CN115461998A - 用于减少多距离材料测量中的传递效应的变范围系统和方法 - Google Patents

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CN115461998A CN202180031617.8A CN202180031617A CN115461998A CN 115461998 A CN115461998 A CN 115461998A CN 202180031617 A CN202180031617 A CN 202180031617A CN 115461998 A CN115461998 A CN 115461998A
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Abstract

一种测量系统包括：增益链，所述增益链被配置为放大模拟输入信号；范围选择器，所述范围选择器被配置为选择所述模拟输入信号与来自多个模数转换器(ADC)的多个ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有路径，并且每条输出路径的增益由所述增益链中的多个增益级组成；以及混合器，所述混合器被配置为将所述多个ADC输出组合成单个混合输出。

Description

用于减少多距离材料测量中的传递效应的变范围系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求授予Fortney的、于2020年4月28日提交的“ADVANCED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/016,747；授予Fortney的、于2020年6月3日提交的“ADVANCED DIGITAL-TO-ANALOG SIGNAL GENERATIONSYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/034,052；以及授予Fortney的、于2020年7月28日提交的“SYNCHRONOUS SOURCE MEASURE SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/057,745的优先权，这些临时专利申请中的每一个通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开涉及测量系统和方法。更具体地，它涉及避免由测量中使用的电子器件的变范围变化引起的毛刺或误差。更一般地，它涉及信号来源和信号测量的电子器件、分析仪器、软件和基础设施。本公开还涉及在可能造成高水平噪声和干扰的挑战性实验条件下测量用于材料和器件表征和其他应用的信号的系统。
背景技术
材料和器件特性测量(例如，诸如霍尔、迁移率和载流子浓度这样的电子传输特性)通常需要连续测量几十倍或几十个数量级的特性变化。捕捉这一点需要从一组分析电子器件切换到另一组，不同的电子器件被配置用于测量特性的不同范围(例如，几十倍或几十个数量级)。该切换造成测得信号中的毛刺和/或间隔。它还以其他方式(诸如，造成可能影响测量的瞬变)干扰数据收集过程。
模数转换器(ADC)在这些测量系统中的用于进行测得信号的放大、滤波、采样和数字化的电子器件中起到关键作用。因此，ADC信号处理必须针对操作条件(包括测量的特性范围)进行仔细配置。然而，针对一个范围仔细配置ADC系统有可能致使其不适合其他范围。这可能导致错误，特别是当特性在不同范围之间变化时。选择性放大可以解决这些误差。然而，放大器引入其自身的误差。这些误差源于放大器噪声、偏移、增益误差和相位失配。另外，在多个范围内仔细配置增益需要灵活性，而这是大多数放大系统所缺乏的。小信号需要大增益来提高分辨率和噪声性能。当信号在测量过程中变大时，相同的大增益可造成ADC饱和。这可能造成失真和信号损失。
为了增加配置增益的灵活性，可以打开和关闭放大器级，或者打开和关闭信号链。在任何给定时间，打开的放大器是针对当前信号范围配置的放大器。当信号进入另一范围时，系统切换到针对新范围配置的另一个放大器链。然而，在过渡期间，测量中的毛刺和不连续性经常显现。
图1示出了在常规变范围测量中的效应。具体地，图1示出了常规变范围数据104，其中当测得信号增大通过从较低范围r1到较高范围r2的过渡tTR时产生不连续D。图2示出了可造成图1中示出的不连续D的常规变范围设置120的示例。常规变范围设置120包括两个增益链A和B。增益链A专用于并被配置用于较低范围r1(图1)。具体地，放大器增益GA和ADC A二者被配置用于较低范围r1。增益链B专用于并被配置用于较高范围r2(图2)。这意味着放大器的增益GB和ADC B被配置用于r2。
当测得信号小(即，在较低范围r1中)时，变范围设置120的通道选择组件122选择增益链A。在测得信号朝向较高范围r2增大并且在tTR处在范围之间过渡时，通道选择组件122接合电子增益链B。以这种方式，通道选择组件122试图确保测量系统已在两个不同范围内配置增益。然而，如图1中示意性示出的，过渡tTR可在测得数据中引入不连续D。这是因为，增益链A和B之间的切换可能引入由“预热”或开始使用专用于在过渡到的范围内进行测量的器件导致的瞬态信号、噪声或毛刺。
不连续D导致两种类型的变范围误差。当两个范围(例如，r1和r2)具有不同配置的放大器属性(分别为A和B)时，出现这些误差。在第一类误差中，放大器属性失配造成测得输出电压中不必要的幅度不连续或跳变(ΔV)。在第二类即时间数据不连续性中，在范围之间的过渡期间，数据流可能被切断。在图1中，这显现出从tTR到tB的时间段中的数据间隔。当改变范围涉及“预热”或使用新的电子器件(尤其是与属性B相关联的放大器)时，发生时间数据不连续。在这些瞬变消散之前，收集数据是不准确或不可能的。来自与放大器属性A相关联的放大器的冷却或关闭的瞬变也可造成测量系统中的延迟或毛刺。
配置设置(比如120)以消除不连续D是困难的或不可能的。配置因部件(GA、ADC A、GB和ADC B)的简单性和缺乏可变性而受到限制。因此，迫切需要用于即使测得信号变化几十倍或几十个数量级也提供鲁棒、高质量、低噪声源或低噪声测量信号的新型的改进解决方案。迫切需要如图1中所示的用于减少或消除这种不连续的、提供范围之间的更平滑过渡的灵活的解决方案。
发明内容
本公开的方面包括一种测量系统，所述测量系统包括：增益链，所述增益链被配置为放大模拟输入信号；范围选择器，所述范围选择器被配置为选择所述模拟输入信号与来自多个模数转换器(ADC)的多个ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有路径，并且每条输出路径的增益由所述增益链中的多个增益级组成；以及混合器，所述混合器被配置为将所述多个ADC输出组合成单个混合输出。
所述多个ADC可以包括第一ADC和第二ADC。可以根据下式来执行组合所述多个ADC输出：混合输出＝αEfirst+(1-α)Esecond，其中：Efirst可以是所述第一ADC的输出，Esecond可以是所述第二ADC的输出，并且α是从1到0变化的混合参数。所述系统可以包括两个或更多个ADC。所述增益链的第一部分可以连接到所述多个ADC中的第一ADC，并且所述增益链的第二部分可以连接到所述多个ADC中的第二ADC。所述范围选择器可以从所述增益链的所述第一部分选择所述多个ADC中的第一ADC的增益，并从所述增益链的所述第二部分选择所述多个ADC中的第二ADC的增益。所述增益链中的增益级中的每一个可以经由一个或更多个开关组连接到所述多个ADC中的每一个。所述范围选择器可以通过设置所述一个或更多个开关组中的开关来选择所述多个ADC中的第一ADC的共享增益级的第一部分以及所述ADC中的第二ADC的共享增益级的第二部分。所述范围选择器可以包括第一多路复用器和第二多路复用器。所述第一多路复用器可以选择所述共享增益级的第一部分。所述第二多路复用器可以选择所述共享增益级的第二部分。
