CN113228517B - 信号处理电路中的增益校正 - Google Patents

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Abstract

一种处理模拟信号的方法包括将来自传感器的模拟信号接收到信号处理电路中，该信号处理电路具有偏移电压。该方法包括将偏移补偿信号从补偿电路接收到信号处理电路中。偏移补偿信号具有(i)与信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性，以及(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度。该方法包括由信号处理电路基于接收的模拟信号生成输出信号，包括将偏移补偿信号应用于由信号处理电路生成的中间信号。该方法包括基于偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差来缩放输出信号。

Description

信号处理电路中的增益校正
背景技术
模拟电路，例如用于处理传感器信号(如光电检测器信号)的电路，可与数字转模拟控制结合使用，以提高感测技术的准确性和精度。
发明内容
在一个方面，一种处理模拟信号的方法包括将来自传感器的模拟信号接收到信号处理电路中，该信号处理电路具有偏移电压。该方法包括将偏移补偿信号从补偿电路接收到信号处理电路中。偏移补偿信号具有(i)与信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性，以及(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度。该方法包括由信号处理电路基于接收的模拟信号生成输出信号，包括将偏移补偿信号应用于由信号处理电路生成的中间信号。该方法包括基于偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差来缩放输出信号。
实施例可以包括一个或多个以下特征。
缩放数字信号包括基于偏差和基于信号处理电路的增益误差系数来缩放输出信号。信号处理电路的增益误差系数包括信号处理电路的分辨率极限和信号处理电路的增益之间的比率。该方法包括确定补偿电路的增益误差系数。该方法包括使用将增益误差系数与信号处理电路的相应增益相关联的查找表来确定增益误差系数。该方法包括通过测量来确定增益误差系数。
该方法包括确定偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差。该方法包括基于从补偿电路接收的先前偏移补偿信号来确定偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差。该方法包括基于先前偏移补偿信号的平均值来确定偏差。
将模拟信号接收到信号处理电路中包括将模拟信号接收到模数转换器中。将模拟信号接收到信号处理电路中包括将模拟信号接收到ΔΣ(delta sigma)调制器中。接收模拟信号包括从光电检测器接收模拟信号。从补偿电路接收偏移补偿信号包括从数模转换器(digital to analog converter，DAC)接收偏移补偿信号。
偏移补偿信号的偏差是信号处理电路分辨率极限的正整数或负整数倍。
偏移补偿信号的偏差是信号处理电路的+1最低有效位(least significant bit，LSB)，0或-1LSB。
该方法包括基于缩放的输出信号执行频谱分析。
在一个方面，一种用于处理模拟信号的系统包括具有偏移电压的信号处理电路。该系统包括补偿电路，该补偿电路被配置为向信号处理电路提供偏移补偿信号，该偏移补偿信号具有(i)与信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性和(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度。信号处理电路被配置为从传感器接收模拟信号，以及基于接收的模拟信号生成输出信号，包括将偏移补偿信号应用于由信号处理电路生成的中间信号。该系统包括耦合到存储器的一个或多个处理器，该一个或多个处理器和存储器被配置为基于偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差来缩放来自信号处理电路的输出信号。
实施例可以包括一个或多个以下特征。
一个或多个处理器和存储器被配置为基于偏差和基于补偿电路的增益误差系数来缩放输出信号。补偿电路的增益误差系数包括信号处理电路的分辨率极限和信号处理电路的增益之间的比率。一个或多个处理器和存储器被配置为确定补偿电路的增益误差系数。一个或多个处理器和存储器被配置为使用将增益误差系数与信号处理电路的相应增益相关联的查找表来确定增益误差系数。一个或多个处理器和存储器被配置为通过测量来确定增益误差系数。
