TWI821657B - 減少多量程材料測量中之遞移效應之測距系統及方法 - Google Patents

減少多量程材料測量中之遞移效應之測距系統及方法 Download PDF

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TWI821657B
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Abstract

本發明揭示一種測量系統，其包含：一增益鏈，其經組態以放大一類比輸入信號；一量程選擇器，其經組態以選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益由該增益鏈中之複數個增益級構成；及一混合器，其經組態以將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出。

Description

減少多量程材料測量中之遞移效應之測距系統及方法
本發明係關於測量系統及方法。更具體言之，其係關於避免由在測量中使用之電子器件之測距之改變引起之短時脈衝波形干擾或誤差。更一般言之，其係關於用於信號供給(sourcing)及信號測量之電子器件、分析儀器、軟體及基礎設施。本發明亦係關於測量用於材料及裝置特性化及在可引起高位準之雜訊及干擾之具挑戰性實驗條件下之其他應用之信號之系統。
材料及裝置性質測量(例如，電子傳輸性質，諸如霍爾(Hall)、遷移率及載子濃度等)通常需要連續測量性質之超過若干個decade或數量級之改變。擷取此需要自一組分析電子器件切換至另一組分析電子器件，針對經測量性質中之不同量程(例如，若干個decade或數量級)組態不同電子器件。此切換引起經測量信號中之短時脈衝波形干擾及/或間隙。其亦以其他方式(諸如藉由引起可損及測量之瞬變)干擾資料收集程序。
類比轉數位轉換器(ADC)在此等測量系統中進行經測量信 號之放大、濾波、取樣及數位化之電子器件中扮演一關鍵角色。因此，ADC信號處理必須針對操作條件(包含經測量性質之量程)仔細組態。然而，針對一個量程仔細組態一ADC系統可能使其不適合其他量程。尤其當性質跨量程變動時，此可導致誤差。選擇性放大可解決此等誤差。然而，放大器引入其等自身之誤差。該等誤差自放大器雜訊、偏移、增益誤差及相位不匹配導出。另外，在若干量程內仔細組態增益需要大多數放大系統缺乏之靈活性。小信號需要大增益以增加解析度及雜訊效能。當信號在測量之進程中變得更大時，該相同大增益可引起ADC飽和。此可引起失真及信號損耗。
為了增加組態增益之靈活性，放大器級可經開啟及關閉，或切入及切出信號鏈。在任何給定時間，經開啟放大器係針對當前信號量程組態之放大器。當信號進入另一量程時，系統切換至針對新量程組態之另一放大器鏈。然而，測量中之短時脈衝波形干擾及不連續性通常在轉變期間顯現。
圖1展示一習知測距測量中之該效應。具體言之，圖1展示在當經測量信號透過自較低量程r1至較高量程r2之一轉變tTR增加時導致之一不連續性D內之習知測距資料104。圖2展示可引起圖1中展示之不連續性D之一習知測距設定120之一實例。習知測距設定120包含兩個增益鏈A及B。增益鏈A專用於較低量程r1(圖1)且係針對較低量程r1組態。具體言之，放大器GA及ADC A之增益兩者係針對較低量程r1組態。增益鏈B專用於較高量程r2(圖2)且係針對較高量程r2組態。此意謂放大器GB及ADC B之增益係針對r2組態。
當經測量信號小(即，在較低量程r1中)時，測距設定120之 通道選擇組件122選擇增益鏈A。在經測量信號朝向較高量程r2增加且在tTR在量程之間轉變時，通道選擇組件122接合電子器件增益鏈B。以此方式，通道選擇組件122嘗試確保測量系統已在兩個不同量程內組態增益。然而，如圖1中示意性地展示，轉變tTR可在經測量資料中引入不連續性D。此係因為在增益鏈A與B之間切換可引入源自「暖機」或起始使用專用於在經轉變至量程內測量之設備之瞬變信號、雜訊或短時脈衝波形干擾。
不連續性D導致兩種類型之測距誤差。當兩個量程(例如，r1及r2)具有經不同組態放大器輪廓(分別為A及B)時，此等誤差發生。在第一類型之誤差中，放大器輪廓不匹配引起經測量輸出電壓中之非所要振幅不連續性或微動(jog)(△V)。在第二類型(時間資料不連續性)中，可在一量程至量程轉變期間切斷資料流。在圖1中，此在自tTR至tB之時間段中顯現在資料間隙中。當改變量程涉及「暖機」或接合新電子器件(具體言之，與輪廓B相關聯之放大器)時，時間資料不連續性發生。收集資料不精確或不可行，直至此等瞬變消散。來自冷卻或切斷與放大器輪廓A相關聯之放大器之瞬變亦可引起測量系統中之延遲或短時脈衝波形干擾。
組態如同120之設定以消除不連續性D係困難或不可行的。組態受組件(GA、ADC A、GB及ADC B)之簡單及可變性之缺乏限制。因此，迫切需要即使在經測量信號在若干個decade或數量級內變動時，仍提供穩健、高品質、低雜訊源或測量信號之新及經改良解決方案。迫切需要減少或消除如圖1中展示之此等不連續性之用於提供量程之間之更平滑轉變之靈活解決方案。