选择所述共享增益级的第一部分可以包括针对所述多个ADC中的第一ADC配置增益，并且选择所述共享增益级的第二部分可以包括针对所述多个ADC中的第二ADC配置增益。针对所述多个ADC中的第一ADC和第二ADC配置增益可以包括根据所述输入信号的至少一个范围来配置增益。所述混合器可以被配置为当所述输入信号可以在第一范围内时，选择来自所述第一ADC的输出作为所述单个混合输出。所述混合器可以被配置为当所述输入信号可以在第二范围内时，选择来自所述第二ADC的输出作为所述单个混合输出。所述混合器可以被配置为当所述输入信号可以在所述第一范围和所述第二范围之间时，选择来自所述第一ADC和所述第二ADC的输出的混合作为所述单个混合输出。
当所述输入信号可以在所述第一范围内时，所述系统可以在第一过渡时段期间保持所述第二ADC在线。当所述输入信号可以在所述第二范围内时，所述系统可以在第二时段期间保持所述第一ADC在线。所述范围选择器可以被配置为基于所述输入信号的预期范围针对所述第一ADC和所述第二ADC中的至少一个配置增益。在滞后时段期间，所述系统可以保持所述第一ADC离线。所述系统可以保持所述第二ADC在线。所述系统可以保持所述第二ADC的增益恒定。所述滞后时段可以在所述第一过渡时段和所述第二过渡时段之间。
所述多个ADC输出路径可以包括两条ADC输出路径，所述两条ADC输出路径能被独立地配置成高范围路径和低范围路径。所述低范围路径可以具有用于转换所述模拟输入信号的第一增益。所述高范围路径可以具有用于转换所述模拟输入信号的第二增益。所述第二增益可以低于所述第一增益。所述路径可以包括混合器件，所述混合器件被配置为将较低范围的输出与较高范围的输出组合。所述系统可以包括器件，所述器件被配置为变化由所述低范围路径和所述高范围路径组合的增益的量。所述高范围路径可以连接到第一增益链并且所述低范围路径可以连接到第二增益链。所述系统可以包括用于针对所述第一增益选择所述第一增益链的增益级并且针对所述第二增益选择所述第二增益链的增益级的选择器。所述第一增益和第二增益中的每一个可以包括所述低范围路径和所述高范围路径共用的增益链中的增益级。每条输出路径的增益可以基本上相同。所述混合器可以对来自每条路径的输出求平均，以减少单个输出中的噪声。
本公开的方面还可以包括一种方法，所述方法包括：使用增益链来放大模拟输入信号；选择所述模拟输入信号与来自多个模数转换器(ADC)的多个ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有路径，并且每条输出路径的增益可以由所述增益链中的增益级组成；以及将所述多个ADC输出组合成单个混合输出。
所述增益链的第一部分可以连接到所述多个ADC中的第一ADC，并且所述增益链的第二部分可以连接到所述多个ADC中的第二ADC。所述增益链中的增益级中的每一个可以经由一个或更多个开关组连接到所述多个ADC中的每一个。所述方法还可以包括将两条ADC输出路径独立地配置成高范围路径和低范围路径。所述方法可以包括应用来自所述低范围路径的第一增益以转换所述模拟输入信号。所述方法可以包括应用来自所述高范围路径的第二增益以转换所述模拟输入信号，所述第二增益低于所述第一增益。所述方法可以包括将较低范围的输出与较高范围的输出组合。所述方法可以包括变化由所述高范围路径和所述低范围路径组合的增益的量。
附图说明
图1示出了对于由没有无缝变范围能力的典型测量系统收集的数据的范围过渡效应。
图2示出了可造成图1中示出的不连续D的常规变范围设置120的示例。
图3将具有无缝(连续)变范围302的电压测量与由缺乏无缝变范围能力的传统设置104(来自图1)进行的相同测量进行比较。
图4是经由双放大链实现无缝变范围的一个变型400。
图5示出了根据本公开的各方面的另一示例性放大链500。
图6A提供了根据本公开的各方面的自动变范围算法600的示意性示例。
图6B示出了对应于自动变范围算法600的测量数据。
图6C以流程图的形式示出了算法600。
图6D以流程图的形式示出了另一自动变范围算法620。
图7A示出了根据本公开的各方面的在使用多个ADC(即，ADC A708a和ADC B 708b)时共享增益级的另一变型700。
图7B示出了变型700的测得信号750a在tTR处的r1/r2过渡处表现出幅度752的不连续性。
图8示出了根据本公开的各方面的将前置放大器(pre-amp)804a放置于增益链700c之前和/或将前置放大器804b放置在两条路径之一中的另一变型800。
图9示出了根据本公开的各方面的、目的是消除或减少不连续752的插值算法910。
图10A示出了按照本公开可以使用的增益选择的广义变型1000。
图10B示出了可以使用变型1000创建的示例性增益路径(增益路径A)。
图10C示出了包括两个变型(高范围和低范围变型)的变型1000的另一增益路径(增益路径B)。
图11示出了根据本公开的各方面的包括通过经由增益级选择器1116a-1116n进行的可变增益选择的另一变型1100。
图12A是可以由范围混合器410、510、710、1010和1110执行的示例性混合和自动变范围算法1200的示意图。
图12B示出了可以由范围混合器410、510、710、1010和1110执行的非对称自动变范围算法1250。
图13A示出了表示可以由范围混合器410、510、710、1010和1110在实现本文公开的算法(例如，600、620、910、1200和1250)时执行的范围变化预期算法1300的流程图1300。
图13B示出了流程图1300的另一部分。
图13C示出了流程图1300的另一部分。
图14示出了范围混合算法1400的示例性实现方式。
图15图示了可以使用变型400、500、700、800、1000、1100和算法600、620、910、1200、1250、1300和1400的示例性头单元1550和示例性测量盒1560之间的测量信号链1500。
图16示出了根据本公开的各方面的、其中头单元1550可以具有可以支持三个测量类型盒1560a和三个源类型盒1560b的六个通道的另一示例性变型1600。
具体实施方式
本公开引入了可以在宽动态范围内以相对极小的误差、噪声或毛刺适应测量的系统和方法。这里的“毛刺”是指可对测量或操作产生负面影响的意外的不规则或不一致。本文公开的变型以多种不同的方式实现这一点。一种方式是针对单独的范围分别动态地配置增益链。另一种是通过混合单独的范围的增益属性来将各个范围拼接在一起。又一种是引入可以被动态分配给单独范围的共享增益级。这些和更多的方式在本文通常被称为“无缝变范围”。下面，更详细地讨论它们。
图3将根据本公开的具有无缝变范围的电压测量302与由缺乏无缝变范围能力的常规设置104进行的相同测量进行比较。图3示出了在范围过渡Δt内的测得数据104中的不连续D。这是因为使用了具有不同测量属性(例如，精度、增益等)的不同组的器件来测量范围r1和r2中的数据。如讨论的，系统120中的范围r1和r2之间的切换可涉及由“预热”或开始使用专用于在过渡到的范围(r2)内进行测量的器件导致的瞬变信号、噪声或毛刺。
图3还示出了如何通过本文描述的无缝变范围能力来使过渡Δt平滑(连续变范围测得数据302)。该平滑效应在图3中被表示为通过连续变范围数据302避免不连续D。虽然在图3的背景下仅讨论了两个示例性范围r1和r2，但要理解，连续变范围技术可以应用于与特定测量相关的任何适当数量的范围。例如，在某些情况下，范围的数量可以是三个、四个或更多个。在这些情况中的每一种下，可以配置连续变范围，以确保每个范围变化之间的平滑过渡，而不管范围变化的方向如何(即，不管范围变化涉及测得值的增大(如图3中所示)还是减小(未示出))。