一个或多个处理器和存储器被配置为确定偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差。
信号处理电路包括模数转换器。信号处理电路包括放大器。信号处理电路包括ΔΣ调制器。
该系统包括传感器。该传感器包括光电检测器。
补偿电路包括数模转换器(digital to analog converter，DAC)。
在一个方面，一种用于执行频谱分析的系统包括光电检测器，该光电检测器被配置为响应于光信号的接收而输出模拟信号。该系统包括信号处理模块，该信号处理模块包括：具有偏移电压的信号处理电路；补偿电路，被配置为向信号处理电路提供偏移补偿信号，该偏移补偿信号具有(i)与信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性，以及(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度。信号处理电路被配置为：从光电检测器接收模拟信号，以及基于接收的模拟信号生成输出信号，包括将偏移补偿信号应用于由信号处理电路生成的中间信号。该系统包括耦合到存储器的一个或多个处理器，该一个或多个处理器和存储器被配置为：基于偏移补偿信号的幅度和标称补偿值之间的偏差来缩放来自信号处理电路的输出信号；以及基于输出信号执行频谱分析。
实施例可以包括一个或多个以下特征。
执行频谱分析包括执行环境颜色测量。
该系统包括智能照明系统、农业分析系统、流体分析系统和医学分析系统中的一个或多个。
附图说明
图1是光检测器组件的图。
图2A是一阶ΔΣ调制器的图。
图2B是一阶ΔΣ调制器的偏移电压和补偿电压之间关系的曲线图。
图3是一阶ΔΣ调制器的图。
图4是ΔΣ调制器的工作特性的曲线图。
图5是测量输出的曲线图。
图6A和图6B分别是模数转换器的输出和信噪比的曲线图。
图7是流程图。
具体实施方式
参考图1，光检测器组件100基于由光检测器106检测的光104来处理由光检测器106(例如光电二极管)生成的模拟信号102。光检测器组件100的信号处理电路108(例如模数转换器(analog-to-digital converter，ADC))处理模拟信号102，例如将模拟信号102转换成输出信号110，例如数字信号。信号处理电路108的分辨率限制了可由光检测器组件100解析的模拟信号102的幅度，例如可检测的光104的水平。具有高分辨率的信号处理电路108使得能够检测非常低水平的光。这里，描述了一种校正信号处理电路108中的增益的方法，该方法提高了信号处理电路108的分辨率，从而使得能够检测更小的信号，例如更低水平的光。例如，一个或多个处理器114可以确定增益校正并将其应用于输出信号110，生成具有比输出信号110更高分辨率的校正后的输出信号112。
信号处理电路，如ADC，可以实现自动调零功能，其从ADC的输出信号中减少或消除暗电流的存在。这里描述的增益校正方法进一步消除了自动调零功能中的分辨率误差。这些方法对于区域优化是有用的，例如，用于数字辅助模拟部件，如光电二极管。这些方法对于进一步降低暗电流是有用的，例如，通过将光电二极管的偏置电压降低到接近零。这些方法对于减小增益误差是有用的，例如，通过将积分器的虚拟地减小到接近零。这些方法有助于降低或消除暗电流的温度依赖性(有时称为ADC偏移)或ADC增益的温度依赖性。这些方法还有助于在宽温度范围中使用的应用中提高ADC的信噪比。
图2A示出了ADC的一阶ΔΣ调制器200的示例，该ΔΣ调制器200包括由运算放大器(operational amplifier，OPAMP)204实现的积分器。ΔΣ调制器200可以形成用于将例如来自光检测器的模拟信号转换成数字信号的ADC的一部分。ΔΣ调制器200在OPAMP 204的第一端接收偏移电压VOS，并输出输出信号VINT。ΔΣ调制器200的反馈回路提供CINT电容。
例如，由于偏移电压源的可变性，偏移电压VOS会表现出波动。偏移电压VOS的波动也可由温度漂移引起，例如由环境热或自热效应(例如由诸如光源或微控制器的其他电子元件的操作生成的热)引起的温度漂移。偏移电压的波动会导致输出信号VINT上的暗电流信号。暗电流信号是在没有施加电压的设备中存在剩余电流，例如，当没有入射光照射连接到ΔΣ调制器200的光检测器时。暗电流会将噪声引入ΔΣ调制器200的操作中，降低ΔΣ调制器的信噪比。
偏移电压VOS中的波动可以通过将补偿信号206(例如补偿电压COMPDAC)施加到ΔΣ调制器200的偏移电压VOS来解决。例如，补偿信号206可以由补偿电路208(例如数模转换器(DAC))生成。也可以采用补偿暗电流的其他方法，例如算法方法，例如逐次逼近寄存器(successive-approximation-register，SAR)ADC、线性斜坡或其他方法。这些方法统称为自动调零(auto-zero，AZ)操作。
对偏移电压VOS中的波动的完全补偿将基本上完全消除暗电流信号。然而，补偿电路208，例如，DAC，可以具有分辨率极限，该分辨率极限使得补偿电压COMPDAC按照等于补偿电路208的分辨率极限的单位被量化。COMPDAC电压的量化导致对于偏移电压VOS中的波动的补偿的量化，如图2B所示。
