入讯号所得到的LSB数据DL，以形成数字输出讯号OUT＝DM1-DM2+DM3-DM4-DL。如此，当第一模拟输入讯号IN1可以为光传感器于光源开启状态下进行感测所得到的结果；第二模拟输入讯号IN2可以为光传感器于光源关闭状态下进行感测所得到的结果时，环境光的成分即可于数字输出讯号OUT中被有效扣除。值得注意的是，本领域技术人员斟酌本案说明书后，可以联想到将第一模拟输入讯号IN1与第二模拟输入讯号IN2的排列及应用方式交换，以形成类似于-DM1+DM2-DM3+DM4+DL的数字输出讯号OUT，如此仍然不超出本发明所揭露的范畴。

另外，由于第一模拟输入讯号IN1与第二模拟输入讯号IN2系交错输入，故该将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号时，需将余数RES从下一模拟输入讯号当中扣除。举例而言，请参阅第九A图至第九C图以及第十图，其为本发明的另一实施例的电路图、暂存数据的示意图与合并运算的示意图；其中第六A图至第六C图与第九A图至第九C图的差异在于第九A图至第九C图进一步包含第三暂存元件26与第四暂存元件28，第一暂存元件22与第二暂存元件24的连接关系与第三暂存元件26与第四暂存元件28的连接关系为对称。藉此，在以上实施例中，将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号时，即可采用将余数RES从下一模拟输入讯号当中扣除的方式进行。值得注意的是，无论是该第一暂存元件22与配合运算放大器OP组成模拟数字转换单元ADC(例如Sigma-Delta ADC)所需的积分器，均系以该暂存元件与配合运算放大器OP组成模拟数字转换单元ADC(例如Sigma-Delta ADC)所需的积分器进行说明，进而将余数RES储存在额外设置暂存元件中，再合并至积分器的暂存元件。然而若该模拟数字转换单元ADC为cyclic ADC或pipeline ADC等其它形式的模拟数字转换单元时，该余数RES储可以直接储存于取样放大器(sample andhold amplifier)而非积分器中，本发明并不以此为限。

如图11所示，同样就前述实施例中采用二次光源开启状态与二次光源关闭状态对应的四次感测讯号作为模拟输入讯号为例进行说明。习知感测讯号运算方法为运算每一个模拟输入讯号的最高有效位数据DM与最低有效位数据DL，因而让每一次运算期间TD1、TD2、TD3、TD4皆是满载(Full length)运算，例如：以16位长的感测讯号进行说明，简单假设每位运算时间为1微秒(μs)，则习知运算方法为了完成最高有效位数据DM与最低有效位数据DL的运算，于每一次运算期间TD1、TD2、TD3、TD4均需消耗16微秒，这不但导致模拟数字转换运算的总耗时长达64微秒，且在光源开启及关闭状态下的感测时间点将受到运算期间TD1、TD2、TD3、TD4的限制，需间隔至少16微秒。况且，每次进行最低有效位数据DL的合并运算都会导致运算结果产生量化误差(Quantization error)，因为一共执行四次最低有效位数据DL，故数字输出讯号OUT中涵括了四次量化误的影响。

如图12所示，本发明的感测讯号运算方法为每一次运算期间TD1、TD2、TD3、TD4撷取最高有效位数据DM，但仅在最后一次运算期间进行最低有效位数据DL运算，如此同样就前述实施例中采用二次光源开启状态与二次光源关闭状态对应的四次感测讯号作为模拟输入讯号为例进行说明。由于最低有效位数据DL的运算仅执行一次，就量化误差而言，本发明的数字输出讯号OUT中止会存在一次量化误差的影响，即大幅减少量化误差对于感测讯号的精确度影响。且第一运算期间TD1至第三运算期间TD3仅取样MSB数据DM，仅仅将最高有效位运算后的余数RES合并至下一模拟输入讯号，并不会执行最低有效位运算，故第一运算期间TD1至第三运算期间TD3均非完整运算，因而有效缩短运算时间。例如：同样以16位长的感测讯号进行说明，若最有效位数据DM为4位，而最低有效位数据DL为12位，则第一运算期间TD1至第三运算期间TD3仅会4微秒的高有效位运算，即使撷取余数RES以及将余数RES合并至下一模拟输入讯号各需消耗约1微秒，第一运算期间TD1至第三运算期间TD3也仅个别消耗6微秒。这会使得模拟数字转换运算的总耗时缩短至34微秒，而且在光源开启及关闭状态下的感测时间点可由前述16微秒大幅缩段至6微秒，可大幅缩短距离传感器在光源开启及关闭状态下的感测时间点间隔。

综上所述，本发明的感测讯号的运算方法及其电路，其透过多次撷取最高有效位数据并暂存，以与在最后一次撷取的最高有效位数据与最低有效位数据整合运算，而缩短运算时间并减少量化误差。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种感测讯号的运算方法，其特征在于，步骤包含：

依序接收数个模拟输入讯号；

运算一模拟输入讯号对应的一最高有效位数据，并将余数合并至下一模拟输入讯号运算；以及

循环至合并运算最后一模拟输入讯号时，合并运算一最高有效位数据与一最低有效位数据，以产生一数字输出讯号。

2.如权利要求1所述的感测讯号的运算方法，其特征在于，其中于运算一模拟输入讯号对应的一最高有效位数据，并将余数合并至下一模拟输入讯号运算的步骤中，其包含：

运算该模拟输入讯号对应产生一最高有效位数据，并暂存该最高有效位数据；以及

将该最高有效位数据运算的余数与下一模拟输入讯号合并运算。

3.如权利要求2所述的感测讯号的运算方法，其特征在于，其中于运算该模拟输入讯号对应产生一最高有效位数据，并暂存该最高有效位数据的步骤中，暂存的多个最高有效位数据与对应的下一模拟输入讯号的最高有效位数据相减或相加。

4.如权利要求2所述的感测讯号的运算方法，其特征在于，其中于将该最高有效位数据运算的余数与下一模拟输入讯号合并运算的步骤中，该最高有效位数据运算的余数与下一模拟输入讯号相减或相加。

5.如权利要求1所述的感测讯号的运算方法，其特征在于，其中将该数字输出讯号的一溢位数据储存于一溢位空间。

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