CN112994693B - 模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模数转换器技术领域，尤其涉及一种模数转换器，模数转换器包括发光单元、计数电路、数字转换电路和多个光接收单元，发光单元根据输入的模拟信号发出不同照射角度的光信号至对应位置的光接收单元，光接收单元对应输出或者截止输出电信号至计数电路，计数电路对同一时刻的接收到的光信号进行计数并在不同时刻输出不同的计数值至数字转换电路，数字转换电路根据不同时刻输出的计数值进行数字转换输出对应的二进制数字信号，实现模数转换，通过光电转换，无需通过电容存电的方法，提高了模数转换的效率。

Description

模数转换器

技术领域

本发明属于模数转换器技术领域，尤其涉及一种模数转换器。

背景技术

模数转换器(Analog to Digital Converteradc，ADC)，简称ADC，是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

传统的模数转换器，用电容存电的方法实现，由于电容具有滞后性，导致模数转换效率低下，在模数转换速度上被套上了瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模数转换器，旨在解决传统的模数转换器存在的转换效率低的问题。

本发明实施例的第一方面提了一种模数转换器，模数转换器包括发光单元、计数电路、数字转换电路和多个光接收单元；

发光单元包括第一信号端、发光端面和第二信号端，发光单元的第二信号端接地；

多个光接收单元、计数电路和数字转换电路依次连接，多个光接收单元的光接收点朝向发光单元的发光端面，并呈扇形分布于发光单元的同一平面；

发光单元，用于通过第一信号端接收模拟信号，以及根据模拟信号点亮并通过发光端面发出不同照射角度的光信号，模拟信号的电位大于预设电位，预设电位大于0；

各光接收单元，用于将大于预设亮度的光信号转换为电信号并输出至计数电路，以及在光信号小于预设亮度时截止转换输出；

计数电路，用于对同一时刻接收到的光信号进行计数并在不同时刻输出不同的计数值至数字转换电路；

数字转换电路，用于根据不同时刻接收到的不同计数值以及预设映射表进行数字转换，并输出对应于模拟信号的二进制数字信号。

通过采用发光单元和光接收单元，模数转换通过光电信号转换实现，提高了模数转换效率和速度。

在一个实施例中，发光端面呈弧形并对应多个光接收单元设置。

通过将发光端面设置成弧形可以使得发光单元发射的光信号呈不同角度发射，此外，发光端面呈弧形并对应多个光接收单元设置可以使得每个光接收单元均更好地接收光信号。

在一个实施例中，发光单元包括灯杯和设置于灯杯内的灯芯，灯杯呈圆柱形，灯杯的第一端面呈弧形设置，灯杯的第二端面呈平面设置，灯芯设置于灯杯内并与灯杯的第二端面的中心点平行设置，灯芯根据模拟信号点亮并发出不同照射角度的光信号至灯杯的第一端面。