当诸如光检测器的传感器向ΔΣ调制器提供模拟信号时，模拟信号部分地通过与偏移电压VOS的比较来处理。当COMPDAC电压的量化以及因此对于偏移电压VOS中的波动的补偿的量化超过来自传感器的信号时，该信号不能在来自ΔΣ调制器200的输出中被解析。这意味着小的传感器信号在信噪比中丢失，这至少部分是由COMPAC电压的量化造成的。例如，在图2B的示例中，补偿电路208的分辨率以及相应的COMPDAC电压的量化是70μV，这意味着具有小于70μV的电压的传感器信号不能被ΔΣ调制器200解析。
参考图3，在一些示例中，一阶ΔΣ调制器300可以用于传感器信号的模拟信号处理，例如用于光到频率(light-to-frequency，LTF)转换应用。ΔΣ调制器300包括由运算放大器(OPAMP)304实现的积分器，类似于图2A的ΔΣ调制器200。ΔΣ调制器300在OPAMP 304的第一端接收偏移电压VOS，并输出输出信号VINT。ΔΣ调制器300的反馈回路提供电容CINT。ΔΣ调制器300还包括参考电路302，其提供参考电压VR(也称为增益)和参考电容CR，以生成等于来自传感器的输入电流的电荷。例如，积分器复位阶段用于定义初始条件，其中输出信号VINT被调节为接近参考电压VR。
ΔΣ调制器的满量程电流IFS定义为
其中tclock_mod是来自ΔΣ调制器的时钟时间，并且
V′R＝VR-VOS (2)
由于DAC 308的分辨率极限，在虚拟地上仍然存在一些未补偿的偏移电压VOS，导致ΔΣ调制器300的增益误差。这种情况可以用下面的等式表示:
如上所述，为了解决偏移电压中的波动(例如由于源可变性、热漂移或两者都有)，可以应用自动调零操作来将值为AZ的补偿电压引入到OPAMP304的输入上。然而，补偿电压本身的值也可能受到波动的影响，例如±1LSB(例如，±70μV)，其中LSB是测量电压值的最低有效位。根据所施加的补偿电压AZ和补偿电压的标称值AZ0，上面的等式(3)可以表示如下:
其中IFS是理想增益，使得VOS＝0。
参考图4，所施加的补偿电压的±1LSB波动导致ΔΣ调制器300以三个不同的操作特性400、402、404操作，这取决于补偿电压的施加值相对于标称补偿电压偏移+1LSB、未偏移还是相对于标称补偿电压偏移-1LSB。此外，因为补偿电压的波动是随机的，所以对于每个测量周期，ΔΣ调制器的操作特性是不同的。这些每周期波动表现为在接收的传感器信号(例如光电流)和来自ADC的信号输出之间的关系中的噪声，从而降低了系统的信噪比。在一些示例中，例如对于信号相当于或小于波动值的小光电流，噪声会淹没信号。
对于每个自动调零操作(例如，对于每个测量周期)，补偿电压的值可以由DAC存储。基于该值，可以对于每个测量周期确定补偿电压中的波动是+1LSB、0还是-1LSB。为了进一步补偿补偿电压中的这些波动，可以基于确定的波动值(例如，基于波动是+1LSB、0还是-1LSB)，在每个周期的基础上缩放测量结果。测量结果的这种缩放根据补偿电压的波动进行调整，使测量在各周期内保持稳定，并提高信噪比。
测量结果的缩放可以根据以下等式进行：
其中，ADATA是表现出补偿增益依赖性的未调整测量结果，ADATACOMP是校正的测量结果，AZ是特定测量的补偿电压的值，AZ0是补偿电压的标称值。该等式表明，测量结果的缩放是基于AZ和AZ0之间的偏差以及基于和VR之间的比率(例如ΔΣ转换器的分辨率极限和ΔΣ转换器的增益之间的比率)来执行的。
在某些情况下，例如DAC的精度高于ΔΣ调制器的LSB的情况下，标称值AZ0可以通过对过去多次测量应用的自动调零值求平均来确定。在一些示例中，补偿电压的标称值AZ0可以通过在每次测量之前启动自动调零操作并存储实际应用于测量的所得AZ值来确定。标称值AZ0然后可以通过对N次测量中应用的AZ值求平均来估计。在一些示例中，标称值AZ0可以通过在每次测量之前启动N次自动调零操作、并且通过对这N次自动调零操作的AZ值求平均来估计标称值AZ0来获得。
在一些示例中，标称值AZ0可以是温度相关的，例如，与温度线性相关。当在给定温度下确定AZ0的值时，可以基于AZ0和温度之间的关系，例如基于线性关系，来确定不同温度下的AZ0的值。
值被称为自动调零增益误差系数KR，并用作缩放因子。在一些示例中，KR可以通过查找表来确定，该查找表例如通过模拟来创建，将增益误差系数(KR)的值映射到增益VR的相应值。在一些示例中，KR可以通过测量来确定。例如，两个不同的自动调零值AZ和AZ+1可以应用于同一目标，KR可以由以下关系确定:
图5示出了测量输出的示例，其示出了在没有这里描述的自动调零补偿的情况下出现的阶梯状输出500，以及当应用自动调零补偿时的基本恒定的输出502。对于高度敏感的系统，如对皮安或毫微微安电流敏感的系统，消除量化输出特性可以实现对具有相对较低信噪比的此类系统的准确测量。