连续变范围使用可以独立和/或同时应用的单独的信号放大/增益链来处理两个范围r1和r2。举例来说，下面将在图4和图5的背景下讨论具体的实现方式。单独地和/或同时地处理各范围r1和r2允许基于通过活动的放大变化收集的数据来配置非活动的或“冷的”范围(即，目前在测量中没有采用的范围，例如，当t<tTR时的范围r2或当t>tTR时的范围r1)的放大链。在活动的范围测量的同时保持非活动的或冷的范围的放大链在线可以避免非活动的范围最终接合时的启动瞬变。它还允许“范围混合”，其中组合地应用针对每个范围的增益链以便在从范围r1到r2(反之亦然)的过渡Δt内的数据平滑变化。即，来自这两个范围的放大链可以被同时应用，以使范围过渡Δt内的数据平滑。例如，这可以经由软件混合器来完成，和/或然后可以从r1平滑过渡到r2，反之亦然。
图4是经由双放大链实现无缝变范围的一个变型400。如图4中所示，较低增益链402(即，具有较低放大率的增益链)和较高增益链404(即，具有较高放大率的增益链)除了以下之外是相同的：1)不同的ADC(分别为408a和408b)和2)较高增益链404中的附加放大器406，为它赋予比较低增益链402高的增益。来自ADC 408a和408b的输出由混合器410组合，并用在用于范围测量的测量盒104的获取例程中。在链400中，组合可以通过因子α进行加权。可以动态地选择因子α，以便确保在变范围过渡Δt内的平滑过渡(例如，使用范围混合来避免图3中的不连续D)。虽然因子α可以由用户设置，但它通常通过变范围算法(例如，下面更详细讨论的算法600、650、910、1200、1250、1300和1400)来设置。
图5示出了用于无缝变范围的另一示例性放大链500。链500包括除了以下之外相同的较低增益部502和较高增益部504：1)不同的ADC(分别为508a和508b；2)较高增益部504中的附加放大器506，为它赋予比较低增益部502高的增益；和3)较低增益部502和较高增益部504分别经由多路复用器514a和514b连接到增益级512。
如图5中所示，可以分别经由多路复用器514a和514b选择从增益级512a和512b供应到较低增益部502和较高增益部504的放大。以这种方式，链500可以使用比链400更少的专用放大器来向混合器510提供组合。对较低增益部502和较高增益部504使用相同的增益级512a和512b(以及放大器)不仅是更有效。它还可以在系统中引入较少的可由不同放大器之间的毛刺或不兼容而引起的噪声。例如，每个放大器都可能有瞬变，当其持续使用时，无论应用的范围是什么，都可以避免该瞬变。由放大器512a和512b造成的任何特征、变范围问题或误差将出现在其应用的所有范围中。如下面更详细讨论的，这可以确保测得数据的总体趋势和行为的一致性和平滑性，这些方面在材料测量中通常比测得幅度精确更重要。
与链400的情况一样，链500、混合器510中的组合可以通过因子α进行加权。可以动态地选择因子α，以便确保在变范围过渡Δt内的平滑过渡(例如，使用范围混合来避免图3中的不连续D)。虽然因子α可以由用户设置，但它通常通过变范围算法(例如，图6A中示出的算法600)来设置。可以通过本文描述的与增益、链或信号混合相关的任何方法来设置α。
在包括链400和500以及其他的变型中，无缝变范围可以包括自动变范围。图6A提供了可以与例如变型400和500中的无缝变范围结合使用的自动变范围算法600的图示。图6C以流程图的形式示出了算法600。
在图6B中示出的测得信号650从范围r1、r2和r3改变增大时，算法600改变范围。信号650在t＝tTR(1-2)从范围r1过渡到r2并且在tTR(2-3)从范围r2过渡到r3。图6A示出了在这些过渡内算法600在应用专用于范围r1、r2和r3的增益链方面的响应。
如图6A和图6C中所示，在从r1过渡到r2(tTR(1-2))之前的时段602期间，算法600提供针对100％r1配置的增益(例如，从图4的链400中的较高增益部404提取以向两个范围中的较低范围提供较高增益)。图6A和图6C还示出了在测得信号接近过渡tTR(1-2)时，算法600混合r1和r2的增益属性(例如，从较高增益部404和较低增益部404提取)。该过渡前r1/r2混合时段被标记为604。如以上讨论的，混合避免了r1/r2范围过渡期间数据中的毛刺和/或间隔。在tTR(1-2)的r1/r2过渡之后，算法600在不混合的情况下应用r2增益(例如，从图4的链400中的较低增益部402提取)。图6A、6B和6C示出，算法以相同的方式(即，首先在时段608期间混合针对r2和r3的增益属性，然后仅在时段610期间提供r3配置的增益)在tTR(2-3)从r2变为r3。
图6A还示出了时段606(仅r2)期间的滞后612的区域。在滞后612期间，没有预期的变范围(即，仅增益链的一个增益部是活动的，在这种情况下为针对r2的增益链)。滞后期间应用的增益也可以是恒定的。这避免了由于噪声或信号变化而在范围之间来回切换。一旦测得信号650的边缘接近r3，滞后时段612就结束。时段614表示通过接合针对r3的增益链(未示出)而预期的从r2到r3的范围变化的时段。与r3对应的增益链在614期间被接合，既是出于校准的目的又是为了避免瞬变，如以上讨论的。尽管没有针对r1/r2过渡示出滞后或预期范围向上部变化，但要理解，其也可以应用于该过渡。
尽管图6A示出了在测得信号增大时算法600的操作，但要理解，随着测量信号减小(例如，从较高范围r3到较低范围r2，然后到最低范围r1)，算法以相同的方式应用。这是经由图6D中的流程图620示出的。在这种情况下，算法600将具有预期范围向下时段，而非预期范围向上时段(例如，在tTR(3-2)从r3向下过渡到r2(图620中的步骤624)等)。
尽管图6A、6B和6C示出了处理三个示例性范围r1、r2和r3之间的范围变化的算法600和620，但要理解，它可以以相同的方式处理适于实验的任意数量范围之间的范围变化。算法600和620的其他变型可以包括许多其他算法和/或范围/参数设置以及任何合适数量的范围过渡。
链400和500中的混合器410和510可以分别根据任何合适的混合算法进行操作，以实现图3中示出的的平滑效果(302)。混合器401和501可以是数字的。其可以没有独立校准的需要。在一个变型中，410和510的混合输出可以由类似于以下的算法控制：
输出信号V(对于混合器402或502)＝αEA+(1-α)EB (1)
其中，
EA是第一ADC(ADC A 408a或ADC A 508a)的输出，
EB是第二ADC(ADC A 408b或ADC A 508b)的输出，并且
α是可以例如从1到0变化的混合参数。
要理解，式1不是可以由混合器410和510应用的唯一混合算法。例如，混合器可以简单地对每条路径的输出求平均，以减少噪声。式1对EA和EB的贡献应用线性加权(α)。然而，非线性加权是可想到的并且应该在本公开的范围内考虑。事实上，加权可以包括任何合适的数学形式。示例包括但不限于二次、三次和任何合适的多项式。除了差分方程之外，指数和对数函数也都在本公开的范围内。
加权或混合函数的确切形式应该取决于各种因素，诸如系统中的各种放大器(例如，402、404和512中的放大器以及放大器506)以及诸如ADC(例如，ADC 408a、408b、508a和508b)的其他部件的增益。它还可以取决于电路中使用的混合器401和510的细节。它可以取决于这些部件的以下示例性特性，例如，频率响应、增益值、非线性、对输入变化的灵敏度。另外，参数α不必要如以上的示例中一样从1到0变化。参数α以及混合器410和510采用的任何其他值可以取决于链402、404和512中的增益级以及增益506的细节。它可以包括用于平衡增益和消除或减少不连续D(图3)的任何合适值。