本發明之態樣包含一種測量系統，其包括：一增益鏈，其經組態以放大一類比輸入信號；一量程選擇器，其經組態以選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益可由該增益鏈中之複數個增益級構成；及一混合器，其經組態以將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出。
該複數個ADC可包括一第一ADC及一第二ADC。該組合該複數個ADC輸出可根據以下項執行：經混合輸出=αEfirst+(1-α)Esecond，其中：Efirst可係該第一ADC之該輸出；Esecond可係該第二ADC之該輸出；且α可係自1變動至0之一混合參數。該系統可包括兩個或更多個ADC。該增益鏈之一第一部分可連接至該複數個ADC之一第一者且該增益鏈之一第二部分可連接至該複數個ADC之一第二者。該量程選擇器可自該增益鏈之該第一部分選擇用於該複數個ADC之該第一者之一增益且可自該增益鏈之該第二部分選擇用於該複數個ADC之該第二者之一增益。該增益鏈中之該等增益級之各者可經由一或多個開關組連接至該複數個ADC之各者。該量程選擇器可藉由設定該一或多個開關組中之開關而選擇用於該複數個ADC之一第一者之共用增益級之一第一部分及用於該複數個ADC之一第二者之該等共用增益級之一第二部分。該量程選擇器可包括一第一及第二多工器。該第一多工器可選擇該等共用增益級之該第一部分。該第二多工器可選擇該等共用增益級之該第二部分。
該等共用增益級之該第一部分之選擇可包括針對該複數個ADC之該第一者組態一增益且該等共用增益級之該第二部分之選擇可包括針對該複數個ADC之該第二者組態一增益。針對該複數個ADC之該第 一及第二者組態一增益可包括根據該輸入信號之至少一個量程組態該等增益。該混合器可經組態以當該輸入信號可在一第一量程中時，自一第一ADC選擇一輸出作為該單一經混合輸出。該混合器可經組態以當該輸入信號可在一第二量程中時，自一第二ADC選擇一輸出作為該單一經混合輸出。該混合器可經組態以當該輸入信號可在該等第一與第二量程之間時，自該等第一及第二ADC選擇該等輸出之一混合作為該單一經混合輸出。
該系統可在該輸入信號可在該第一量程中之一第一轉變週期期間，使該第二ADC維持在線。該系統可在該輸入信號可在該第二量程中之一第二轉變週期期間，使該第一ADC維持在線。該量程選擇器可經組態以基於該輸入信號之一預期量程針對該第一ADC及第二ADC之至少一者組態一增益。在一滯後週期期間，該系統可使該第一ADC維持離線。該系統可使該第二ADC維持在線。該系統可使該第二ADC之一增益維持恆定。該滯後週期可在該第一轉變週期與該第二轉變週期之間。
該複數個ADC輸出路徑可包括可經獨立地組態成一高量程及一低量程路徑之兩個ADC輸出路徑。該低量程路徑可具有用於轉換該類比輸入信號之一第一增益。該高量程路徑可具有用於轉換該類比輸入信號之一第二增益。該第二增益可低於該第一增益。該等路徑可包括經組態以將該低量程路徑之一輸出與該高量程路徑之一輸出組合之一混合裝置。該系統可包括經組態以變動自該低量程路徑及該高量程路徑組合之增益之一量之一裝置。該高量程路徑可連接至一第一增益鏈且該低量程路徑可連接至一第二增益鏈。該系統可包括用於針對該第一增益選擇該第一增益鏈之增益級且針對該第二增益選擇該第二增益鏈之增益級之一選擇器。該等 第一及第二增益之各者可包括一增益鏈中為該低量程路徑及該高量程路徑所共有之增益級。各輸出路徑之一增益可實質上相同。該混合器可平均化來自各路徑之該等輸出以減少該單一輸出中之雜訊。
本發明之態樣可進一步包括一種方法，其包括：使用一增益鏈放大一類比輸入信號；選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益可由該增益鏈中之增益級構成；及將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出。
該增益鏈之一第一部分可連接至該複數個ADC之一第一者且該增益鏈之一第二部分可連接至該複數個ADC之一第二者。該增益鏈中之該等增益級之各者可經由一或多個開關組連接至該複數個ADC之各者。該方法可進一步包括將兩個ADC輸出路徑獨立地組態成一高量程及一低量程路徑。該方法可包括自該低量程路徑應用一第一增益以轉換該類比輸入信號。該方法可包括自該高量程路徑應用一第二增益以轉換該類比輸入信號，該第二增益低於該第一增益。該方法可包括將該較低量程之一輸出與該較高量程之一輸出組合。該方法可包括變動自該高量程路徑及該低量程路徑組合之增益之一量。
104:習知測距資料
120:習知測距設定
122:通道選擇組件
302:連續測距經測量資料
400:變動/鏈
402:較低增益鏈
404:較高增益鏈
406:額外放大器
408a:類比轉數位轉換器(ADC)
408b:類比轉數位轉換器(ADC)
410:混合器
500:放大鏈
502:較低增益部分
504:較高增益部分
506:額外放大器
508a:類比轉數位轉換器(ADC)
508b:類比轉數位轉換器(ADC)
510:混合器
