CN1580790A - 模拟信号测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟信号测量装置，包括数字控制器、波形转换器及比较器，用以测量模拟信号。数字控制器中配置有脉宽调制控制器，用以输出一可调整脉冲宽度的脉冲信号至波形转换器，并利用波形转换器将脉冲信号转换为锯齿波或三角波后输出，以作为载波信号。接着，比较器将载波信号与模拟信号比较后的结果馈入数字控制器，让数字控制器依据比较信号来启动或停止计数器，使计数器产生一对应于比较信号的计数值。由于计数值的多寡取决于比较信号，而比较信号的型态又与模拟信号直接相关，故数字控制器可由计数值得知模拟信号的大小。

Description

模拟信号测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种信号测量装置及方法，且特别是涉及一种模拟信号测量装置及方法。

背景技术

近年来电子电路的演进一日千里，在日益精密的电路中，常会利用信号测量技术来落实各项检测功能。因此在今日功能已极度复杂的电路中，其信号测量装置的重要性自不待言。

由于集成电路的发展已十分成熟，故而现今多利用微处理器(microprocessor)来测量模拟信号。在这类微处理器中，必须有一组电路先将模拟信号转换为数字信号后，再执行数字化运算；在作法上，普遍以模拟/数字转换器(analog/digital converter，以下简称ADC)来负责信号转换的工作。

但配置有ADC的微处理器，其价格远较不具ADC的数字控制器高昂许多，且功率损耗也较大。为能满足模拟信号的测量需求并有效地降低成本及耗电，实有必要发展出以数字控制器(指不具模拟信号处理功能的纯数字式控制器)来测量模拟信号的装置与方法，实现省电及节约开支的目的，进而提高产品的竞争力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种模拟信号测量装置及方法，以降低成本及电力损耗。

根据本发明的目的，提出一种模拟信号测量装置，该装置简述如下：

模拟信号测量装置包括数字控制器、波形转换器及比较器，用以测量模拟信号。数字控制器中配置有脉宽调制控制器，用以输出一可调整脉冲宽度的脉冲信号至波形转换器，并利用波形转换器将脉冲信号转换为锯齿波或三角波后输出，以作为载波信号。接着，比较器将载波信号与模拟信号比较后的结果馈入数字控制器，让数字控制器依据比较信号来启动或停止计数器，使计数器产生一对应于比较信号的计数值。由于计数值的多寡取决于比较信号，而比较信号的型态又与模拟信号直接相关，故数字控制器可由计数值得知模拟信号的大小。

根据本发明的目的，提出一种模拟信号测量方法，此方法的处理步骤如下：

首先，可由数字控制器中的脉宽调制控制器产生一可编程的脉冲信号并加以输出，再利用波形转换电路将脉冲信号转换为载波信号。接着，将载波信号与待测的模拟信号比较后产生一比较信号，这种比较信号的脉冲宽度依模拟信号的高低而有所不同。比较信号产生后，可用以驱动数字控制器中的计数器以产生一计数值，使数字控制器可依据计数值得知模拟信号的测量结构。实际上，可在测量前先将数字控制器设定在负缘触发中断模式，比较信号馈入数字控制器后，即可利用比较信号的负缘来触发数字控制器以产生一中断信号，令计数器开始计数；此外，并同样依此中断信号，将数字控制器的中断设定改为正缘触发中断模式。接着，比较信号的正缘令数字控制器再次发出中断信号，令计数器停止运作并将计数值取出，由计数值算出模拟信号的测量值。

本发明的模拟信号测量装置，至少具有以下优点：

一、可利用不具ADC的数字控制器来测量模拟信号，以节省成本。

二、功率损耗较低，除省电外亦可抑制热量产生。

为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1示出了依照本发明一较佳实施例所提供的一种模拟信号测量装置方块图；

图2示出了脉冲信号与载波信号间的关系；

图3示出了载波信号、模拟信号与比较信号三者间的关系；

图4示出了依照本发明一较佳实施例所提供的一种模拟信号测量方法流程图；

图5进一步示出了载波信号、模拟信号与比较信号三者间的关系；

图6示出了脉冲信号的脉冲宽度变化与载波信号间的关系；

图7A示出了电池电位高于低压电平时所产生的比较信号；

图7B示出了电池电位低于低压电平时所产生的比较信号。

附图标号说明

100：数字控制器

110：脉宽调制控制器

120：中断控制器

130：计数器

140：波形转换器

150：比较器

410：产生载波信号

420：产生比较信号

430：产生对应于比较信号的计数值

440：依计数值得知模拟信号的测量值

Vt：模拟信号

PS，PS′：脉冲信号

PW，PW′：脉冲宽度

CS，CS′：载波信号

CPS：比较信号

fe：负缘

re：正缘

具体实施方式

请参照图1，其示出了依照本发明一较佳实施例所提供的一种模拟信号测量装置方块图。模拟信号测量装置包括数字控制器100、波形转换器140及比较器150，用以测量模拟信号Vt；其中模拟信号Vt例如是直流电压。数字控制器100中配置有脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制器110，用以输出一可调整脉冲宽度的脉冲信号PS至波形转换器140。当波形转换器140接收到脉冲信号PS后，可将脉冲波形转换为锯齿波或三角波后输出，以作为载波(carrier)信号CS；在实际上，波形转换器140可利用RC电路或三角波产生电路予以实现。