图7A示出了在使用多个ADC(即，ADC A 708a和ADC B 708b)时共享增益级的另一变型700。图7A示出了链700本身的架构。图7B是将链700的响应750a与现有技术的常规变范围系统(诸如120)进行比较的图750。
链700包括两条信号路径700a和700b，包括ADC(分别为ADC A 708a和ADC B 708b)和多路复用器(分别为多路复用器706a和706b)。多路复用器706a和706b从增益链700c中选择增益级704a-704c中的增益级。因此，信号路径700a和700b具有基于这些选择而独立可配置的增益。
传送到路径700a和700b的每个独立可配置的增益可以是分别具有增益A1、A2和A3的放大器704a、704b和704c的输出的任意组合。增益A1、A2和A3中的每一个都可以为1、大于1的任何合适的正值和绝对值大于1的任何合适的负值。尽管可以出于任何原因并基于任何标准来选择增益，但通常由多路复用器706a和706b基于输入信号702的范围来选择增益，以便最好地适应该信号。要理解，许多不同的组合是可能的并在本公开的范围内。
例如，输入信号702可以在由来自增益级704a和704b的组合增益(即，等于A1与A2的乘积的增益)和ADC A 708a最佳放大的范围内。该范围可以例如对应于图6A中需要相对高增益的较低范围r1。在这种情况下，多路复用器706a将选择输入707a来将该增益发送到ADC A 708a。在ADC A 708a中的处理之后，信号被发送到混合器710。在这种情况下，由于ADC A 708a是适当的范围和信号，因此混合器710将仅选择ADC A 708a输入(例如，将式1中的α设置为等于1)。同时，多路复用器706b可以被设置为使得ADC 708b具有针对上部范围r2配置的增益。这可以是比对应于较高信号放大率的较低范围r1低的增益。仅仅举例来说，该较低增益可以是A1。在该示例中，只要输入702在范围r1内，ADC B 708b就不用于生成输出信号712。通常，人们会说路径700b及其相关联的未使用的范围是冷的，因为其没有主动地向混频器710提供输出。然而，即使在冷时，路径700b仍可以运行，以便避免在接通或预热期间发生瞬变。
如果输入信号702增大使得其有在过渡tTR处闭合(closing in)而使ADC A 708a饱和的风险，则ADC B 708b(“冷”范围)可以被接合。与ADC B 708b相关联的路径可以被设置为较高范围(较低增益)。例如，增益级A1(704a)的输出被馈送到ADC B 708b，这将导致ADCB 708b处于比路径700a中的ADC A 708a高的范围(较低增益)。
当输入信号702处于ADC A 708a的期望电平时，混合器710被设置为使得仅输出712仅接收ADC A 708a的贡献。这对应于图3中的远离过渡点tTR的较低范围r1。然而，在输入信号702朝向tTR(以及上部范围r2，针对其配置ADC B 708b)增大时，变得使ADC B 708b更有利地接管处理。在过渡tTR之前，ADC 708b通过开始测量输入信号702而“预热”。在对应于图6A和图6C中的步骤614的该配置中，混合器710仍被设置为使得仅将来自ADC A 708a的信号发送到输出712。一旦输入信号702的ADC B 708b处理中的瞬变消失，混合器710就开始向输出712提供作为来自ADC A 708和ADC B 708b的输出的组合的信号。该混合输出可以是例如根据式1。混合器710逐渐增大来自ADC B 708b的贡献，直到系统很好地处于范围r2中。此时，对应于图6A和图6C中的步骤606，混合器710可以关闭或消除来自ADC A 708a的贡献。这是因为ADC B 708b被配置用于r2。在示例情况下，多路复用器706b被设置为使得ADC B708b接收较低增益(仅A1，与A1与A2的乘积相对)。这对应于输入707b。通过混合来自两条ADC路径700a和700b的信号以平滑D内的过渡(图6A)来生成输出712是无缝变范围。
在这种情况下，分别对于两个范围r1和r2及其范围路径700a和700b的测得信号750a(图7B)，与增益级704a(A1的增益)相关联的特征和/或误差是公共的。因此，范围之间的过渡tTR具有增益共性。这减少了范围之间的差异。在图7B中示意性示出了对测得数据的影响。具体地，图7B示出了700测得的信号750a在范围r1和r2(分别为部分A和B)中如何比现有技术配置测得的相同输出(例如，图1中示出的100)更相似。换句话说，与每个范围(现有技术)中完全不同的增益组相比，在它们测量相同信号(无缝变范围)时测得信号750a更相似。在图7B中，现有技术的系统和无缝变范围系统750a二者对于部分A(范围r1)具有相同的输出。
一旦输入信号702b传递到ADC B 708b，ADC A 708a现在就是冷的。即使在冷时，ADC A 708a的增益仍被配置为预测信号接下来将去哪里。例如，ADC A 708a可以保持在r2配置的范围内，以预期返回到该范围。可替换地，ADC A 708a可以通过以另一增益重新设置多路复用器706b来改变其范围。ADC A 708a可以根据每个信号路径的初始条件在预期信号持续增大或减小的情况下这样做。
如图6D的背景下讨论的，对于减小的输入信号702，可以反向运行上述过渡。换句话说，如果信号702从范围r2减小到r1，则混合器首先将被设置为仅将来自路径700b的贡献馈送到输出712。这是因为，通过将多路复用器708a设置为接收输入707b(较低增益A1)，ADCB 708b被配置用于范围r2。在输入702朝向tTR减小时，ADC 708a被预热并开启，使得瞬变消失。在该级中，混合器712仍被设置为使得输出712仅接收708b的贡献。一旦输入702接近tTR，混合器710就被设置为组合700a和700b的贡献以创建无缝过渡。在输入702超过tTR减小到r1时，混合器710被重置，使得仅针对r1配置的路径(即，包括ADC A 708a的700a)对输出712有贡献。如在以上示例中讨论的，该增益可以是由多路复用器706a设置的A1与A2的乘积。
在具有许多增益级(如700)的系统中，输入信号702可以随着输入信号的增大或减小而在ADC 708a和708b之间来回传递。每次，冷ADC将预期改变的信号所需的范围，如上所述。在该过程期间，在从活动的ADC取得输出的同时，可以改变冷ADC的增益。这导致所期望范围内的恒定输出，并使得由于每个范围内的增益变化而导致的差异减小，如图7B中所示。
图7B示出了测得信号750a在tTR的r1/r2过渡处表现出幅度不连续752。这仅仅是出于例示的目的，可能并不存在于所有实现方式中。不连续752源自以下的情形：针对每个范围r1/r2配置的、应用于路径700a和700b的增益在过渡tTR处略微不兼容。在许多变型中，可以针对每条路径700a和700b调谐增益，以消除不连续752。然而，可能更重要的是配置增益以最好地表示它们各自的范围。在这种情况下，不连续752将是测量电子器件的已知伪影，并可以在测得数据750a的后处理中以多种方式来处理(例如，通过曲线拟合/平滑等)。
图8示出了将前置放大器804a放置在增益链700c之前和/或将前置放大器804b放置在两条路径之一中的另一变型800。图8示出了与ADC B 708b相关联的路径700b中的前置放大器804b。然而，要理解，前置放大器804b也可以放置在与ADC A 708a相关联的路径700a中的类似位置。除了添加前置放大器804a和804b之外，变型800与图7A的变型700相同。