512:增益級
512a:增益級
512b:增益級
514a:多工器
514b:多工器
600:自動測距演算法
602:週期
604:預轉變
606:週期
608:週期
610:週期
612:滯後/滯後週期
614:週期
620:流程圖/圖表/演算法
622:週期
626:週期
628:週期
629:週期
624:步驟
650:經測量信號
700:變動/鏈
700a:信號路徑
700b:信號路徑
700c:增益鏈
702:輸入信號
704a:增益級/放大器
704b:增益級/放大器
704c:增益級/放大器
706a:多工器
706b:多工器
707a:輸入
707b:輸入
708a:類比轉數位轉換器(ADC)A
708b:類比轉數位轉換器(ADC)B
710:混合器
712:輸出信號/輸出
750:標繪圖
750a:經測量信號/回應
752:不連續性
800:變動
804a:預放大器
804b:預放大器
910:內插演算法
920:時間段
1000:變動
1000a:路徑
1000b:路徑
1000c:共同增益鏈
1002:輸入信號
1004a至1004n:放大器
1006a:開關組/切換構件
1006b:開關組/切換構件
1008a:資料轉換器/頂部資料轉換器
1008b:資料轉換器/底部資料轉換器
1010:混合器
1012:資料輸出
1014a至1014n:開關/增益級
1102:輸入信號
1100:變動
1104a:增益級
1104b:增益級
1108a至1108n:資料轉換器
1110:量程混合器
1112:資料輸出
1116a至1116n:增益級選擇器
1118:量程/增益控制
1200:演算法/混合及自動測距演算法
1202:步驟
1204:步驟
1206:步驟
1208:步驟
1210:步驟
1212:步驟
1214:步驟
1250:演算法/不對稱自動測距演算法
1252:步驟
1254:步驟
1256:步驟
1258:步驟
1260:步驟
1262:步驟
1264:步驟
1300:演算法/量程改變預期演算法
1302:步驟
1304:步驟
1306:步驟
1308a:步驟
1308b:步驟
1310:步驟
1312:步驟
1314:步驟
1316:步驟
1318:步驟
1320:步驟
1322:步驟
1324:步驟
1326:步驟
1328:步驟
1330:步驟
1332:步驟
1334:步驟
1400:硬體變動/機械測距演算法/量程混合演算法
1500:測量信號鏈/系統
1502:測量通道
1504:類比濾波器
1506:組合
1508:量程混合器
1510:解調變
1512:參考+90度(鎖定)
1514:數位濾波器
1516:量程及設定
1520:可變放大器
1550:頭部/頭部單元
1560:測量艙/源艙
1560a:測量類型艙
1560b:源類型艙
1570:受測裝置(DUT)
1600:變動
1602:電腦
A:增益鏈
A1:增益
A2:增益
A3:增益
B:增益鏈
D:不連續性
圖1展示一量程轉變對藉由無無縫測距能力之一典型測量系統收集之資料之效應。
圖2展示可引起圖1中展示之不連續性D之一習知測距設定120之一實例。
圖3比較使用無縫(連續)測距302之一電壓測量與藉由無無 縫測距能力之一習知設定104(來自圖1)進行之相同測量。
圖4係經由雙放大鏈實施無縫測距之一個變動400。
圖5展示根據本發明之態樣之另一例示性放大鏈500。
圖6A提供根據本發明之態樣之一自動測距演算法600之一示意性實例。
圖6B展示對應於自動測距演算法600之測量資料。
圖6C以一流程圖之形式展示演算法600。
圖6D以一流程圖之形式展示另一自動測距演算法620。
圖7A展示根據本發明之態樣之在使用多個ADC(即，ADC A 708a及ADC B 708b)時共用增益級之另一變動700。
圖7B展示變動700之經測量信號750a在tTR之r1/r2轉變下展現量值之一不連續性752。
圖8展示根據本發明之態樣之在兩個路徑之一者中在增益鏈700c及/或一預放大器804b之前放置一預放大器(pre-amplifier/pre-amp)804a之另一變動800。
圖9展示根據本發明之態樣之旨在消除或減少不連續性752之一內插演算法910。
圖10A展示可根據本發明使用之增益選擇之一般化變動1000。
圖10B展示可使用變動1000產生之一例示性增益路徑(增益路徑A)。
圖10C展示包含兩個變動(一高量程及一低量程變動)之變動1000之另一增益路徑(增益路徑B)。
圖11展示根據本發明之態樣之包含藉由經由增益級選擇器1116a至1116n之可變增益選擇之另一變動1100。
圖12A係可藉由量程混合器410、510、710、1010及1110執行之一例示性混合及自動測距演算法1200之一示意圖。
圖12B展示可藉由量程混合器410、510、710、1010及1110執行之一不對稱自動測距演算法1250。
圖13A展示表示本文中揭示之在實施本文中揭示之演算法(例如，600、620、910、1200及1250)時可藉由量程混合器410、510、710、1010及1110執行之一量程改變預期演算法1300之一流程圖1300。
