TWI509994B - 直流偏移消除電路 - Google Patents

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Description

直流偏移消除電路
本發明是有關於一種信號處理電路，且特別是有關於一運用於時變信號(time variant signal)的直流偏移(DC offset)消除電路。
眾所周知，伺服馬達系統能夠精準的控制伺服馬達的轉速，並具備反應快速的加速、減速、反轉的能力。亦即，由於伺服馬達系統具備精確的位置控制和速度控制之能力，因此已經廣泛的運用於各種自動化工業以及精密加工領域。例如，機械手臂、或者機械工作平台等等。
請參照第1A圖，其所繪示為伺服馬達系統示意圖。伺服馬達系統包括：指令裝置110、微控制器(micro controller)120、伺服馬達130、光電編碼器(optical encoder)140。
指令裝置110係根據使用者的操作，而輸出指令脈波(command pulses)，用以進行伺服馬達130的轉速與轉向控制。再者，光電編碼器140係根據伺服馬達130的轉速與轉向產生回授脈波(feedback pulses)至微控制器120。微控制器120根據指令脈波以及回授脈波來產生驅動脈波至伺服馬達130。
其中，光電編碼器140可將伺服馬達130轉軸上的位移量轉換成為二個光電信號(photoelectronic signal)A與B，並傳送至微控制器120，使得微控制器120據以產生回授脈波。而根據回授脈波，微控制器120可以得知伺服馬達130的轉速、轉 向、以及位置。
以光學旋轉式編碼器(rotary optical encoder)為例來做說明，此種光電編碼器140中包括光發射器(light source)142、光偵測器(photo detector)146、與轉盤(Disk)148。轉盤148耦接至伺服馬達130的轉軸，可隨著伺服馬達130轉動。再者，光發射器142的光經過轉盤148上的光柵(grating)後被光偵測器146所接收。根據轉盤148上光柵的形狀，可使得光偵測器146產生二個光電信號(photoelectronic signal)A與B，且二個光電信號A、B之間相位相差90度。再者，微控制器120內部的電路更可以根據二個光電信號A、B產生回授脈波。基本上，二個光電信號A、B係隨著伺服馬達130的旋轉而改變其頻率與相位關係，所以二個光電信號A、B皆為時變信號(time variant signal)。
再者，如第1A圖所示，第一光電信號A係由A+感應信號與A-感應信號合併而成，第二光電信號B係由B+感應信號與B-感應信號合併而成。由於第一光電信號A與第二光電信號B的形成方式相同，以下僅以第一光電信號A為例來做說明，第二光電信號B則不再贅述。
請參照第1B圖，其所繪示為第一光電信號A中的A+感應信號與A-感應信號示意圖。在光電編碼器140的光偵測器146中會提供二個感測元件分別產生A+感應信號與A-感應信號，其中A+感應信號與A-感應信號為光感應電流(photo sensing current)。很明顯地，A+感應信號與A-感應信號相差180度。
再者，由於二個感測元件的差異，A+感應信號與A-感應信號會有不同程度的直流偏移(DC offset)。由第1B圖可知，A+感應信號在-1.2μA至-4.2μA之間變化，其直流偏移量為-2.7μA，A-感應信號在-1.5μA至-5.7μA之間變化，其直流偏移量為-3.6μA。
由於微控制器120中係處理無直流偏移量之第一光電信號A，因此在微控制器120內部需要有一直流偏移消除電 路，才能夠產生無直流偏移量之第一光電信號A。
請參照第2圖，其所繪示為習知直流偏移消除電路示意圖。直流偏移消除電路20包括第一電流電壓轉換器(I/V)210、第二電流電壓轉換器220、第一電壓放大器230、第二電壓放大器240、差動放大器250、類比至數位轉換器(ADC)260、數位信號處理單元(DSP)270。
第一感測單元202產生A+感應信號至第一電流電壓轉換器210，並產生A+電壓信號(VA+ )。A+電壓信號(VA+ )輸入第一電壓放大器230，產生放大的A+電壓信號(GVA+ )。
第二感測單元204產生A-感應信號至第二電流電壓轉換器220，並產生A-電壓信號(VA- )。A-電壓信號(VA- )輸入第二電壓放大器240，產生放大的A-電壓信號(GVA- )。
差動放大器250的正輸入端接收放大的A+電壓信號(GVA+ )，負輸入端接收放大的A-電壓信號(GVA- )，產生第一光電信號A。再者，第一光電信號A輸入類比至數位轉換器260後產生數位的第一光電信號Ad。而數位的第一光電信號Ad輸入數位信號處理單元270後產生一控制信號C。
第2圖之直流偏移消除電路20係利用數位信號處理單元270來處理數位的第一光電信號Ad，並根據其直流偏移量來產生控制信號C，分別調整第一電壓放大器230、第二電壓放大器240、一差動放大器250的增益(gain)。使得差動放大器250輸出無直流偏移的第一光電信號A。