前置放大器804a和804b可以为变型800提供许多益处。例如，前置放大器804a可以缓冲来自变型800中的其他部件的输入信号702。这可以是有利的，因为将输入702直接连接到多个缓冲器或开关元件使性能劣化。这些元件经常向输入702施加偏置电流和开关电容。前置放大器804b可以被放置在与通常需要额外增益的范围相关联的路径(700a或700b)中。例如，这可以是最低范围(例如，图6A中的范围r1)。将额外的增益级“硬连线”到路径之一中使适当增益应用到该路径更简单且更容易。
图9示出了目的是消除或减少不连续752的插值算法910。可以由混合器710(图7和8)针对路径700a和700b二者执行算法910。
在某些应用中，特别是在材料研究中，不连续752本身可能是比其他定量误差来源更大的问题。这尤其适用于测得信号750a的总体特征，总体特征而非其精确测量值对于描述材料特性是最重要的。在许多情形下，可以用相对项或归一化的项来评估测量值，以强调精确幅度中的行为。在这些情况下，混合器710可以对它的来自ADC 708a和708b的两个输入进行插值，以便保持范围r1和r2之间的平滑过渡。这样的插值可以经由式1来执行。它也可以使用用于内插来自ADC 708a和708b的信号的其他合适的数学或信号处理装置来执行。如图9中所示，插值910通常仅在接近过渡时间tTR的时间段920内执行。例如，时间段920可以对应于图3中示出的Δt。然而，要理解，插值910不需要限于任何特定时间段。由于来自两个ADC 708a和708b的每个信号的贡献都是可变的，因此插值910可以在整个测量中执行。
图10A示出了变型1000，变型1000包括用于增益的附加余地，并针对与公共增益链1000c中的多个放大器1004a-1004n相关联的每条路径1000a和1000b进行选择。增益级选择可以在变型1000中由两系列开关组1006a和1006b进行。每个组包括开关，例如，可以将数据转换器(例如，ADC)1008a或1008b与链1000c中的每个增益级连接或断开的开关1014a。这样，每个放大器1004a-1004n可以独立连接。
要理解，开关组1006a和1006b可以以多种合适的方式实现。可以使用固态开关。可替换地，可以使用机械继电器开关。可以使用任何其他合适的切换或连接方法。各个开关(例如，1014a)可以独立地存在和操作。可替换地，它们可以作为集成电路或其他集成器件的一部分来操作。它们可以通过任何合适的手段(包括通过用户输入)触发本文描述的算法(例如，算法600、620和910等)中的任一个。此外，开关组1006a和1006b可以动态地操作，使得馈送到数据转换器1008a和1008b的增益和切换可以动态地改变(例如，在图6A中的范围r1和r2中的任何点处)。
图10A图示了如何可以形成使用公共增益链放大输入信号的增益路径。可以按多个范围来选择每个增益级1014a-1014n之前或之后的公共增益链1000c中的点。在图10A中，可以使用开关装置1006a和1006b和/或控制器来选择公共增益链1000c上的点，并将输入信号传递到顶部数据转换器1008a或底部数据转换器1008b。
如图10A中所示，混合器1010选择或混合来自数据转换器1008a和1008b的输出来馈送到数据输出1012。混合器1010可以以与混合器410、510和710相似或相同的方式操作。例如，混合器1010可以使用式1来混合1008a和1008b的输出。它可以基于混合器410、510和710使用的任何信息(例如，用户输入、算法600等)来这样做。
尽管图10A仅示出了两个转换器，但要理解，变型1000(以及变型500、700和800)可以与任何合适数量的数据转换器一起使用。一个示例性配置是针对每个独立范围分配数据转换器。因此，如果测量包括四个范围(例如，r1-r4)，则可以使用四个独立的数据转换器。
图10A示出了变型1000包括增益链1000c中的任意数量(n个)增益级1004-1004n。通常，1000c中包括的增益级越多，使数据转换器1008a和1008b能够表示特定范围的灵活性越大。在诸如变型1000的许多变型中，n比数据转换器1008m的数量多两倍或更多倍。
尽管图10A示出增益级1004a-1004n看起来是相同或类似的类型，但不一定是这样。在变型中，使用具有不同增益的不同类型的增益级可以是有利的。具有公共增益链1000c的益处是需要校准的系统的部件更少。在常规系统中，需要校准两条完全独立的增益路径。在本公开中，增益级可以独立于范围进行校准。这可以减少校准整个系统花费的时间。
通常，链1000c中的大多数或所有增益级是活动的。在某些情况下，在不使用(例如，不用于生成活动范围或预期范围)时使某些增益级1004a-1004n去激活可以是有用的。例如，某些类型的增益级1004a-1004n不能在不产生误差的情况下很好地处理饱和。在该情况下，一旦检测到饱和风险，这种增益级就将有利地去激活。这样做可以使得过渡能够更快(即，只有当范围能够适当地放大信号时才使该范围活动)。也可以使未使用的范围1004a-1004n去激活，以减少功率消耗、发热等。
图10B示出了可以使用变型1000创建的示例性增益路径(增益路径A)。为了创建增益路径A，开关1014c被接合。这使增益路径A被增益级1004a和1004b(并且没有其他增益级)放大。然后，放大后的信号被发送到数据转换器1008a。然后，通过混合器1010将该路径与另一路径混合，并发送到数据输出1012。在变型中，混合器1010可以仅将来自增益路径A的信号发送到数据输出1012。在其他变型中，它可以通过本文公开的手段或算法(例如，公式、算法600等)中的任一个来混合路径。
图10C示出了包括两个变型(高范围和低范围变型)的另一增益路径(增益路径B)。高变型和低变型二者都使用数据转换器1008b而非转换器1008a。因此，增益路径B可以与增益路径A单独且独立地接合。可以通过混合器1010将增益路径A和B混合在一起，以形成数据输出1012。
增益路径B的较高范围路径包括较小的增益，并可能更适合较高范围(例如，图6A中的r2)。它通过触发使路径仅包括来自一个级(即，1004a)的增益的开关1014f来这样做。通过在开关1014f不被触发的同时触发开关1014h来获得较低范围路径。较低范围路径包括连同增益级1004a一起的两个额外的增益级(即，1004b和1004c)。这使其具有可以更适于较低范围(例如，图6A中的r1)的高得多的增益。
变型1000可以按需要在这些增益路径中的任一个之间切换。它可以例如根据算法600、620和910中的任一个来这样做。例如，由于增益路径A是最低增益，因此变型1000初始地可以使用增益路径A。它可以同时使增益路径B在线，以预热并去除瞬变。在这种情况下，增益路径B将处于其较低范围配置，因为预期测得信号将首先使用该配置，因为它从较低范围(即，与增益路径A相关联的较低范围)增大。随着测得信号持续增大，混合器1010可以混合增益路径A和B，其中增益路径B处于较低范围配置。随着测得信号持续增大，混合器1010可以仅向数据输出1012发送增益路径B。在信号持续增大超过该点时，可以通过1014h关闭和1014f打开的突然转换来触发增益路径B的较高范围配置。这将给予输入信号1002对应于处于最高范围的最小增益量(即，仅来自增益级1004a的增益)。
图11示出了包括由另一装置(即，增益级选择器1116a-1116n)进行的可变增益选择的另一变型1100。变型1100从两个级1104a和1104b当中的增益中选择增益。然而，要理解，这仅仅是示例性的。在1100中，可以包括任何合适数量的(n个)增益级1104。