圖13B展示流程圖1300之另一部分。
圖13C展示流程圖1300之另一部分。
圖14A及圖14B展示量程混合演算法1400之一例示性實施方案。
圖15繪示可使用變動400、500、700、800、1000、1100及演算法600、620、910、1200、1250、1300及1400之一例示性頭部單元1550與例示性測量艙1560之間之一測量信號鏈1500。
圖16展示根據本發明之態樣之另一例示性變動1600，其中一頭部單元1550可具有可支援三個測量類型艙1560a及三個源類型艙1560b之六個通道。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張以下案之優先權：2020年4月28日申請之Fortney之「ADVANCED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS」之美國臨時專利申請案第63/016,747號；及2020年6月3日申請之Fortney之「ADVANCED DIGITAL-TO-ANALOG SIGNAL GENERATION SYSTEMS AND METHODS」之美國臨時專利申請案第63/034,052號；及2020年7月28日申請之Fortney之「SYNCHRONOUS SOURCE MEASURE SYSTEMS AND METHODS」之美國臨時專利申請案第63/057,745號，該等案之各者之全文以引用的方式併入本文中。
本發明介紹可以相對少誤差、雜訊或短時脈衝波形干擾適應一寬動態量程內之測量之系統及方法。此處，「短時脈衝波形干擾」係指可負面影響一測量或操作之非預期不規則性或不一致。本文中揭示之變動以數個不同方式完成此。一個方式係針對單獨量程單獨且動態地組態增益鏈。另一方式係藉由混合若干量程之增益輪廓而將單獨量程拼合在一起。又另一方式係引入可經動態地指派至單獨量程之共用增益級。此等及更多方式在本文中通常稱為「無縫測距」。其等在下文中更詳細論述。
圖3比較使用根據本發明之無縫測距302之一電壓測量與藉由無無縫測距能力之一習知設定104進行之相同測量。圖3展示經測量資料104在量程轉變△t內之不連續性D。此係因為使用具有不同測量輪廓(例如，精確性、增益等)之不同一組裝置來在量程r1及r2中測量資料。如論述，系統120中量程r1與r2之間之切換可涉及源自「暖機」或起始使用專用於在經轉變至量程(r2)內測量之設備之瞬變信號、雜訊或短時脈衝波形干擾。
圖3亦展示可如何藉由本文中描述之無縫測距能力平滑化轉變△t(連續測距經測量資料302)。此平滑化效應在圖3中表示為藉由連 續測距資料302避免不連續性D。雖然在圖3之背景內容中僅論述兩個例示性量程r1及r2，但應理解，連續測距技術可應用於與一特定測量相關之任何適合數目個量程。例如，在一些情況中，量程之數目可係三個、四個或更多。在此等情況之各者中，連續測距可經組態以確保各量程改變之間之一平滑過渡而無關於量程改變之方向(即，無關於量程改變是否涉及經測量值(未展示)之一增加(如圖3中展示)或減小)。
連續測距使用可經獨立及/或同時應用之單獨信號放大/增益鏈解決兩個量程r1及r2。藉由實例，下文將在圖4及圖5之背景內容中論述特定實施方案。單獨及/或同時解決各量程r1及r2容許基於藉由作用中的放大改變收集之資料組態用於非作用中或「冷」量程(即，當前在測量中未採用之量程，例如，當t<tTR時之量程r2或當t>tTR時之量程r1)之放大鏈。保持用於非作用中或冷量程之放大鏈與作用中的量程測量同時在線可在最終接合非作用中的量程時避免啟動瞬變。其亦容許「量程混合」，其中組合應用用於各量程之增益鏈以便促進資料在自量程r1至r2之一轉變△t內之一平滑改變(且反之亦然)。亦即，可同時應用來自兩個量程之放大鏈以使資料在量程轉變△t內平滑化。此可(例如)經由軟體混合器完成及/或可接著自r1平滑地轉變至r2且反之亦然。
圖4係經由雙放大鏈實施無縫測距之一個變動400。如圖4中展示，除以下項之外，較低增益鏈402(即，具有較低放大之增益鏈)及較高增益鏈404(即，具有較高放大之增益鏈)係相同的：1)不同ADC(分別為408a及408b)；及2)較高增益鏈404中給予其比較低增益鏈402更高之一增益之一額外放大器406。來自ADC 408a及408b之輸出藉由混合器410組合且在測量艙104之擷取常式中用於測距測量。在鏈400中，組合可藉 由一因數α加權。可動態地選擇因數α以便確保在測距轉變△t內之一平滑轉變(例如，使用量程混合以避免圖3中之不連續性D)。雖然因數α可由使用者設定，但其通常係藉由一測距演算法(例如，演算法600、650、910、1200、1250、1300及1400，下文更詳細論述)設定。
圖5展示在無縫測距中使用之另一例示性放大鏈500。鏈500包含除以下項之外相同之較低增益部分502及較高增益部分504：1)不同ADC(分別為508a及508b)；2)較高增益部分504中給予其比較低增益部分502更高之一增益之一額外放大器506；及3)較低增益部分502及較高增益部分504分別經由多工器514a及514b連接至增益級512。