通过采用此灯芯和灯杯结构，实现发光单元发出不同照射角度的光信号，可以使得每个光接收单元均更好地接收光信号。

在一个实施例中，灯芯根据幅值变化的模拟信号形成不同大小的发光球体，不同大小的发光球体发出不同照射角度的光信号至灯杯的第一端面。

灯芯根据模拟信号变换发光球体的大小，实现不同照射角度的光信号发送至对应数量的光接收单元，可以使得模拟信号全面反馈至后端。

在一个实施例中，多个光接收单元的光接收点设置于发光单元的发光端面中心点的延长线的一侧或者对称设置于发光单元的发光端面中心点的延长线的两侧。

通过设置不同位置的光接收单元，可实现不同的计数方式，提高计数兼容性。

在一个实施例中，各光接收单元包括光接收二极管，多个光接收二极管分别与计数电路连接，多个光接收二极管的光接收点呈扇形排布。

通过采用光接收二极管，在实现光电信号的转换的同时，简化光接收单元和模数转换器的电路结构。

在一个实施例中，模数转换器还包括电位拉升电路，电位拉升电路的输入端与模数转换器的输入端连接，电位拉升电路的输出端与第一信号端连接；

电位拉升电路，用于将输入的第一模拟信号进行电压拉升得到模拟信号。

通过设置电位拉升电路可以使得向发光单元提供的模拟信号的电位达到预设电位，以点亮发光单元。

在一个实施例中，电位拉升电路包括偏置电路，偏置电路的输出端与发光单元的第一信号端连接，偏置电路的第二端接地；

偏置电路，用于将第一模拟信号进行电压偏置得到模拟信号。

通过采用偏置电路可以使得向发光单元提供的模拟信号的电位达到预设电位，以点亮发光单元。

在一个实施例中，模数转换器还包括限流电路，限流电路的第一端与发光单元的第一信号端连接，限流电路的第二端用于接收模数转换器的输入端接收到的信号。

通过采用限流电路，使得发光单元工作在稳定驱动条件下。

在一个实施例中，数字转换电路包括编码器。

通过采用编码器，可实现计数值与二进制数字信号的编码转换，同时，简化数字转换电路的结构。

本发明实施例通过采用发光单元、计数电路、数字转换电路和多个光接收单元组成模数转换器，发光单元根据输入的模拟信号发出不同照射角度的光信号至对应位置的光接收单元，光接收单元对应输出或者截止输出电信号至计数电路，计数电路对同一时刻的接收到的光信号进行计数并在不同时刻输出不同的计数值至数字转换电路，数字转换电路根据不同时刻输出的计数值进行数字转换输出对应的二进制数字信号，实现模数转换，通过光电转换，无需通过电容存电的方法，提高了模数转换的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模数转换器的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的模数转换器的第二种结构示意图；

图3为图1所示的模数转换器中发光单元的结构示意图；

图4为图3所示的模数转换器中发光单元的光线照射示意图；

图5为本发明实施例提供的模数转换器的第三种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的模数转换器的第四种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的模数转换器的第五种结构示意图；

图8为本发明实施例提供的模数转换器的第六种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提了一种模数转换器。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的模数转换器的第一种结构示意图，模数转换器包括发光单元10、计数电路30、数字转换电路40和多个光接收单元21；

发光单元10包括第一信号端、发光端面和第二信号端，发光单元10的第二信号端接地。多个光接收单元21、计数电路30和数字转换电路40依次连接，多个光接收单元21的光接收点朝向发光单元10的发光端面。多个光接收单元21的光接收点呈扇形分布于发光单元10的同一平面。发光单元10，用于通过第一信号端接收模拟信号，以及根据模拟信号点亮并通过发光端面发出不同照射角度的光信号，模拟信号的电位大于预设电位，预设电位大于0。各光接收单元21，用于将大于预设亮度的光信号转换为电信号并输出至计数电路30，以及在光信号小于预设亮度时截止转换输出；

计数电路30，用于对同一时刻接收到的光信号进行计数并在不同时刻输出不同的计数值至数字转换电路40；

数字转换电路40，用于根据不同时刻接收到的不同计数值以及预设映射表进行数字转换，并输出对应于模拟信号的二进制数字信号。

本实施例中，模拟信号可由各类信号源输出，模拟信号可为温度、湿度、压力、长度、电流、电压等类型的电信号，发光单元10根据输入的模拟信号的幅值变化发出不同强度的光信号，光信号通过发光端面形成不同照射角度，不同照射角度对应于处于相同平面的不同数量的光接收单元21，光接收单元21设置相同的预设亮度的光强阈值，当接收到的光信号强度大于预设亮度时光接收单元21输出电信号，当接收到的光信号强度小于预设亮度时则截止输出电信号，从而根据接收到的光信号输出不同数量的电信号。

计数电路30对同一时刻接收到的电信号进行计数，在不同时刻计数到不同的计数值，该计数值对应于模拟信号的电信号的幅值大小，模拟信号幅值大，计数值大，模拟信号幅值小，计数值小，形成映射关系，同时，数字转换电路40根据不同时刻接收到的计数值进行数字转换，并根据预设映射表数字转换输出对应的二进制数字信号，二进制数字信号对应于模拟信号，例如预设映射表采用四位二进制数字信号映射0～15的计数值，0～15的计数值对应于模拟信号的幅值区间V1～V2，幅值区间内的对应数值对应于一个计数值，同时对应于一个二进制数字信号，计数值的大小对应于光接收单元21的个数，光接收单元21的个数越多，计数值越大，二进制数字信号的位数越多，转换精度越高，因此，光接收单元21的个数、扇形大小和分布密度根据转换精度需求对应设置，在此不做具体限制，模数转换器通过光电转换，转换过程中无需通过电容存电的结构，提高了模数转换的效率和速度，模数转换器可应用于模数转换要求更高的场合。

