TW202211637A - 採用σ-δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法，模擬光耦隔離放大器包括一編碼器、一光源驅動器，一光源、一光感測器與一解碼器，其方法包括：當輸入數位信號產生輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣時，通過編碼器產生具有預定脈衝寬度的第一脈衝；輸出具多個第一脈衝的一編碼信號至光源驅動器；根據編碼信號的多個第一脈衝，通過光源驅動器，驅動光源，輸出編碼光信號；通過光感測器感測編碼光信號以產生感測信號，且感測信號具有對應第一脈衝的第二脈衝；根據具有多個第二脈衝的感測信號，通過解碼器複製編碼器的輸入數位信號。

Description

採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法

本發明涉及一種採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器，特別是涉及一種模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法，其可以使Σ-Δ調變器產生的一位資料流通過光通道後被準確地恢復。

光電耦合元件是以光作為媒介來傳輸電信號的一種電路元件，其功能是提供輸入電路及輸出電路之間的電氣隔離，在需要時可以使電信號通過電氣隔離層的方式傳送。

圖1顯示傳統的採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器(optical isolated amplifier)的電路方塊圖。類比輸入信號經過Σ-Δ調變器轉換成為高速串列的一位元的資料流(one bit data stream)，它由邏輯“1”電位和邏輯“0”電位構成，資料流中邏輯“1”的密度與輸入類比信號幅度成正比，然後資料流經編碼器進行編碼，經過編碼的資料流驅動光源，將編碼的資料信號變為光信號，然後通過光學檢測和光放大電路將光信號轉換為資料流，然後通過解碼器還原為一位元的資料流，然後通過數位類比轉換器轉換為類比信號。由於類比信號的幅度和一位元元資料流中，邏輯“1”電位元的密度成正比，通過解碼器後精確地恢復一位元資料流在光隔離放大器設計中變得至關重要。如圖1所示，傳統的採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器10包括一調變器11、一編碼器12、一光源13、一光感測器14以及一解碼器15。調變器11為類比數位調變器，可以將輸入的類比信號轉換為一位元的數位信號，編碼器12電連接調變器11，其接收數位信號，並編碼數位信號，光源13電連接編碼器12，接收編碼的數位信號，並以編碼的數位信號驅動光源13輸出光信號。光感測器14感測光信號，並將光信號轉換為數位信號，解碼器15電連接光感測器14，接收數位信號，並解碼輸出類比信號。

然而，在傳統的採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器10中，類比輸入信號經過Σ-Δ調變器轉換成為高速串列的一位元的資料流，這種高速的資料流通過由光驅動器、光源、光檢測器和光放大器等電路構成的光通道時，會發生脈衝形變，上升緣和下降緣等的改變。如果採用傳統的編碼、解碼方法，無法精確地在解碼後，恢復Σ-Δ調變器產生的一位元資料流。圖2顯示傳統的採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的波形示意圖，如圖2所示，調變器11的數位信號21會通過編碼器12轉換為編碼數位信號22，編碼器12輸出的編碼數位信號22脈衝寬度不同於解碼器11的輸出信號23，也就是說資料流中邏輯“1”的密度發生了變化，解碼後的一位元資料流的這些變化，經過Σ-Δ數模轉換器，轉化回類比信號後，轉化為光隔離放大器的失調電壓增加（Vos）、信噪比降低或線性降低等問題。

而且，不同信號脈衝寬度在通過由光源驅動器、光感測器構成的光通道時會有不同的信號變形，例如不同的脈衝上升緣、不同的脈衝下降緣或不同的延時，因此通過解碼器所得到的新的一位元資料流會與Σ-Δ調變器生成的一位元資料流有差異。我們知道類比輸入信號經過Σ-Δ調變器轉換成為一位元資料流，這種資料流中“1”的密度與輸入類比信號幅度成正比。因此，脈衝的形變、上升緣和下降緣等的改變，會導致通過光通道的資料流中“1”的密度發生變化，這種變化在經過Σ-Δ數模轉換器後，轉化為光隔離放大器的失調電壓增加（Vos）、信噪比降低或線性降低等問題。