如圖5中展示，自增益級512a及512b供應至較低及較高增益部分502及504之放大可分別經由多工器514a及514b選擇。以此方式，鏈500可比鏈400使用更少專屬放大器以將組合提供至混合器510。針對較低及較高增益部分502及504使用相同增益級512a及512b(及放大器)不僅僅更有效。其亦在系統中引入更少雜訊(其可歸因於不同放大器之間之短時脈衝波形干擾或不相容性而產生)。例如，各放大器可具有在其等被不斷使用時避免之瞬變而無關於應用哪一量程。由放大器512a及512b引起之任何特應性、測距問題或誤差將存在於其中應用其等之全部量程中。如下文更詳細論述，此可確保經測量資料之整體趨勢及行為之一致性及平滑性(在材料測量中通常比經準確測量振幅更重要之態樣)。
如在鏈400之情況中，鏈500中之組合(混合510)可藉由一因數α加權。可動態地選擇因數α以便確保在測距轉變△t內之一平滑轉變(例如，使用量程混合以避免圖3中之不連續性D)。雖然因數α可由使用者設定，但其通常係藉由一測距演算法(例如，圖6A中展示之演算法600)設 定。α可藉由與增益、鏈或信號混合相關之本文中描述之任何方法設定。
在包含鏈400及500之變動以及其他變動中，無縫測距可包含自動測距。圖6A提供可結合無縫測距(例如，在變動400及500中)使用之一自動測距演算法600之一圖解。圖6C以一流程圖之形式展示演算法600。
在圖6B中展示之經測量信號650改變時，演算法600改變量程(自量程r1、r2及r3增加)。信號650在t=tTR(1-2)自量程r1轉變至r2，且在tTR(2-3)自量程r2轉變至r3。圖6A展示演算法600在該等轉變內相對於應用專用於量程r1、r2及r3之增益鏈之回應。
如圖6A及圖6C中展示，演算法600在自r1至r2之轉變(tTR(1-2))之前之週期602期間提供針對100% r1組態之一增益(例如，來自用以將較高增益提供至兩個量程之較低者之圖4之鏈400中之較高增益部分404之圖式)。圖6A及圖6C亦展示在經測量信號接近轉變tTR(1-2)時，演算法600混合r1及r2之增益輪廓(例如，來自較高增益部分404及較低增益部分402之圖式)。將此預轉變(r1/r2混合週期)標記為604。如上文論述，混合避免r1/r2量程轉變期間之資料中之短時脈衝波形干擾及/或間隙。在tTR(1-2)之r1/r2轉變之後，演算法600應用r2增益而無需混合(例如，來自圖4之鏈400中之較低增益部分402之圖式)。圖6A、圖6B及圖6C展示演算法在tTR(2-3)以相同方式自r2改變至r3，即，首先藉由在週期608期間混合r2及r3之增益輪廓，接著藉由僅在週期610期間提供經r3組態之增益。
圖6A亦展示週期606(僅r2)期間之滯後612之一區域。在滯後612期間，不存在經預期測距(即，僅增益鏈之一個增益部分在作用中，在此情況中，r2之增益鏈)。在滯後期間應用之增益亦可係恆定的。 此避免歸因於雜訊或信號變動而在量程之間來回切換。一旦經測量信號650邊緣更接近r3，滯後週期612便結束。週期614表示其中藉由接合r3之增益鏈(未展示)而預期自r2至r3之一量程改變之一週期。如上文論述，為了校準及避免瞬變兩個目的，在614期間接合對應於r3之增益鏈。雖然未針對r1/r2轉變展示量程向上部分之滯後或預期，但應理解，其等亦可應用至該轉變。
雖然圖6A展示在經測量信號增加時演算法600之操作，但應理解，演算法以相同方式應用於測量信號減小(例如，自較高量程r3至較低量程r2，接著至最低量程r1)。此係經由圖6D中之流程圖620展示。在此情況中，演算法600將預期量程向下週期而非預期量程向上週期(例如，在tTR(3-2)自r3至r2向下轉變(圖表620中之步驟624)等)。
雖然圖6A、圖6B及圖6C展示處置三個例示性量程r1、r2及r3當中之量程改變之演算法600及620，但應理解，其可以相同方式處置適合實驗之任何數目個量程當中之量程改變。演算法600及620之其他變動可包含許多其他演算法及/或量程/參數設定及任何適合數目個量程轉變。
分別在鏈400及500中之混合器410及510可根據任何適合混合演算法操作以達成圖3(302)中展示之平滑化效應。混合器410及510可係數位的。其等可不需要獨立校準。在一個變動中，410及510之經混合輸出可由類似於以下項之演算法控制：輸出信號V(針對混合器410或510)=αEA+(1-α)EB (1)
其中EA係第一ADC(ADC A 408a或ADC A 508a)之輸出， EB係第二ADC(ADC A 408b或ADC A 508b)之輸出，且α係可(例如)自1至0變動之一混合參數。
應瞭解，方程式1非可由混合器410及510應用之唯一混合演算法。例如，混合器可簡單地平均化各路徑之輸出以減少雜訊。方程式1將一線性加權(α)應用至EA及EB之貢獻。然而，非線性加權經考慮且應被視為在本發明之範疇內。事實上，加權可包含任何適合數學形式。實例包含(但不限於)二次、三次及任何適合多項式。指數及對數函數以及微分方程式全部被考慮在本發明之範疇內。