发光单元10可为激光器、发光二极管等结构，光信号可为红外光、白光等，发光单元10的结构和光信号的类型在此不做限制，发光单元10的发光端面的形状可根据光接收单元21的排布对应设置，以实现在不同幅值大小的模拟信号的驱动下发光单元10发出的不同照射角度的光信号可照射至不同数量的光接收单元21，在一个实施例中，发光端面呈弧形并对应多个光接收单元21设置，弧形的发光端面可照射出预设角度范围的光信号，该预设角度范围的最大照射角度与呈扇形排布的多个光接收单元21匹配，即模拟信号的幅值最大时，发光单元10的照射角度最大，所有光接收单元21均接收到达到预设亮度的光信号，所有光接收单元21均输出电信号至计数电路30，达到幅值区间内所有模拟信号的数字转换。

通过将发光端面设置成弧形可以使得发光单元10发射的光信号呈不同角度发射，此外，发光端面呈弧形并对应多个光接收单元设置可以使得每个光接收单元均更好地接收光信号。

光接收单元21可采用光接收二极管、光接收器等结构，在此不做限制，在一个实施例中，各光接收单元21包括光接收二极管，多个光接收二极管分别与计数电路30连接，多个光接收二极管的光接收点呈扇形排布，光接收二极管将发光单元10发射出的光信号根据亮度大小对应转换为电信号或者截止转换输出，实现光电信号的转换。

多个光接收单元21的设置位置可根据转换精度对应设置，例如发光单元10的发光端面的临界位置对应于光接收单元21的扇形临界位置，或者多个光接收单元21对称设置于发光端面的中心点的延长线的两侧，在一个实施例中，如图2所示，多个光接收单元21的光接收点呈扇形排布，并设置于发光单元10的发光端面中心点的延长线的一侧，此时，电信号输出的个数为顺序计数，即1、2、3、4等，或者如图1所示，多个光接收单元21的光接收点呈扇形排布并对称设置于发光单元10的发光端面中心点的延长线的两侧，此时，对称的两个光接收单元21在相同强度的光信号下会同时发出电信号，此时，电信号输出的个数为间隔计数，例如1、3、5、7等，或者2、4、6、8等。

数字转换电路40可采用不同级别的二进制转换电路，在一个实施例中，如图6所示，数字转换电路40包括编码器41，编码器41通过数字转换将十进制计数值转换为二进制数字信号，实现数字转换功能同时，简化数字转换电路的结构。

计数电路30可采用至少一个计数器或者组合电路，具体根据计数需求对应设置。

在一个实施例中，为了避免光信号受到外界光信号的干扰或者发散至外部，发光单元10、光接收单元21、计数电路30和数字转换电路40封装在同一封装体内，实现光电信号的内部转换，不受外界光信号的影响，提高模数转换的准确性。

本发明实施例通过采用电信号转光信号和光信号转电信号的信号转换方式实现模数转换，无需通过电容存电的方法，提高了模数转换的效率和速度，模数转换器可应用于模数转换要求更高的场合。

如图3所示，在一个实施例中，发光单元10包括灯杯12和设置于灯杯12内的灯芯11，灯杯12呈圆柱形，灯杯12的第一端面呈弧形设置，灯杯12的第二端面呈平面设置，灯芯11设置于灯杯12内并与灯杯12的第二端面的中心点平行设置，灯芯11根据模拟信号点亮并发出不同照射角度的光信号至灯杯12的第一端面。

本实施例中，灯杯12的第一端面用于发出光信号且呈弧形结构，灯杯12的第二端面呈平面设置，灯芯11发出的光信号对称从灯杯12的第一端面的中心点发出，并形成对应对称于中心点延长线的照射角度，根据模拟信号的大小发出不同照射角度的光线，不同照射角度对应于不同数量的光接收单元21，计数电路30从而输出不同数量的计数值，通过采用灯芯11和灯杯12结构，实现发光单元10发出不同照射角度的光信号，可以使得每个光接收单元均更好地接收光信号。