故存在一種需求，如何通過電路設計，在模擬光耦隔離放大器中使Σ-Δ調變器產生的一位元的資料流通過光通道後可以被精確地恢復。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足，提供一種編碼和解碼的方法，這種編碼器和解碼器，可以使Σ-Δ調變器產生的一位元資料流通過光通道後可以被精確地恢復。

為瞭解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法，模擬光耦隔離放大器包括一編碼器、一光源驅動器，一光源、一光感測器與一解碼器，編碼和解碼方法包括：當一輸入數位信號產生輸入脈衝上升緣或與輸入脈衝下降緣時，通過編碼器產生具有預定脈衝寬度的一第一脈衝，預定脈衝寬度為調變器時鐘的10%-25%，以保障第一脈衝可以有效地通過光通道；輸出具有多個第一脈衝的一編碼信號至光源驅動器；根據編碼信號的多個第一脈衝，通過光源驅動器，驅動所述光源，輸出一編碼光信號；通過光感測器感測編碼光信號以產生一感測信號，且感測信號具有對應編碼信號的多個第一脈衝的多個第二脈衝；根據具有多個第二脈衝的感測信號，通過解碼器複製出編碼器的輸入數位信號。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法，其能通過在編碼器設置雙邊緣觸發信號產生器以及在解碼器中設置上升緣觸發信號解碼器的技術方案，以提升光耦隔離放大器的輸出信號準確性，減少光隔離放大器的失調電壓（Vos），增加信噪比， 改善類比光隔離放大器的線性性。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[本發明實施例]

圖3為本發明的模擬光耦隔離放大器的方塊圖，圖4為本發明採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法的流程圖，圖5為本發明的模擬光耦隔離放大器的波形示意圖。如圖3所示，本發明的模擬光耦隔離放大器30，其至少包括：一調變器31、一編碼器32、一光源驅動器33、光源34、一光感測器35、一解碼器36、一數位類比轉換器37以及一低通濾波器38。

請參閱圖3、圖4以及圖5，在步驟S401中，通過調變器31將輸入類比信號Sia轉換為輸入數位信號Si。調變器31較佳為積分-微分調變器，或稱為Sigma-Delta(Σ-Δ)調變器或脈衝密度(Pulse Density Modulation，PDM)調變器。積分-微分調變器是一種數位類比轉換的電路，可以將類比信號轉換為數位信號，也就是說將類比信號取樣轉換為一位元的數位信號，其優點在於可以對雜訊進行整型並對量化雜訊進行有效的抑制，具有較高的信噪比(SNR)，由微分器、積分器構成的ΔΣ調變電路，會因其微分特性而對量化雜訊（Quantization noise）產生一種高通濾波的效果。有關於積分-微分調變器的原理為本領域具有通常知識者所熟知，在此不再贅述。在本發明的較佳實施例中，輸入信號為一種輸入類比信號Sia，輸入類比信號Sia傳輸至調變器31，調變器31將輸入類比信號Sia轉換為輸入一位元的數位信號Si。

在步驟S402中，當一輸入數位信號Si產生輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣時，通過編碼器32產生具有多個第一脈衝coded_pulses的一編碼信號S，每個第一脈衝coded_pulse具有一預定脈衝寬度。編碼器32電連接調變器31，編碼器32可用於編碼從調變器31傳輸而來的輸入數位信號Si。進一步來說，編碼器32可偵測調變器31產生的輸入數位信號Si的輸入脈衝上升緣(rising edge)或輸入脈衝下降緣(falling edge)，並根據輸入數位信號Si的輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣產生具有預定脈衝寬度的第一脈衝coded_pulses。

在步驟S403中，輸出具有多個第一脈衝coded_pulses的一編碼信號Se至光源驅動器33。詳細來說，編碼器32較佳為一雙邊緣觸發信號編碼器，雙邊緣觸發信號編碼器接收調變器31的輸入數位信號Si，根據調變器31的輸入數位信號Si，雙邊緣觸發信號編碼器會在輸入數位信號Si的輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣發生時，產生具有預定脈衝寬度的第一脈衝coded_pulses。換句話說，當雙邊緣觸發信號編碼器偵測到調變器31的輸入數位信號Si的輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣時，即會產生具有預定脈衝寬度的第一脈衝coded_pulses，每個第一脈衝coded_pulses的脈衝寬度相同，而多個具有預定脈衝寬度的第一脈衝coded_pulses組合成編碼信號Se。