加權或混合函數之確切形式應取決於諸如系統中之各種放大器(例如，402、404及512中之放大器及放大器506)以及其他組件(諸如ADC(例如，ADC 408a、408b、508a及508b))之增益之因素。其亦可取決於電路中使用之混合器410及510之細節。其可取決於此等組件之以下例示性特性，例如，對輸入之變動之頻率回應、增益值、非線性、靈敏度。另外，參數α不需要自1變動至0，如在上文之實例中。參數α以及由混合器410及510採用之任何其他值可取決於鏈402、404及512中之增益級以及增益506之細節。其可包含用於平衡增益且消除或減少不連續性D(圖3)之任何適合值。
圖7A展示在使用多個ADC(即，ADC A 708a及ADC B 708b)時共用增益級之另一變動700。圖7A展示鏈700自身之架構。圖7B係比較鏈700之回應750a與一先前技術、習知測距系統(諸如120)之標繪圖750。
鏈700包含兩個信號路徑700a及700b，該兩個信號路徑700a及700b包含一ADC(分別為ADC A 708a及ADC B 708b)及一多工器 (分別為多工器706a及706b)。多工器706a及706b選自來自增益鏈700c之增益級704a至704c。因此，信號路徑700a及700b具有可基於該等選擇之可獨立組態增益。
經遞送至路徑700a及700b之各可獨立組態增益可係分別具有增益A1、A2及A3之放大器704a、704b及704c之輸出之任何組合。增益A1、A2及A3之各者可係1，大於1之任何適合正值及具有大於1之一絕對值之任何適合負值。雖然可為了任何原因且基於任何準則選擇增益，但其等通常係藉由多工器706a及706b基於輸入信號702之量程選擇以便最佳適應該信號。應理解，許多不同組合係可行的且在本發明之範疇內。
例如，輸入信號702可在藉由來自增益級704a及704b之經組合增益(即，等於A1及A2之乘積之一增益)以及ADC A 708a最佳放大之一量程中。此量程可(例如)對應於圖6A中需要一相對高增益之較低量程r1。在此情況中，多工器706a將選擇輸入707a以將該增益發送至ADC A 708a。在ADC A 708a中之處理之後，將信號發送至混合器710。在此情況中，由於ADC A 708a係適當量程及信號，故混合器710將僅選擇ADC A 708a之輸入(例如，設定方程式1中之α等於1)。同時，多工器706b可經設定使得ADC 708b具有針對較高量程r2之一經組態增益。此可係比針對對應於一較高信號放大之較低量程r1更低之一增益。僅藉由實例，此較低增益可係A1。在此實例中，只要輸入信號702在量程r1中，ADC B 708b便不用於生成輸出信號712。通常言之，吾人可說路徑700b及其相關聯未使用量程係冷的，此係因為其等未將輸出主動地提供至混合器710。然而，甚至在冷時，路徑700b仍可係操作的以便避免在接通或暖機期間發生之瞬變。
若輸入信號702增加，使得其具有使ADC A 708a飽和之風險，則藉由在轉變tTR時關閉，可接合ADC B 708b(「冷」量程)。可將與ADC B 708b相關聯之路徑設定為一較高量程(較低增益)。例如，ADC B 708b經饋給增益級A1(704a)之輸出，此將導致ADC B 708b在高於路徑700a中之ADC A 708a之一量程(較低增益)中。
當輸入信號702處於ADC A 708a之一所要位準時，混合器710經設定使得僅輸出712僅接收ADC A 708a之貢獻。此對應於圖3中遠離轉變點tTR之較低量程r1。然而，隨著輸入信號702朝向tTR(及較高量程r2，ADC B 708b針對其進行組態)增加，ADC B 708b接管處理變得更有利。在轉變tTR之前，ADC 708b藉由開始測量輸入信號702而「暖機」。在對應於圖6A及圖6C中之步驟614之此組態中，混合器710仍經設定使得僅將來自ADC A 708a之信號發送至輸出712。一旦ADC B 708b對輸入信號702之處理中之瞬變消失，混合器710便開始將係來自ADC A 708及ADC B 708b之輸出之一組合之一信號提供至輸出712。此經混合輸出可係(例如)根據方程式1。混合器710逐漸增加來自ADC B 708b之貢獻，直至系統良好地在量程r2中。在對應於圖6A及圖6C中之步驟606之該時刻，混合器710可關閉或消除來自ADC A 708a之貢獻。此係因為ADC B 708b係針對r2組態。在例示性情況中，多工器706b經設定使得ADC B 708b接收較低增益(僅A1，相對於A1及A2之乘積)。此對應於輸入707b。藉由混合來自兩個ADC路徑700a及700b之信號以平滑化D內之轉變(圖6A)而生成輸出712係無縫測距。