請參照第3圖，其所繪示為習知另一種直流偏移消除電路示意圖。直流偏移消除電路30包括第一電流電壓轉換器310、第二電流電壓轉換器320、差動放大器350、類比至數位轉換器360、數位信號處理單元370、數位至類比轉換器380。
第一感測單元202產生A+感應信號至第一電流電壓轉換器310，並產生A+電壓信號(VA+ )。第二感測單元204產生A-感應信號至第二電流電壓轉換器320，並產生A-電壓信號 (VA- )。
差動放大器350的正輸入端接收A+電壓信號(VA+ )，負輸入端接收A-電壓信號(VA- )，而差動放大器350的輸出端產生第一光電信號A。再者，第一光電信號A輸入類比至數位轉換器360後產生數位的第一光電信號Ad。
數位的第一光電信號Ad輸入數位信號處理單元370後產生一控制信號C，其用來調整差動放大器350的增益。
另外，數位信號處理單元370會處理數位的第一光電信號Ad，並根據其直流偏移量來產生直流數值DCd至數位至類比轉換器380，並產生直流電壓Vdc。
習知直流偏移消除電路30利用數位至類比轉換器380產生的直流電壓Vdc直接輸入差動放大器350，以消除第一光電信號A的直流偏移。因此，差動放大器350可輸出無直流偏移的第一光電信號A。
本發明的目的係提出一種全新架構的直流偏移消除電路，用以輸出無直流偏移的第一光電信號A。
本發明係有關於一種直流偏移消除電路，接收一第一感測單元輸出之一第一感測電流與一第二感測單元輸出之一第二感測電流，該直流偏移消除電路包括：一疊加單元，產生一第一直流電流疊加於該第一感測電流成為一第一疊加電流，以及產生一第二直流電流疊加於該第二感測電流成為一第二疊加電流；一第一電流電壓轉換器，接收該第一疊加電流並據以產生一第一電壓；一第二電流電壓轉換器，接收該第二疊加電流並據以產生一第二電壓；一差動放大器，具有一第一端接收該第一電壓，具有一第二端接收該第二電壓，具有一輸出端產生一輸出信號；一處理單元，接收該輸出信號，並據以產生一直流數值；一數位至類比電流產生器，接收該直流數值並據以產生一直流電流 信號至該疊加單元；其中，該疊加單元根據該直流電流信號，產生該第一直流電流與該第二直流電流，使得該第一疊加電流與該第二疊加電流具有相同的一直流偏移量。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
110‧‧‧指令裝置
120‧‧‧微控制器
130‧‧‧伺服馬達
140‧‧‧光電編碼器
142‧‧‧光發射器
146‧‧‧光偵測器
148‧‧‧轉盤
202、204‧‧‧感測單元
210、220、310、320、410、420‧‧‧電流電壓轉換器
230、240‧‧‧電壓放大器
250、350、450‧‧‧差動放大器
260、360、460‧‧‧類比至數位轉換器
270、370、470‧‧‧數位信號處理單元
380‧‧‧數位至類比轉換器
455‧‧‧處理單元
480‧‧‧數位至類比電流產生器
490‧‧‧疊加單元
40‧‧‧直流偏移消除電路
第1A圖所繪示為伺服馬達系統示意圖。
第1B圖所繪示為第一光電信號A中的A+感應信號與A-感應信號示意圖。
第2圖所繪示為習知直流偏移消除電路示意圖。
第3圖所繪示為習知另一種直流偏移消除電路示意圖。
第4A圖所繪示為本發明的直流偏移消除電路示意圖。
第4B圖所繪示為本發明疊加信號A+’與A-感應信號示意圖。
請參照第4A圖，其所繪示為本發明的直流偏移消除電路示意圖。直流偏移消除電路40包括第一電流電壓轉換器410、第二電流電壓轉換器420、差動放大器450、處理單元455、數位至類比電流產生器(current DAC)480與疊加單元(superposing unit)490。其中，處理單元455包括：類比至數位轉換器460與數位信號處理單元470。
第一感測單元202產生A+感應信號，A+感應信號與直流電流信號Idc疊加之後，成為疊加信號A+’。疊加信號A+’輸入至第一電流電壓轉換器410，並產生A+電壓信號(VA+ )。
第二感測單元204產生A-感應信號至第二電流電壓轉換器420，並產生A-電壓信號(VA- )。
差動放大器450的正輸入端接收A+電壓信號(VA+ )，負輸入端接收A-電壓信號(VA- )，而差動放大器450的輸出端產生第一光電信號A。再者，第一光電信號A輸入處理單元455後，產生控制信號C以及直流數值DCd。
其中，處理單元455中的類比至數位轉換器460接收第一光電信號A後，產生數位的第一光電信號Ad。而處理單元455中的數位信號處理單元470接收數位的第一光電信號Ad後，產生控制信號C，用以調整差動放大器350的增益。
另外，數位信號處理單元470更處理數位的第一光電信號Ad，並根據其直流偏移來產生一直流數值DCd，輸入至數位至類比電流產生器480以產生直流電流信號Idc。經由疊加單元490，使得直流電流信號Idc疊加於A+感應信號。
根據本發明的實施例，直流偏移消除電路40係直接產生直流電流信號Idc疊加於A+感應信號，使得疊加信號A+’與A-感應信號具有相同大小的直流偏移量。