在步驟S404中，根據編碼信號Se的多個第一脈衝coded_pulses，通過光源驅動器33驅動光源34以輸出一編碼光信號Sp。光源驅動器33電連接編碼器32與光源34，接收編碼器32輸出之具有多個第一脈衝coded_pulses的編碼信號Se，根據具有多個第一脈衝coded_pulses的編碼信號Se，光源驅動器33可驅動光源34輸出編碼光信號Sp。光源34較佳為發光二極體(LED)，但在不同實施例，光源34也可以由不同發光體所構成，在此並不侷限。光源驅動器33接收從編碼器32輸出的具有多個第一脈衝coded_pulses的編碼信號Se以驅動光源34發光，進而輸出一編碼光信號Sp，換句話說，光源34輸出的編碼光信號Sp對應於編碼信號Se。

接著，在步驟S405，通過光感測器35感測編碼光信號Sp以產生一感測信號S，且感測信號S具有對應編碼信號Se的多個第一脈衝coded_pulses的多個第二脈衝sensing_pulses。光源驅動器33根據具有多個第一脈衝coded_pulses的編碼信號Se以驅動光源34產生編碼光信號Sp後，光感測器35感測編碼光信號Sp而產生具有失真的多個第二脈衝sensing_pulses的感測信號S，如圖5所示，每個第二脈衝sensing_pulses的信號失真大小與每個第一脈衝coded_pulse的脈衝寬度相關。

詳細來說，光感測器35設置在對應於光源34的位置，也就是說光感測器35的設置位置在光源34的光傳遞路線上，光感測器35用於感測光源34輸出的編碼光信號Sp以產生一感測信號S。光感測器35所產生的感測信號S具有對應於編碼信號Se的多個第一脈衝coded_pulses的多個第二脈衝sensing_pulses，每個第二脈衝sensing_pulse的脈衝寬度與第一脈衝coded_pulse的信號寬度相關，通過感測編碼光信號Sp，光感測器35可通過產生多個第二脈衝sensing_pulse以形成感測信號S。

在步驟S406中，根據具有多個第二脈衝sensing_pulse的感測信號S，通過解碼器36還原編碼器31的輸入數位信號Si。解碼器36電連接光感測器35，用於接收光感測器35所產生感測信號S。根據具有多個第二脈衝sensing_pulse的感測信號S，解碼器36還原編碼器31的輸入數位信號Si。進一步來說，解碼器36較佳為上升緣觸發解碼器，當解碼器36偵測每個第二脈衝sensing_pulse的脈衝上升緣，解碼器36的輸出狀態就發生一次改變。舉例來說，假設解碼器36當前的輸出為一高位準(1)，當解碼器36偵測到第一個第二脈衝sensing_pulse的上升緣時，會改變輸出狀態為一低位準(0)，而當解碼器36偵測到第二個第二脈衝sensing_pulse的上升緣時，進而會改變輸出狀態為一高位準。換句話說，當第一次偵測到上升緣時，輸出高位準，且維持在高位準，而當第二次偵測到上升緣時，會從高位準轉變成低位準，反之亦然。因此，當解碼器36接收到兩個連續的第二脈衝sensing_pulse時，會產生的一輸出脈衝，且輸出脈衝的脈衝寬度是由兩個連續的第二脈衝sensing_pulse的上升緣和他們間的時間間隔決定，輸出數位信號So是由多個輸出脈衝所組成。由於第一脈衝的脈衝寬度是一樣的，所以當第一脈衝通過光通道時，所產生的第二脈衝的脈衝有非常相近的形變或延遲，這樣保證輸出數位信號So可以準確地複製編碼器31的輸入數位信號Si。