接着，比较器150将载波信号CS与模拟信号Vt比较后产生比较信号CPS，比较信号CPS的脉冲宽度依据模拟信号Vt的高低而有所不同；以此例而言，当模拟信号Vt越高时比较信号CPS的脉冲宽度越窄，但模拟信号Vt应以不超过载波信号CS的最大电压为原则。另一方面，数字控制器100中配置有中断控制器120，可依据比较信号CPS来启动或停止计数器130，使计数器130产生一对应于比较信号CPS的计数值；由于计数值的多寡取决于比较信号CPS，而比较信号CPS的型态又与模拟信号Vt直接相关，故数字控制器100可由计数值得知模拟信号Vt的大小。

请参照图2，其示出了脉冲信号PS与载波信号CS间的关系。以RC电路为例，藉由电阻与电容之间适当的比例关系，可让脉冲信号PS通过PC电路的充放电机制转换为三角波的载波信号CS输出，以作为与模拟信号Vt比较之用。请参照图3，其示出了载波信号CS、模拟信号Vt与比较信号CPS三者间的关系。以图1为例，由于载波信号CS与模拟信号Vt是分别耦接至比较器150的正输入端与负输入端，因此当模拟信号Vt小于载波信号CS时比较信号CPS为高电平，反之则比较信号CPS为低电平。换句话说，比较信号CPS的脉冲宽度PW依模拟信号Vt高低而有所不同，此例亦反应出模拟信号Vt是与比较信号CPS的负载周期(duty cycle)成反比；其中负载周期为脉冲宽度PW与周期T的比值。

请参照图4，其示出了依照本发明一较佳实施例所提供的一种模拟信号测量方法流程图。首先，可由数字控制器中的脉宽调制控制器产生一可编程的脉冲信号(即脉冲宽度可自由调整)并加以输出(步骤405)，再利用波形转换电路将脉冲信号转换为载波信号(步骤410)。接着，将载波信号与待测的模拟信号比较后产生一比较信号，所述比较信号的脉冲宽度依模拟信号的高低而有所不同(步骤420)。比较信号产生后，可用以驱动数字控制器的计数器以产生一计数值(步骤430)，使数字控制器可依据计数值得知模拟信号的测量结果(步骤440)。举例来说，测量前可先将数字控制器设定在负缘触发中断模式，比较信号馈入数字控制器后，即可利用比较信号的负缘来触发数字控制器以产生一中断信号，令计数器开始计数；此外，并同样依此中断信号，将数字控制器的中断设定改为正缘触发中断模式。接着，比较信号的正缘令数字控制器再次发出中断信号，令计数器停止运作并将计数值取出，由计数值算出模拟信号的测量值。

接着请参照图5，其进一步示出了了载波信号CS、模拟信号Vt与比较信号CPS三者间的关系。以图5为例，载波信号CS的峰值(peak value)为5V，待测的模拟信号Vt为1.25V，两者比较后所产生的比较信号CPS如图所示出；需要注意的是，由于模拟信号Vt的大小为载波信号CS峰值的1/4，故而比较信号CPS中逻辑0所占的周期宽度，亦为全周期时间T的1/4。

在实际上，可将计数器的计数频率设定为载波频率的N倍(下文以100倍为例)，并分别利用比较信号CPS的负缘fe及正缘re来启动及停止计数器，以产生一个对应于比较信号CPS的计数值。由于计数器的频率为载波频率的100倍，因此一个周期时间T内所产生的计数值应为100；又因载波信号CS的峰值为5V，所以可解析的电压大小(或称为刻度电压)为5V/100＝0.05V。但以此例而言，实际上计数器由负缘fe启动至正缘re停止，总计数时间仅占全周期的1/4(即T/4)，故计数值应为100×1/4＝25。由此可知，数字控制器所测得的模拟信号大小，应为计数值乘以刻度电压，即25×0.05V＝1.25V。