在此案例中，與增益級704a(A1之增益)相關聯之特應性及/或誤差在量程r1與r2兩者及其等各自量程路徑700a與700b之經測量信號 750a(圖7B)之間係共同的。因此，量程至量程轉變tTR具有增益共同性。此減少量程之間之差異。在圖7B中示意性地展示對經測量資料之效應。具體言之，圖7B展示藉由700測量之一信號750a如何在量程r1及r2(分別為部分A及B)中比藉由一先前技術組態(例如，圖1中展示之100)測量之相同輸出更類似。換言之，當其等測量相同信號(無縫測距)時，如相較於各量程中之完全不同組增益(先前技術)，經測量信號750a更類似。在圖7B中，先前技術系統及無縫測距系統750a兩者針對部分A(量程r1)具有相同輸出。
一旦輸入信號702行進至ADC B 708b，ADC A 708a現在便係冷的。即使在冷時，ADC A 708a之增益仍保持經組態以預期信號接下來將行進至何處。ADC A 708a可(例如)停留在r2經組態量程中以預期至該量程之一返回。替代地，ADC A 708a可藉由針對另一增益重設多工器706b而改變其量程。ADC A 708a可在取決於各信號路徑之初始條件而預期信號繼續增加或減小時這麼做。
如在圖6D之背景內容中論述，上述轉變可反向運行用於一減小輸入信號702。換言之，若輸入信號702自量程r2減小至r1，則混合器將首先經設定以僅將來自路徑700b之貢獻饋給至輸出712。此係因為ADC B 708b係藉由設定多工器706b以接收輸入707b(較低增益A1)而針對量程r2組態。隨著輸入信號702朝向tTR減小，暖機且接通ADC 708a，使得瞬變消失。在此階段中，混合器710仍經設定使得輸出712僅接收708b貢獻。一旦輸入信號702接近tTR，混合器710便經設定以組合700a及700b貢獻以產生一無縫轉變。在輸入信號702減小超出tTR至r1時，混合器710經重設使得僅針對r1之經組態路徑(即，包含ADC A 708a之700a)貢獻於輸 出712。如上文之實例中論述，此增益可係藉由多工器706a設定之A1及A2之乘積。
在如同700之具有許多增益級之一系統中，在輸入信號增加或減小時，可在ADC 708a與708b之間來回傳遞輸入信號702。每次，冷ADC將預期改變信號所需之量程，如上文描述。在此程序期間，可針對冷ADC改變增益，同時自作用中的ADC獲取輸出。此導致所要量程中之一恆定輸出，且導致歸因於各量程中之增益變動之差異減少，如圖7B中展示。
圖7B展示經測量信號750a在tTR之r1/r2轉變下展現量值之一不連續性752。此僅係為了圖解之目的且可不存在於全部實施方案中。不連續性752起因於其中應用至針對各量程r1/r2組態之路徑700a及700b之增益在轉變tTR處稍微不相容之情境。在許多變動中，針對各路徑700a及700b調諧增益以消除不連續性752可係可行的。然而，組態增益以最佳表示其等各自量程可係更重要的。在此情況中，不連續性752將係測量電子器件之一已知假影且可在經測量資料750a之後處理中以數個方式(例如，藉由曲線擬合/平滑化等)處置。
圖8展示在增益鏈700c之前放置一預放大器(pre-amplifier/pre-amp)804a及/或在兩個路徑之一者中放置一預放大器804b之另一變動800。圖8展示與ADC B 708b相關聯之路徑700b中之預放大器804b。然而，應理解，預放大器804b亦可放置於與ADC A 708a相關聯之路徑700a中之一類似位置中。除預放大器804a及804b之添加之外，變動800與圖7A之變動700相同。
預放大器804a及804b可為變動800提供若干益處。例如， 預放大器804a可緩衝來自變動800中之其他組件之輸入信號702。此可係有利的，此係因為將輸入信號702直接連接至多個緩衝器或切換元件使效能降級。此等元件通常將偏壓電流及切換電容施予輸入信號702。預放大器804b可放置於與通常需要一額外增益之一量程相關聯之路徑(700a或700b)中。此可(例如)係最低量程(例如，圖6A中之量程r1)。使一額外增益級「經硬接線」至路徑之一者中使將適當增益應用至該路徑更簡單且更容易。
圖9展示旨在消除或減少不連續性752之一內插演算法910。演算法910可藉由混合器710(圖7及圖8)針對兩個路徑700a及700b執行。
在一些應用中，尤其在材料搜尋中，不連續性752自身可係比定量誤差之其他源更大之問題。此在經測量信號750a之整體特性而非其經準確測量值對於描述材料性質最重要方面尤其如此。在許多例項中，可以相對或正規化術語評估經測量值以強調準確振幅內之行為。在此等情況中，混合器710可內插其來自ADC 708a及708b之兩個輸入以便維持量程r1與r2之間之一平滑轉變。此一內插可經由方程式1執行。其亦可使用用於內插來自ADC 708a及708b之信號之另一適合數學或信號處理構件執行。如圖9中展示，內插910通常僅在接近轉變時間tTR之一時間段920內執行。時間段920可對應於(例如)圖3中展示之△t。然而，應理解，內插910不需要限於任何特定時間段。由於來自兩個ADC 708a及708b之信號之各者之貢獻可變，故內插910可在整個測量內執行。
圖10A展示一變動1000，其包含在於共同增益鏈1000c中針對與多個放大器1004a至1004n相關聯之各路徑1000a及1000b進行選擇 時針對增益的額外寬容度。可藉由兩個系列之開關組1006a及1006b在變動1000中進行增益級選擇。各組包含可將一資料轉換器(例如，ADC)1008a或1008b與鏈1000c中之各增益級連接或斷開連接之開關(例如，開關1014a)。故而各放大器1004a至1004n可以獨立連接。