在变型1000中，每个数据转换器1108a-1108n连接到其自己的增益级选择器1116a-1116n。然而，数据转换器1108共享增益级选择器1116的其他配置也是可能的。
变型1100包括多个(n个，数量可以是大的)数据转换器。通常，可以选择转换器的数量n，使得每个范围有一个转换器。在其他情形下，包括比范围更多或更少的转换器可以是有利的。例如，在测量脉冲输入信号应用时，多个范围/增益级也是有用的。如果输入信号过渡了多个范围，则跨具有不同增益的若干个范围而测量该脉冲可以是有用的。要理解，可以使用任何合适数量(大于或小于n)的增益级。
具有始终在公共增益链中的点处测量的范围可以是有用的，而其他范围在所期望增益之间来回传递信号。一种变型可以使用低成本ADC来以低增益初始化输入信号，并使用该信息来在高质量ADC中快速配置增益。这对于在不同来源之间变化的输入可以是有价值的。具有大的幅度尖峰的输入信号也可能造成测量系统的问题。因此，通过使多个ADC同时测量，当输入处于其“正常”范围时，可以实现精确测量，但仍能够测得信号尖峰。在其他变型中，同时使用不同类型的ADC来测量信号可以使输入受益。高速ADC连同高分辨率ADC一起将使得能够在不牺牲性能的情况下测量和转换不同类型的信号。所有这些变型都可以使用预期算法连同出于其他目的测量输入信号的其他ADC。许多通信信号表现出该类型的信号特性。
如图11中所示，变型1100包括范围混合器1110。范围混合器1110混合数据转换器1108a-1108n的输出以提供给数据输出1112。范围混合器1110可以根据本文公开的任何方法在其他范围混合器的背景下(例如，在范围混合器1010的背景下)混合输出。还可以设计许多不同类型的混合算法来组合不同的范围，以更准确地测量变化的输入信号。
如图11中所示，每个增益级选择器1116a-1116n可以向数据转换器1108a-1108n提供增益级1104a和1104b的任何组合。可以通过本文公开的任何增益选择手段来选择组合，包括通过用户输入、本文公开的算法(例如，600、620和910)中的任一种。
图12A是可以由范围混合器410、510、710、1010和1110执行的示例性混合和自动变范围算法1200的示意图。算法1200混合三个范围A1、A2和A3，如图12A中所示。出于纯粹例示的目的，A1>A2>A3。应该理解，较高增益通常与测得的变量中的较低范围相关联，并且反之亦然。因此，A1>A2>A3的示例性增益配置将最可能对应于以下测量范围配置：r1<r2<r3。在该情形下，最高增益A1将应用于测得数据的最低范围，r1等。图12示出了在测得信号的值减小时(即，在测得信号在从r3到r1的范围中减小时)增益从A3增大至A1(从上到下)。
当测得信号处于最高范围(例如，图6A中的范围r3)时，算法1200应用最低增益A3。在测得信号减小并接近下一个最低范围(即，期望下一个较高增益A2的范围)时，混合器(例如，410、510、710、1010和1110)变得活动。这发生在级1204。在级1204中，混合器组合A3与A2，以平滑过渡。在1206，A3和A2范围之间的过渡完成。混合器仅应用A2。在级1208中，测得数据稳定在A2范围内。这里，级之间的任何切换或者混合器进行的混合是错误的。因此，算法1200应用防止预期范围改变的滞后。这确保了不存在基于数据中的噪声或像差的电子器件的错误切换。在步骤1210中，测得数据进一步减小到接近测量值的最低范围(例如，图6A中的r1)，其中最高增益A1最合适。因此，算法1200“预热”A1增益分布。此时，混合器并没有针对测得信号实际接合A1增益。相反，它被打开以去除可能发生的任何瞬变。在步骤1212中，混合器开始活动地混合A2和A1范围。这是因为测得信号此时足够接近最高增益A1/最低测量范围r1，以平滑过渡。最后，在步骤1214中，测得数据此时稳定在A1范围内。混合器仅提供A1增益。
要理解，尽管已在从增益从最低A3增益增大到最高A1(范围从最高测量范围r3减小到最低测量范围r1)的方面说明了图12A，但图12A是双向的。即，在增益从A1减小到A3(对应于测量数据范围从r1增大到r3)的情况下，算法1200也可以进行。在这种情况下，算法1200将遵循相反顺序的步骤，即，1214-1202。
自动变范围算法对于任何应用都可以不同，不需要是对称或线性的，如图12A中所示。在图12B中示出了非对称变型1250。在图12B中，存在按测得数据的数量级指定的三个范围：10、1和0.1。注意，数字10、1和0.1是指测量变量(例如，电压)的范围的数量级。这与图12A不同，图12A中范围由其增益A1、A2和A3表示。由于增益与测量变量逆相关，因此最低测量范围0.1对应于最高增益(A0.1)。最高测量范围10对应于最低增益(A10)。由于10和0.1范围之间的变化表示测量数据的两个数量级的变化，因此在范围混合时需要格外小心。测得信号在0.1范围内非常小，特别地，它可能容易地无法承受范围混合。因此，算法1250谨慎地应用范围混合。
当测得信号处于最高测量数据范围10时，算法1250应用适于该范围的最低增益(A10)。这是图12B中的级1252。随着测得信号降低并接近下一个最高的测量数据范围1，混合器变得活动。这发生在级1254。在级1254，混合器组合10(A10)和1(A1)范围的增益，以平滑过渡。在1256，10和1范围之间的过渡完成。混合器仅针对1(A1)应用增益。然而，由于1和10范围之间的范围差异非常大，因此针对10(A10)测量数据范围的电子器件保持为热的。虽然没有混合，但混合器准备好按需要在范围之间切换，以防止饱和。在级1258，测得数据稳定地在1范围内，使得不可能切换到范围10。这里，级之间的任何切换或者混合器进行的混合是错误的。因此，算法1250应用防止预期范围变化的滞后。这确保了不存在基于数据中的噪声或像差的电子器件的错误切换。在步骤1260中，测得数据减少到足以接近最低0.1测量数据范围。在该步骤中，混合器接合0.1范围的电子器件但保持它们离线(即，不混合范围)，由此预期范围向下变化。在测得数据持续朝向0.1范围减小时，算法1260进入步骤1262。在该级，混合器主动地组合0.1(A0.1)和1(A1)范围的增益，以平滑过渡至0.1范围。最后，在步骤1264中，测得数据此时稳定在0.1范围内。混合器仅提供与最低0.1测量数据范围相关联的增益(A0.1)。
要理解，尽管已在测量范围从最高10范围到最低0.1测量数据范围降低(增益增大)的方面说明了图12B，但图12B是双向的。即，算法1250也可以在测得数据从范围0.1增大到10并且对应的增益减小的情况下继续。在这种情况下，算法1260将遵循相反顺序的步骤，即，1264-1252。
图13A和图13B示出了表示可以由混合器在实现本文公开的算法(例如，600、620、910、1200和1250)时执行的范围变化预期算法1300的流程图。
算法1300通过初始化输入信号开始。在步骤1302中，测量输入信号。使第一范围A活动用于与步骤1302中的输入信号进行比较。在步骤1304中进行该比较。
如果不期望范围A，则算法1300在步骤1306中确定范围是否太低或太高。如果范围太高，则在步骤1308a降低范围。如果范围A对于测得的输入信号而言太低，则在步骤1308b中增大范围A的增益。无论范围A是升高还是降低，下一步骤1310等待由增益变化引起的任何瞬变效应消散。在瞬变消散之后，算法1300再次执行步骤1302，以测量信号并与针对范围A的修改后的增益进行比较。
当步骤1304确定与范围A相关联的增益对于测得信号而言是期望的时，算法1300前进至步骤1312。在步骤1312中，算法预期从范围A改变到新范围B。它“预热”与新范围B相关联的电子器件。在步骤1314中，算法1300基于其对新范围B和测得输入的评估来启动输入。在步骤1316中，算法1300测量范围A和B二者中的输入。在步骤1318中，算法1300选择范围A和B当中的对于测得输入而言最佳的范围为活动的(即，用于测量输入的)。