当然，在某些模拟电压测量的应用上，并不需要测得精确的电压值，只要了解模拟信号是否大于(或小于)系统预设的低压电平即可；例如电池电位的低点检测等应用。在此种应用上，数字控制器只需调整脉宽调制控制器所输出脉冲信号的脉冲宽度，即可设定出低压电平。简单地说，可依据一低压电平设定脉冲信号的脉冲宽度，当模拟信号低于此低压电平时，便会被数字控制器检测出来。请参照图6，其示出了脉冲信号的脉冲宽度变化与载波信号间的关系。当脉冲信号PS的脉冲宽度PW占1/2周期时，经RC电路作用后可产生近似三角波的载波信号CS；此时若将脉冲信号PS的脉冲宽度缩减为PW′，则产生的载波信号CS′其峰值亦会降低，亦即载波信号的峰值与脉冲宽度间成正比相关的比例关系。以电池电压的低点检测为例，假设一电池在电力充沛的状态下为5V，系统欲设定3V为电池电位的低压电平，以作为低电压警示之用；则可将脉冲宽度调整由原先的50％调整为30％。接着请参照图7A，其示出了电池电位高于低压电平时所产生的比较信号。电池电位即模拟信号Vt，由于模拟信号Vt大于载波信号CS′，故比较器所输出的比较信号恒为逻辑0。若电池电位下降至低压电平(此例为3V，即载波信号的峰值)以下，与载波信号CS′比较后可产生脉冲型态的比较信号CPS′，比较信号CPS中逻辑1的宽度越宽则表示电池电位越低，如图7B所示。

换言之，当数字控制器接收到恒为逻辑0的比较信号时，表示电池电位仍高于系统预设的低压电平；若电池电位低于此低压电平，数字控制器便会收到脉冲型态的比较信号，且电池电压越低时比较信号的脉冲宽度就越宽。因此，数字控制器仅需调整脉冲信号的脉冲宽度，就可以改变低压电平的设定，让系统适时发出警讯。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围视后附的权利要求为准。

Claims (19)

1.一种模拟信号测量装置，用以测量一模拟信号，该模拟信号测量装置包括：

一数字控制器，包括：

一脉宽调制控制器，用以输出一脉冲信号；及

一计数器；

一波形转换器，耦接至该脉宽调制控制器，用以依据该脉冲信号产生并输出一载波信号；以及

一比较器，耦接至该波形转换器及该计数器，用以将该载波信号与该模拟信号比较后产生一比较信号，并藉由该比较信号令该计数器产生一计数值，其中，该数字控制器是依据该计数值得知该模拟信号的测量值。

2.如权利要求1所述的模拟信号测量装置，其中该模拟信号是与该比较信号的负载周期成反比。

3.如权利要求2所述的模拟信号测量装置，其中该比较信号具有一正缘及一负缘，其中该负缘用以启动该计数器且该正缘用以停止该计数器。

4.如权利要求1所述的模拟信号测量装置，其中该模拟信号是直流电压。

5.如权利要求1所述的模拟信号测量装置，其中该波形转换器是RC电路。

6.如权利要求1所述的模拟信号测量装置，其中该波形转换器是三角波产生电路。

7.如权利要求1所述的模拟信号测量装置，其中该数字控制器还包括一中断控制器，该中断控制器与该比较器及该计数器耦接，用以依据该比较信号启动与停止该计数器。

8.如权利要求7所述的模拟信号测量装置，其中该模拟信号与该比较信号的负载周期成正比。

9.如权利要求7所述的模拟信号测量装置，其中该比较信号具有一正缘及一负缘，该中断控制器是利用该正缘与该负缘的其中一个启动该计数器，并利用该正缘与该负缘的另一个停止该计数器。

10.如权利要求9所述的模拟信号测量装置，其中该模拟信号是与该比较信号的负载周期成反比。

11.如权利要求7所述的模拟信号测量装置，其中该模拟信号是直流电压。

12.一种模拟信号测量方法，利用一数字控制器测量一模拟信号，其中该数字控制器具有一计数器，该模拟信号测量方法包括以下步骤：

m.依据一脉冲信号产生一载波信号；

将该载波信号与该模拟信号比较，以产生一比较信号；以及

p.依据该比较信号令该计数器产生一计数值，并依据该计数值得知该模拟信号的测量值。

13.如权利要求12所述的模拟信号测量方法，其中该载波信号是三角波。

14.如权利要求12所述的模拟信号测量方法，其中该载波信号是锯齿波。

15.如权利要求12所述的模拟信号测量方法，其中步骤m包括以下步骤：

依据一低压电平决定该脉冲信号的脉冲宽度；以及

依据该脉冲信号产生该载波信号。

16.如权利要求12所述的模拟信号测量方法，其中该比较信号具有一正缘及一负缘，步骤p包括以下步骤：

设定该数字控制器为负缘触发中断模式；

以该负缘触发该数字控制器以令该计数器开始计数，并将该数字控制器设定为正缘触发中断模式；

以该正缘触发该数字控制器以令该计数器停止计数；以及

依据该计数值得知该模拟信号的测量值。

17.如权利要求16所述的模拟信号测量方法，其中该载波信号是三角波。

18.如权利要求17所述的模拟信号测量方法，其中该模拟信号是直流电压。

19.如权利要求16所述的模拟信号测量方法，其中步骤m包括以下步骤：依据一低压电平决定该脉冲信号的脉冲宽度；以及依据该脉冲信号产生该载波信号。

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