参考图6A，应用自动调零补偿后，ADC(例如ΔΣ调制器)的输出也更加平滑(曲线602)。相比之下，在没有应用自动调零补偿(曲线600)的情况下，噪声出现在自动调零变化事件中，其表现为ADC输出中的尖峰。再参考图6B，在没有自动调零补偿的情况下，输出的信噪比中也可以看到噪声的存在(曲线610)，而在具有自动调零补偿的情况下，输出的信噪比(曲线612)明显更好。
在使用这里描述的自动调零补偿方法的一阶ΔΣ调制器的操作示例中，积分器复位阶段用于定义初始条件，使得VINT电压被调节为接近增益VR。复位后，例如光电二极管的传感器被连接，并开始对CINT电容进行连续光电流积分。积分器输出与输入电流成线性比例关系。当到达跳变点(例如VR)时，积分器输出处会生成负阶跃(ΔVINT＝VRCR/CINT)。
该电荷平衡反馈循环一直持续，直到达到停止点，例如，直到达到用户编程的时钟周期数。在此期间，执行COMP＝1的计数，以显示ADC转换的结果。本示例中的满量程电流可以计算为IFS＝VRCR/tclock_mod。
在一些示例中，满量程电流可以基于要由传感器通过检测来生成的信号的预期电流来设置。例如，对于目标是检测毫微微安培信号的高灵敏度系统，满量程电流可以设置为例如1pA。为了达到目标满量程电流，可以指定VR和CR值。例如，为了获得1pA的满量程电流，VR值可以设置为例如5-10mV之间。
参考图7，在处理信号的示例方法中，来自传感器的模拟信号被接收到信号处理电路(例如ADC)中(700)。例如，模拟信号可以是来自光电检测器的电流。信号处理电路具有偏移电压。
偏移补偿信号从诸如DAC的补偿电路接收到信号处理电路中(702)。偏移补偿信号的极性与信号处理电路的偏移电压的极性相反，其幅度等于标称补偿值加上偏差。
信号处理电路将偏移补偿信号应用于由信号处理电路生成的中间信号，以生成输出信号(704)。
基于偏移补偿信号和标称补偿值之间的偏差以及基于信号处理电路的增益误差系数来缩放输出信号(706)。例如，增益误差系数可以包括信号处理电路的分辨率极限和信号处理电路的增益之间的比率。
这里描述的自动调零补偿方法可用于智能照明应用中的性能增强。例如，用于颜色测量的传感器可以将这些方法结合到自动调零补偿中，例如，用于家庭或建筑照明、汽车照明或航空照明中的颜色测量和平衡。这里描述的自动调零补偿方法可用于消费类或工业频谱传感器应用，例如利用频谱重构进行颜色测量的多频谱感测。这里描述的自动调零补偿方法可用于诸如农业、流体分析或医疗应用等领域的多频谱感测和分析。
已经描述了许多实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，上面描述的一些步骤可以是顺序无关的，因此可以以不同于所描述的顺序来执行。
其他实施方式也在以下权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种处理模拟信号的方法，所述方法包括:
将偏移补偿信号从补偿电路接收到信号处理电路中，所述偏移补偿信号具有(i)与所述信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性和(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度；
由所述信号处理电路基于接收到的所述信号处理电路中的模拟信号生成输出信号，包括将所述偏移补偿信号应用于由所述信号处理电路生成的中间信号；以及
基于所述偏移补偿信号的所述幅度和所述标称补偿值之间的偏差来缩放所述输出信号，其中缩放数字信号包括基于所述偏差和基于所述信号处理电路的增益误差系数来缩放所述输出信号，
其中所述信号处理电路的增益误差系数包括所述信号处理电路的分辨率极限和所述信号处理电路的增益之间的比率。
2.根据权利要求1所述的方法，包括确定所述补偿电路的增益误差系数。
3.根据权利要求2所述的方法，包括使用将增益误差系数与所述信号处理电路的相应增益相关联的查找表来确定所述增益误差系数。
4.根据权利要求2所述的方法，包括通过测量来确定所述增益误差系数。
5.根据权利要求1所述的方法，包括确定所述偏移补偿信号的所述幅度和所述标称补偿值之间的偏差。
6.根据权利要求5所述的方法，包括基于从所述补偿电路接收的先前偏移补偿信号来确定所述偏移补偿信号的所述幅度和所述标称补偿值之间的偏差。