为了形成不同照射角度，灯芯11可采用不同的点亮方式，在一个实施例中，灯芯11根据幅值变化的模拟信号形成不同大小的发光球体，不同大小的发光球体发出不同照射角度的光信号至灯杯12的第一端面，灯芯11在模拟信号的不同幅值下，发出不同强度的光线，灯芯11形成不同大小的发光球体，从灯杯12输出的光信号的形成的扇形照射角度发生变化，如图4所示，模拟信号的幅值越小，发光球体越小，扇形照射角度越小，反之，模拟信号的幅值越大，形成的发光球体越大，扇形照射角度越大，从而形成不同照射角度的光信号至各光接收单元21，通过设置不同位置的光接收单元21，可实现不同的计数方式，提高计数兼容性。

可以理解的是，个别模拟信号的幅值处于负电位，而发光单元10正常工作时需保证其信号端的压差大于0，由于发光单元10的第二信号端的电位为零，因此，需保证发光单元10的第一信号端的电位大于零，为了提高模数转换器的兼容性，如图5所示，在一个实施例中，模数转换器还包括电位拉升电路50，电位拉升电路50的输入端与模数转换器的输入端in连接，电位拉升电路50的输出端与第一信号端连接；

电位拉升电路50，用于将输入的第一模拟信号进行电压拉升得到模拟信号。

本实施例中，电位拉升电路50用于进行电位拉升，以将第一模拟信号上拉至预设电位之上，从而得到大于预设电位的模拟信号，预设电位大于0，使得不同幅值的模拟信号均能驱动发光单元10点亮，上拉电位大小根据模拟信号的幅值下限以及发光单元10的工作电压对应设置，模拟信号的幅值下限越小，上拉电位越大，从而保证输入至发光单元10的模拟信号在预设电位之上，且满足发光单元10的发光条件。

电位上拉电路可通过偏置电路51、上拉电阻电路等电路结构实现，如图6所示，在一个实施例中，电位拉升电路50包括偏置电路51，偏置电路51的输出端与发光单元10的第一信号端连接，偏置电路51的第二端接地；

偏置电路51，用于将第一模拟信号进行电压偏置得到模拟信号。

偏置电路51用于进行电压偏置，以将第一模拟信号偏置上拉至预设电位之上，偏置电路51的偏置电压根据模拟信号的幅值下限以及发光单元10的工作电压对应设置，模拟信号的幅值下限越小，偏置电路51的偏置电压越大，从而保证输入至发光单元10的模拟信号在预设电位之上，且满足发光单元10的发光条件。

同时，偏置电路51可通过正偏置或者负偏置的方式进行电压偏置，偏置电路51可采用偏置电阻、偏置电源等结构实现，如图7所示，在一个实施例中，偏置电路51包括恒压源发生器511，恒压源发生器511的第一端与发光单元10的第一信号端连接，恒压源发生器511的第二端接地，恒压源发生器511用于输出正相电压，实现正偏置，将输入的第一模拟信号进行整体电位上拉，以得到模拟信号，其中，vf表示正相电压的大小，通过采用恒压源发生器511，可以向模拟信号提供正偏置电压，使得模拟信号的电位达到预设电位，以点亮发光单元。

在本申请的一个实施例中，模数转换器还可以包括控制器，该控制器在确定输入模数转换器的输入端in的第一模拟信号的电位低于预设电位时，则将第一模拟信号转发给电位上拉电路，如果输入模数转换器的输入端in的第一模拟信号的电位大于或等于预设电位时，则控制器将第一模拟信号转发给发光单元。

为了保证发光单元10的电压和电流均处于工作条件下，如图8所示，在一个实施例中，模数转换器还包括限流电路60，限流电路60的第一端与发光单元10的第一信号端连接，限流电路60的第二端用于接收模数转换器的输入端in接收到的信号，限流电路60将电压型的模拟信号转换为电流型的模拟信号并驱动发光单元10点亮，其中，限流电路60可采用阻性元件，在一个实施例中，限流电路60包括限流电阻，通过采用限流电路60，使得发光单元工作在稳定驱动条件下。