然后，算法1300开始基于测得输入和电流范围A和B而决定切换阈值的过程。在步骤1320中，算法1300确定活动范围是否小于下范围切换阈值。如果活动范围小于下范围阈值，则算法1300执行步骤1322以确定范围A和B当中的冷范围或未使用范围是否在较低范围。如果冷范围A或B在较低范围，则算法1300前进至步骤1324以启动混合。如果冷范围A不是较低范围，则算法1300在步骤1326中将冷范围设置为较低范围，然后前进至步骤1324，以启动混合。
如果算法1300在步骤1320中确定活动范围不小于下切换阈值，则它前进至步骤1328。在步骤1328中，算法1300确定活动范围是否大于上切换阈值。如果是，则算法1300前进至步骤1330以确定范围A和B当中的冷范围或未使用范围是否是较高范围。如果冷范围A或B在较高范围，则算法1300前进至步骤1324以启动混合。如果冷范围A不是较高范围，则算法1300在步骤1332中将冷范围设置为较高范围，然后前进至步骤1324以启动混合。
如果算法1300发现活动范围不小于下切换阈值(步骤1320)并发现它也不大于上开关阈值(步骤1328)，则算法前进至步骤1334。在步骤1334中，算法1300应用滞后以防止范围改变。这是因为，测得信号不在范围改变上阈值或下阈值内。因此，任何改变范围的决定都将基于数据中的错误噪声或毛刺。一旦应用滞后，算法就前进至步骤1324，以启动混合。
在步骤1324中，算法1300开始步骤以启动混合。第一个步骤是确保冷范围被安排好。如果冷范围已安排好，则系统准备好进行混合。然后，算法1300前进至步骤1326，以确定是否在范围内混合。如果决定混合，则算法1300在步骤1328中混合范围，然后在步骤1330中提供混合信号作为输出。如果决定不混合，则算法在步骤1332中将输出设置为活动范围。如果冷范围没有安排好，则算法1300从步骤1324前进至步骤1332以将输出设置为活动范围。在1332中将输出设置为活动范围之后，接着在步骤1330中输出信号。
变范围不需要完全由算法完成。这也可以经由硬件实现。图14示出了输入一个这样的示例性硬件变型1400的参数。在1400中，存在能够测量所称范围的“主”通道以及具有较小增益的“辅助”通道。在每次变范围更新时，可以使用主通道上的满标度指示的百分比来确定如下的行为：
Figure BDA0003913423740000231
Figure BDA0003913423740000241
表1：机械变范围算法1400的参数
图14示出了范围混合算法1400对于不同输入电平将如何表现。更具体地，图14示出了算法1400将如何基于输入(即，范围、范围列举、输入电压、启用前置放大器、启用级B、启用级C、通道A增益和通道B增益)来混合(即，“混合”)不同的通道增益A和B。输入是针对两个增益通道A和B以及两个采样级B和C。“范围列举”是特定范围的整数表示(即，10V范围为“0”，1V范围为1，100mV范围为2，等等)。
图15图示了可以使用变型400、500、700、800、1000、1100和算法600、620、910、1200、1250、1300和1400的示例性头单元1550和示例性测量盒1560之间的测量信号链1500。尽管图15示出了系统1500中无缝变范围的特定方面，但应该理解，系统1500可以适应本文公开的任何变型。
如图15中所示，头1550包括测量通道1502。在示例性情况下，存在两个输入测量通道，一个用于范围A并且一个用于范围B，每一个都具有其相关联的ADC。注意，在一些变型中，每个测量单元1560将具有与头1550通信的相关联配置1500。这意味着具有三个测量盒1560的变型可以具有六个ADC。要理解，根据特定测量和可以显著大于两个(例如，三个、四个或更多个)的所涉及范围的数量，任何合适数量的测量通道都是可能的。可以经由多个可变放大器1520和模拟滤波器1504从测量盒1560获得测量通道1502，如图15中所示。可以如图10至图12中的增益1520a-1520c的背景下描述地设置放大器1520上的增益。通道1502可以与范围混合信号1508组合1506，并经由锁相被发送以用于解调1510。解调可以已知参考信号(例如，参考(锁相)和参考+90度(锁相)1512)并经历数字滤波器1514以进行信号细化。
信号可以以任何多种方式(包括DC、AC或锁相处理)来处理。可以基于测量样本信号的峰值做出范围决定，无论出于测量的缘故正在执行什么其他处理。这是因为，峰值是可造成放大器过载的值。如图15中所示，范围混合器1508还可以提供针对最终反馈到放大器1520和模拟滤波器1504以具体地相对于范围A和B中的每一个调整测量样本信号的增益和处理的范围和设置1516的输出。范围混合器1508可以在范围混合器410、510、710、1010和1110的背景下如上所述地执行。该过程被称为连续测量变范围和/或变范围混合。其目的是确保防止在测量盒1560必须改变其采集参数以针对测量样本信号的范围改变而进行调整时原本会出现的毛刺或测量不一致。
测量盒1560还可以包括能够执行各种功能的数字(非模拟)电路，功能包括分析、数据通信、命令信息、功率调节、定时以及与外部器件的通信。在变型中，测量盒1560具有在执行测量或提供源信号时使该非模拟电路去激活的能力。这样做减少了信号或测量中的干扰和噪声的量。出于同样的原因，测量盒1560中的数字信号可以与源盒1560和头1550隔离。
系统1500的其他变型包括任何合适数量的头1550、源盒和测量盒1560。例如，图16示出了其中头单元1550可以具有可以支持三个测量类型盒1560a和三个源类型盒1560b的六个通道的另一示例性变型1600。在该变型中，头1550还被示出为连接到可选计算机1602和三个示例性样本或待测试器件(DUT)1570。同样，该配置仅仅是示例性的。不需要测量盒1950a和源盒1950b的数量相等。例如，一个源1950a可以为所有三个DUT 1570提供激励信号。
虽然本发明的各种发明方面、构思和特征可以在本文被描述和例示为在示例性实施例中组合地实施，但这些不同方面、构思和特征可以要么独立地要么以其各种组合和子组合用于许多替代实施例中。除非在本文明确排除，否则所有这种组合和子组合旨在落入本发明的范围内。进一步地，虽然可以在本文描述关于本发明的各个方面、构思和特征的各种替代实施例——诸如，替代材料、结构、配置、方法、电路、器件和组件、软件、硬件、控制逻辑、关于形式、配合和功能的替代等，但这种描述并不旨在是可用替代实施例的完整或详尽列表，无论是目前已知的还是以后开发的。本领域的技术人员可以容易地将本发明的发明方面、构思或特征中的一个或更多个用到本发明范围内的附加实施例和用途中，即使这样的实施例在本文没有明确公开。
另外，即使本发明的某些特征、构思或方面可以在本文被描述为优选布置或方法，这种描述也并不旨在暗示需要或必须有这种特征，除非明确说明。另外，可以包括示例性或代表性的值和范围，以帮助理解本公开，然而，这种值和范围将不以限制含义解释，只有在明确说明时，才旨在成为临界的值或范围。另外，可以包括示例性或代表性的值和范围，以帮助理解本公开，然而，这种值和范围将不以限制含义解释，只有在明确说明时，才旨在成为临界的值或范围。标识为“大致”或“约”指定值的参数旨在包括指定值和在指定值的10％内的值二者，除非另外明确说明。另外，要理解，本申请所附的附图可以但不需要按比例绘制，因此可以被理解为教导附图中明显的各种比率和比例。此外，虽然各个方面、特征和构思可以在本文被明确标识为发明性的或形成发明的一部分，但这种标识不旨在是排他性的，而是可以存在在本文完全描述的发明方面、构思和特征，而没有被明确标识为此或特定发明的一部分，替代地，本发明在所附权利要求中阐述。示例性方法或过程的描述不限于包括所有情况下需要的所有步骤，步骤呈现的次序也将不被解释为需要或必要，除非明确说明。