7.根据权利要求6所述的方法，包括基于所述先前偏移补偿信号的平均值来确定偏差。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将模拟信号接收到信号处理电路包括将所述模拟信号接收到模数转换器中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中将模拟信号接收到信号处理电路中包括将所述模拟信号接收到ΔΣ调制器中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中接收模拟信号包括从光电检测器接收所述模拟信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其中从补偿电路接收偏移补偿信号包括从数模转换器(DAC)接收偏移补偿信号。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述偏移补偿信号的偏差是所述信号处理电路的分辨率极限的正整数或负整数倍。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述偏移补偿信号的偏差是所述信号处理电路的+1最低有效位LSB，0或-1LSB。
14.根据权利要求1所述的方法，包括基于经缩放的输出信号执行频谱分析。
15.一种用于处理模拟信号的系统，该系统包括:
具有增益误差的信号处理电路；
补偿电路，被配置为向所述信号处理电路提供偏移补偿信号，所述偏移补偿信号具有(i)与所述信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性和(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度；
所述信号处理电路被配置为:
基于所接收的模拟信号生成输出信号，包括将所述偏移补偿信号应用于由所述信号处理电路生成的中间信号；以及
耦合到存储器的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器和存储器被配置为基于所述偏移补偿信号的幅度和所述标称补偿值之间的偏差来缩放来自所述信号处理电路的输出信号，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为基于所述偏差和基于所述补偿电路的增益误差系数来缩放所述输出信号，
其中所述补偿电路的增益误差系数包括所述信号处理电路的分辨率极限和所述信号处理电路的增益之间的比率。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为确定所述补偿电路的增益误差系数。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为使用将增益误差系数与所述信号处理电路的相应增益相关联的查找表来确定所述增益误差系数。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为通过测量来确定所述增益误差系数。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为确定所述偏移补偿信号的幅度和所述标称补偿值之间的偏差。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述信号处理电路包括模数转换器。
21.根据权利要求15所述的系统，其中所述信号处理电路包括放大器。
22.根据权利要求15所述的系统，其中所述信号处理电路包括ΔΣ调制器。
23.根据权利要求15所述的系统，包括传感器。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述传感器包括光电检测器。
25.根据权利要求15所述的系统，其中所述补偿电路包括数模转换器(DAC)。
26.一种用于执行频谱分析的系统，所述系统包括:
光电检测器，被配置为响应于光信号的接收来输出模拟信号；
信号处理模块，包括:
具有增益误差的信号处理电路；
补偿电路，被配置为向所述信号处理电路提供偏移补偿信号，所述偏移补偿信号具有(i)与所述信号处理电路的偏移电压的极性相反的极性和(ii)等于标称补偿值加上偏差的幅度；
所述信号处理电路被配置为:
基于所接收的模拟信号生成输出信号，包括将所述偏移补偿信号应用于由所述信号处理电路生成的中间信号；以及
耦合到存储器的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器和存储器被配置为:
基于所述偏移补偿信号的幅度和所述标称补偿值之间的偏差来缩放来自所述信号处理电路的输出信号，其中所述一个或多个处理器和存储器被配置为基于所述偏差和基于所述补偿电路的增益误差系数来缩放所述输出信号，其中所述补偿电路的增益误差系数包括所述信号处理电路的分辨率极限和所述信号处理电路的增益之间的比率；以及
基于所述输出信号执行频谱分析。
27.根据权利要求26所述的系统，其中执行频谱分析包括执行环境颜色测量。
28.根据权利要求26或27所述的系统，其中所述系统包括智能照明系统。
29.根据权利要求26或27所述的系统，其中所述系统包括农业分析系统。
30.根据权利要求26或27所述的系统，其中所述系统包括流体分析系统。
31.根据权利要求26或27所述的系统，其中所述系统包括医学分析系统。
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