由於差動放大器450可消除共模信號(common mode signal)。所以疊加信號A+’與A-感應信號中的直流偏移會完全被消除，使得差動放大器350輸出無直流偏移的第一光電信號A。
假設第一感測單元202與第二感測單元204產生如第1B圖之A+感應信號與A-感應信號。則如第4B圖所示，本發明的數位至類比電流產生器480會產生-0.9μA的直流電流信號Idc，經由疊加單元490使得直流電流信號Idc疊加於A+感應信號。所以疊加信號A+’的直流偏移量會由-2.7μA變化至-3.6μA，使得疊加信號A+’的直流偏移量與A-感應信號的直流偏移量相同。
當疊加信號A+’的直流偏移量與A-感應信號的直流偏移量相同時，其A+電壓信號(VA+ )與A-電壓信號(VA- )也會有相同的直流偏移量。而差動放大器450即可將相同直流偏移量的共模信號予以消除，並且輸出無直流偏移的第一光電信號A。
由以上的說明可知，疊加單元490係經由節點a，將直流電流信號Idc疊加於A+感應信號，產生疊加信號A+’。
當然，本發明也可以讓疊加單元490係經由節點b，將直流電流信號Idc疊加於A-感應信號。此時，數位至類比電流產生器480會產生+0.9μA的直流電流信號Idc，使得A-感應信號與直流電流信號Idc疊加後，其疊加信號的直流偏移量為-2.7μA。相同地，差動放大器450也可以輸出無直流偏移的第一光電信號A。
在此領域的技術人員，也可以根據本發明疊加單元490的概念，設計出更複雜的電路來同時調整A+感應信號與A-感應信號的直流偏移量。舉例來說，數位至類比電流產生器480會產生+0.9μA的直流電流信號Idc時，疊加單元490產生-4.5μA的第一直流電流信號疊加至A+感應信號，成為第一疊加信號。且第一疊加信號的直流偏移量為-3.15μA。同時，疊加單元490產生+4.5μA的第二直流電流信號疊加至A-感應信號，成為第二疊加信號。且第二疊加信號的直流偏移量也為-3.15μA。因此，差動放大器450也可以輸出無直流偏移的第一光電信號A。
由以上說明可知，本發明的優點在於提供一直流偏移消除電路，產生直流電流信號疊加於感測單元202、204所輸出的感測信號，使其具有相同的直流偏移量，並進一步地達成消除直流偏移之目的。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
202、204‧‧‧感測單元
410、420‧‧‧電流電壓轉換器
450‧‧‧差動放大器
455‧‧‧處理單元
460‧‧‧類比至數位轉換器
470‧‧‧數位信號處理單元
480‧‧‧數位至類比電流產生器
490‧‧‧疊加單元
40‧‧‧直流偏移消除電路

Claims (6)

  1. 一種直流偏移消除電路，接收一第一感測單元輸出之一第一感測電流與一第二感測單元輸出之一第二感測電流，該直流偏移消除電路包括：一疊加單元，產生一第一直流電流疊加於該第一感測電流成為一第一疊加電流，以及產生一第二直流電流疊加於該第二感測電流成為一第二疊加電流；一第一電流電壓轉換器，接收該第一疊加電流並據以產生一第一電壓；一第二電流電壓轉換器，接收該第二疊加電流並據以產生一第二電壓；一差動放大器，具有一第一端接收該第一電壓，具有一第二端接收該第二電壓，具有一輸出端產生一輸出信號；一處理單元，接收該輸出信號，並據以產生一直流數值；一數位至類比電流產生器，接收該直流數值並據以產生一直流電流信號至該疊加單元；其中，該疊加單元根據該直流電流信號，產生該第一直流電流與該第二直流電流，使得該第一疊加電流與該第二疊加電流具有相同的一直流偏移量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直流偏移消除電路，其中，該處理單元接收該輸出信號，並據以產生一控制信號用以調整該差動放大器之一增益。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直流偏移消除電路，該處理單元包括：一類比至數位轉換器，接收該輸出信號並產生數位的該輸出信號；以及一數位信號處理單元，接收並處理數位的該輸出信號，並根據數位的該輸出信號中的一直流偏移量來產生該直流數值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直流偏移消除電路，其中該直流電流信號等於該第一直流電流，且該第二直流電流為零，使得該第一疊加信號的該直流偏移量相同於該第二感測電流的該直流偏移量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直流偏移消除電路，其中該直流電流信號等於該第二直流電流，且該第一直流電流為零，使得該第二疊加信號的該直流偏移量相同於該第一感測電流的該直流偏移量。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之直流偏移消除電路，其中該第一感測單元輸出之該第一感測電流以及該第二感測單元輸出之該第二感測電流皆為光感應電流。
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