Claims (24)

1.一种测量系统，包括：
增益链，所述增益链被配置为放大模拟输入信号；
范围选择器，所述范围选择器被配置为选择所述模拟输入信号与来自多个模数转换器ADC的多个ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有路径，并且每条输出路径的增益由所述增益链中的多个增益级组成；以及
混合器，所述混合器被配置为将所述多个ADC输出组合成单个混合输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述多个ADC包括第一ADC和第二ADC；以及
根据下式来执行组合所述多个ADC输出：
混合输出＝αEfirst+(1-α)Esecond
其中：
Efirst是所述第一ADC的输出；
Esecond是所述第二ADC的输出；并且
α是从1到0变化的混合参数。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，包括两个或更多个ADC。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，进行以下中的至少一个：
增益链的第一部分连接到多个ADC中的第一ADC，并且所述增益链的第二部分连接到所述多个ADC中的第二ADC；以及
所述多个ADC包括至少两种类型的ADC。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述范围选择器从所述增益链的所述第一部分选择所述多个ADC中的第一ADC的增益，并从所述增益链的所述第二部分中选择所述多个ADC中的第二ADC的增益。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述增益链中的增益级中的每一个经由一个或更多个开关组连接到所述多个ADC中的每一个。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述范围选择器通过设置所述一个或更多个开关组中的开关来选择所述多个ADC中的第一ADC的共享增益级的第一部分以及所述ADC中的第二ADC的共享增益级的第二部分。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述范围选择器包括第一和第二多路复用器，并且
其中，所述第一多路复用器选择所述共享增益级的第一部分；并且所述第二多路复用器选择所述共享增益级的第二部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，选择所述共享增益级的第一部分包括针对所述多个ADC中的第一ADC配置增益，并且选择所述共享增益级的第二部分包括针对所述多个ADC中的第二ADC配置增益。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，针对所述多个ADC中的第一ADC和第二ADC配置增益包括根据所述输入信号的至少一个范围来配置增益。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述混合器被配置为：
当所述输入信号在第一范围内时，选择来自第一ADC的输出作为所述单个混合输出；
当所述输入信号在第二范围内时，选择来自第二ADC的输出作为所述单个混合输出；以及
当所述输入信号在所述第一范围和所述第二范围之间时，选择来自所述第一ADC和所述第二ADC的输出的混合作为所述单个混合输出。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统：
当所述输入信号在所述第一范围内时，在第一过渡时段期间保持所述第二ADC在线；以及
当所述输入信号在所述第二范围内时，在第二时段期间保持所述第一ADC在线。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述范围选择器被配置为基于所述输入信号的预期范围针对所述第一ADC和所述第二ADC中的至少一个配置增益。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，在滞后时段期间，所述系统：
保持所述第一ADC离线；
保持所述第二ADC在线；以及
保持所述第二ADC的增益恒定。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述滞后时段在所述第一过渡时段和所述第二过渡时段之间。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中，多个ADC输出路径包括：
两条ADC输出路径，所述两条ADC输出路径能被独立地配置成高范围路径和低范围路径；
所述低范围路径具有用于转换所述模拟输入信号的第一增益；
所述高范围路径具有用于转换所述模拟输入信号的第二增益，所述第二增益低于所述第一增益；
混合器件，所述混合器件被配置为将较低范围的输出与较高范围的输出组合；以及
器件，所述器件被配置为变化由所述低范围路径和所述高范围路径组合的增益的量。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述高范围路径连接到第一增益链并且所述低范围路径连接到第二增益链。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括用于针对所述第一增益选择所述第一增益链的增益级并且针对所述第二增益选择所述第二增益链的增益级的选择器。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一增益和第二增益中的每一个包括所述低范围路径和所述高范围路径共用的增益链中的增益级。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的系统，其中：
每条输出路径的增益基本上相同；以及
所述混合器对来自每条路径的输出求平均，以减少单个输出中的噪声。
21.一种方法，包括：
使用增益链来放大模拟输入信号；
选择所述模拟输入信号与来自多个模数转换器ADC的多个ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有路径，并且每条输出路径的增益由所述增益链中的增益级组成；以及
将所述多个ADC输出组合成单个混合输出。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述增益链的第一部分连接到所述多个ADC中的第一ADC，并且所述增益链的第二部分连接到所述多个ADC中的第二ADC。
23.根据权利要求21和22中任一项所述的方法，其中，所述增益链中的增益级中的每一个经由一个或更多个开关组连接到所述多个ADC中的每一个。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，还包括：
将两条ADC输出路径独立地配置成高范围路径和低范围路径；
应用来自所述低范围路径的第一增益以转换所述模拟输入信号；
应用来自所述高范围路径的第二增益以转换所述模拟输入信号，所述第二增益低于所述第一增益；
将较低范围的输出与较高范围的输出组合；以及
变化由所述高范围路径和所述低范围路径组合的增益的量。
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