同时，为了避免杂波信号干扰，请继续参阅图8，在一个实施例中，模数转换器还包括用于对模拟信号进行滤波的滤波电路70，滤波电路70串接在模数转换器的输入端in和限流电路60之间，滤波电路70可采用电容滤波电路、LC滤波电路等结构，在此不做具体限制。比如滤波电路70的一端与模数转换器的输入端in连接，滤波电路70的另一端与限流电路60的一端连接，通过采用滤波电路70，可实现外部信号的滤波，减少信号干扰，提高模数转换的准确度。

进一步地，为了提高精度，避免幅值区间较小的模拟信号通过发光单元10中亮度变化不明显，请继续参阅图8，在一个实施例中，模数转换器还包括用于对模拟信号进行信号放大的信号放大电路80，信号放大电路80串接在滤波电路70和模数转换器的输入端in之间，比如，信号放大电路80的一端与模数转换器的输入端in连接，信号放大电路80的另一端与滤波电路70连接，信号放大电路80将幅值区间较小的模拟信号进行幅值区间放大，以满足发光单元10的发光条件，信号放大电路80可采用三极管放大电路、放大器等结构，具体根据需求对应设置。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模数转换器，其特征在于，包括发光单元、计数电路、数字转换电路和多个光接收单元；

所述发光单元包括第一信号端、发光端面和第二信号端，所述发光单元的第二信号端接地；

多个所述光接收单元、所述计数电路和所述数字转换电路依次连接，多个所述光接收单元的光接收点朝向所述发光单元的发光端面，并呈扇形分布于所述发光单元的同一平面；

所述发光单元，用于通过所述第一信号端接收模拟信号，以及根据所述模拟信号点亮并通过所述发光端面发出不同照射角度的光信号，所述模拟信号的电位大于预设电位，所述预设电位大于0；

各所述光接收单元，用于将大于预设亮度的光信号转换为电信号并输出至所述计数电路，以及在所述光信号小于所述预设亮度时截止转换输出；

所述计数电路，用于对同一时刻接收到的光信号进行计数并在不同时刻输出不同的计数值至所述数字转换电路；

所述数字转换电路，用于根据不同时刻接收到的不同计数值以及预设映射表进行数字转换，并输出对应于所述模拟信号的二进制数字信号；其中

所述发光单元包括灯杯和设置于所述灯杯内的灯芯，所述灯杯呈圆柱形，所述灯杯的第一端面呈弧形设置，所述灯杯的第二端面呈平面设置，所述灯芯设置于所述灯杯内并与所述灯杯的第二端面的中心点平行设置，所述灯芯根据幅值变化的模拟信号形成不同大小的发光球体，不同大小的所述发光球体发出不同照射角度的光信号至所述灯杯的第一端面。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，多个所述光接收单元的光接收点设置于所述发光单元的发光端面中心点的延长线的一侧或者对称设置于所述发光单元的发光端面中心点的延长线的两侧。

3.如权利要求2所述的模数转换器，其特征在于，各所述光接收单元包括光接收二极管，多个所述光接收二极管分别与所述计数电路连接，多个所述光接收二极管的光接收点呈扇形排布。

4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器还包括电位拉升电路，所述电位拉升电路的输入端与所述模数转换器的输入端连接，所述电位拉升电路的输出端与所述第一信号端连接；

所述电位拉升电路，用于将输入的第一模拟信号进行电压拉升得到所述模拟信号。

5.如权利要求4所述的模数转换器，其特征在于，所述电位拉升电路包括偏置电路，所述偏置电路的输出端与所述发光单元的第一信号端连接，所述偏置电路的第二端接地；

所述偏置电路，用于将所述第一模拟信号进行电压偏置得到所述模拟信号。

6.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器还包括限流电路，所述限流电路的第一端与所述发光单元的第一信号端连接，所述限流电路的第二端用于接收所述模数转换器的输入端接收到的信号。

7.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述数字转换电路包括编码器。

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