另外，如圖6所示，在本發明的較佳實施例中，編碼器32可以是由一互斥或閘(XOR GATE)321以及多個延遲單元322所構成。多個延遲單元322可使所輸入的信號產生四分之一的時脈延遲，調變器31的輸出數位信號Si傳遞至第一個延遲單元322的輸入端A以及由五個反及閘(NAND Gate)323所組成的互斥或閘321的第一輸入端324，而最後一個延遲單元322的輸出端YN連接至互斥或閘321的第二輸入端325，多個具有預定信號寬度的第一脈衝coded_pulse從互斥或閘321的輸出端326輸出。通過本發明的編碼器32的輸入數位信號Si的信號上升緣或信號下降緣，產生具有預定信號寬度的第一脈衝coded_pulse。在此需要說明的是，上述的編碼器32是由多個延遲單元322以及互斥或閘321所組成，但是在不同實施例，編碼器32也可以由不同的邏輯單元所構成，在此並不侷限，本領域具有通常知識者可以根據不同需求，設計不同元件所構成的編碼器32。本發明的編碼器32在產生具有預定信號寬度的第一脈衝coded_pulse後，會輸出具有多個第一脈衝coded_pulse的編碼信號Se。

圖7為本發明實施例的解碼器的電路示意圖，如圖7所示，進一步來說，解碼器35又稱為雙邊緣觸發解碼器，其是由一D邊緣觸發正反器(D Flip Flop)351與一反相器352所構成，多個具有預定信號寬度的第二脈衝sensing_pulse的感測信號S傳輸至正反器351的時脈輸入端clk，反相器352的輸出端YN電連接正反器351的資料輸入端data，反向器352的輸入端A連接至正反器351的輸出端Q，輸出數位信號So從正反器351的另一輸出端QN輸出，通過上述由正反器351與反相器352所組成的解碼電路，可解碼多個具有相同信號寬度的第二脈衝sensing_pulse以產生一輸出信號。另外，在此需要說明的是，在本發明的較佳實施例中，雙邊緣觸發解碼器是由一個正反器351與一個反相器352所構成，但在不同實施例中，雙邊緣觸發解碼器也可以由其他不同邏輯單元所構成，在此並不侷限。

另外，在本發明的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法中，更可包括通過一數位類比轉換器37，將輸出數位信號轉換為輸出類比信號，然後通過一低通濾波器(Low Pass Filter)38，過濾輸出類比信號中的雜訊。數位類比轉換器37電連接解碼器36，接收解碼器36的輸出數位信號So，並將輸出數位信號So轉換為輸出類比信號Sa，達到還原光耦隔離放大器30最初輸入類比信號Sia的目的。在本發明的較佳實施例中，數位類比轉換器37的低通濾波器38可以用於過濾在輸出數位信號So轉換為輸出類比信號Sa時所產生的雜訊，最後輸出雜訊較少的輸出類比信號Sa。

由圖5可以明顯看出，在本發明的光耦隔離放大器30中，通過在編碼器32，可以在輸入數位信號Si的輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣產生時，輸出多個具有預定脈衝寬度的第一脈衝coded_pulse的編碼信號Se，由此可以準確知道輸入數位信號Si的信號脈衝開始與結束的時間。同時具有同樣脈衝寬度的Se經過光通道後，他們經歷同樣的脈衝形變，同樣的上升緣和下降緣，而且通過本發明的電路設計，由於多個具有預定脈衝寬度的第二脈衝可以完整複製多個具有預定脈衝寬度的第一脈衝，即使感測信號S經過光通道後存在延遲和形變，經過本發明的解碼後，輸出數位信號So可以準確恢復輸入時的輸入數位信號Si，從而改善光隔離放大器的失調電壓增加（Vos）、信噪比降低或線性降低等問題。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的光耦隔離放大器，其能通過雙邊緣觸發的信號編碼器以及在上緣觸發的信號解碼器中設置上緣觸發信號解碼器的技術方案，以提升光耦隔離放大器的輸出信號準確性。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

10:光耦隔離放大器 11:調變器 12:編碼器 13:光源 14:感測器 15:解碼器 21:數位信號 22:編碼數位信號 23:輸出信號 30:模擬光耦隔離放大器 31:調變器 32:編碼器 321:互斥或閘 322:延遲單元 323:反及閘 324:第一輸入端 325:第二輸入端 326:輸出端 Sia:輸入類比信號 Si:輸入數位信號 Se:編碼信號 coded_pulse:第一脈衝 Sp:編碼光信號 S:感測信號 Sensing_pulse:第二脈衝 So:輸出數位信號 Sa:輸出類比信號 33:光源驅動器 34:光源 35:光感測器 351:邊緣觸發D正反器 352:反相器 36:解碼器 37:數位類比轉換器 38:低通濾波器 S401-S406:步驟 A:輸入端 clk:時脈信號 YN:輸出端 Q,QN:輸出端 data:資料輸入端

圖1顯示傳統的光耦隔離放大器的電路方塊圖。

圖2顯示傳統的光耦隔離放大器的波形示意圖。

圖3為本發明的光耦隔離放大器的方塊圖。

圖4為本發明模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法的流程圖。

圖5為本發明光耦隔離放大器的波形示意圖。

圖6為本發明實施例的解碼器的電路示意圖。

圖7為本發明實施例的編碼器的電路示意圖。

S401-S406:步驟

Claims (10)

1. 一種採用Σ-Δ調變技術的模擬光耦隔離放大器的編碼和解碼方法，所述模擬光耦隔離放大器包括一編碼器、一光源驅動器，一光源、一光感測器與一解碼器，所述編碼和解碼方法包括： 當一輸入數位信號產生輸入脈衝上升緣或輸入脈衝下降緣時，通過所述編碼器產生具有多個第一脈衝的一編碼信號，每個所述第一脈衝具有一預定脈衝寬度； 輸出具有多個所述第一脈衝的所述編碼信號至所述光源驅動器； 根據所述編碼信號的多個所述第一脈衝，通過所述光源驅動器，驅動所述光源，輸出一編碼光信號； 通過所述光感測器感測所述編碼光信號以產生一感測信號，且所述感測信號具有對應所述編碼信號的多個所述第一脈衝的多個第二脈衝；以及 根據具有多個所述第二脈衝的所述感測信號，通過所述解碼器複製出所述編碼器的所述輸入數位信號。
2. 如請求項1所述的編碼和解碼方法，其中，在產生所述第一脈衝的步驟之前，更包括通過一積分-微分(Sigma-Delta)調變器，將一輸入類比信號轉換為所述輸入數位信號。
3. 如請求項2所述的編碼和解碼方法，其中，所述編碼器所產生的多個所述第一脈衝中，所有的所述預定脈衝寬度的寬度相同，所述預定脈衝寬度的範圍為所述積分-微分調變器的時脈的10%-25%。
4. 如請求項1所述的編碼和解碼方法，其中，具有多個所述第一脈衝的所述編碼信號經過所述光源驅動器和所述光源後，所述感測器會產生失真的多個所述第二脈衝的所述感測信號，每個所述第二脈衝的失真大小與每個所述第一脈衝的脈衝寬度相關。
5. 如請求項1所述的編碼和解碼方法，其中，每個所述第二脈衝的脈衝寬度等於或接近於所述第一脈衝的所述脈衝寬度。
6. 如請求項1所述的編碼和解碼方法，其中，所述解碼器是一上升緣觸發解碼器，當所述解碼器感測到所述感測信號的所述第二脈衝是脈衝上升沿時，其輸出狀態從高位準1變低位元準0或從低位元準0變高位準1。
7. 如請求項1所述的編碼和解碼方法，其中，當所述解碼器接收到兩個連續的所述第二脈衝，所述解碼器會產生一輸出脈衝，且所述輸出脈衝的脈衝寬度由兩個連續所述第二脈衝的上升緣以及其時間間隔決定。
8. 如請求項7所述的編碼和解碼方法，更包括通過所述解碼器輸出具有多個所述輸出脈衝的一輸出數位信號。
9. 如請求項8所述的編碼和解碼方法，更包括通過一數位類比轉換器將所述輸出數位信號轉換為一輸出類比信號。
10. 如請求項9所述的編碼和解碼方法，更包括通過一低通濾波器以過濾在所述輸出信號轉換為所述輸出類比信號時所產生的雜訊。

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