應理解，開關組1006a及1006b可以數個適合方式實施。可使用固態切換。替代地，可使用機械中繼切換。可使用任何其他適合切換或連接方法。個別開關(例如，1014a)可個別地存在且操作。替代地，其等可操作為一積體電路或其他整合式裝置之部分。其等可藉由任何適合手段(包含藉由使用者輸入、本文中描述之任何演算法(例如，演算法600、620及910等))觸發。再者，開關組1006a及1006b可經動態地操作使得切換及經饋給至資料轉換器1008a及1008b之增益可經動態地改變(例如，在圖6A中之量程r1及r2中之任何點)。
圖10A繪示可如何製造使用共同增益鏈來放大一輸入信號之增益路徑。在各增益級1014a至1014n之前或之後之共同增益鏈1000c中之點可由多個量程選擇。在圖10A中，一切換構件1006a及1006b及/或控制器可用於選擇共同增益鏈1000c上之點且將輸入信號傳遞至頂部資料轉換器1008a或底部資料轉換器1008b。
如圖10A中展示，混合器1010選擇或混合來自資料轉換器1008a及1008b之輸出以饋給至資料輸出1012。混合器1010可以與混合器410、510及710類似或相同之一方式操作。例如，混合器1010可使用方程式1來混合1008a及1008b輸出。其可基於藉由混合器410、510及710使用之任何資訊(例如，使用者輸入、演算法600等)這麼做。
雖然圖10A僅展示兩個轉換器，但應理解，變動1000(以 及變動500、700及800)可與任何適合數目個資料轉換器一起使用。一個例示性組態係針對各獨立量程指派一資料轉換器。因此，例如，若測量包含四個量程r1至r4，則可使用四個獨立資料轉換器。
圖10A展示變動1000在增益鏈1000c中包含任何數目(n)個增益級1004a至1004n。一般言之，1000c中包含之增益級愈多，容許資料轉換器1008a及1008b表示一特定量程之靈活性愈大。在若干變動(諸如變動1000)中，n在數目上比資料轉換器1008m之數目大兩倍或更多倍。
雖然圖10A展示看似相同或類似類型之增益級1004a至1004n，但情況不需要如此。在變動中，使用具有不同增益之不同類型之增益級可係有利的。具有一共同增益級1000c之一益處係需要校準系統之更少部分。在習知系統中，需要校準兩個完全獨立的增益路徑。在本發明中，可獨立於量程校準增益級。此可減少校準整體系統所耗費之時間。
通常言之，鏈1000c中之大多數或全部增益級係在作用中。在一些情況中，在某些增益級1004a至1004n未使用時將其等撤銷啟動(例如，以生成作用中或經預期量程)可係有用的。例如，一些類型之增益級1004a至1004n可能無法在不產生誤差之情況下良好地處置飽和。在該情況中，一旦偵測到飽和之一風險，便將有利地撤銷啟動此等增益級。這麼做可容許更快轉變(即，藉由僅在一量程能夠適當地放大信號時啟動該量程)。亦可撤銷啟動未使用量程1004a至1004n以減少電力汲取、熱生成等。
圖10B展示可使用變動1000產生之一例示性增益路徑(增益路徑A)。為了產生增益路徑A，接合開關1014c。此引起增益路徑A藉由增益級1004a及1004b(且無其他增益級)放大。接著將經放大信號發送至 資料轉換器1008a。路徑接著由混合器1010與另一路徑混合且經發送至資料輸出1012。在變動中，混合器1010可僅將來自增益路徑A之信號發送至資料輸出1012。在其他變動中，其可藉由本文中揭示之手段或演算法(例如，方程式、演算法600等)之任何者混合路徑。
圖10C展示包含兩個變動(一高量程及一低量程變動)之另一增益路徑(增益路徑B)。高及低變動兩者使用資料轉換器1008b而非轉換器1008a。因此，增益路徑B可與增益路徑A分開且獨立地接合。增益路徑A及B可藉由混合器1010混合在一起以形成資料輸出1012。
增益路徑B之較高量程路徑包含更少增益且可更適於一較高量程(例如，圖6A中之r2)。其藉由觸發開關1014f(此引起路徑包含來自僅一個級(即，1004a)之增益)而這麼做。藉由觸發開關1014h而不觸發開關1014f來獲得較低量程路徑。較低量程路徑包含兩個額外增益級(即，1004b及1004c)以及增益級1004a。此給予其可更適於一較低量程(例如，圖6A中之r1)之一遠更高增益。
變動1000可視需要在此等增益路徑之任何者之間切換。其可(例如)根據演算法600、620及910之任何者這麼做。例如，由於增益路徑A係最低增益，故變動1000可最初使用增益路徑A。其可同時使增益路徑B在線以使其暖機且移除瞬變。在此案例中，增益路徑B將在其較低量程組態中，預期經測量信號將首先使用此，此係因為其係自一較低量程(即，與增益路徑A相關聯之較低量程)增加。隨著經測量信號繼續增加，混合器1010可混合增益路徑A及B，其中增益路徑B在較低量程組態中。隨著經測量信號繼續增加，混合器1010可僅將增益路徑B發送至資料輸出1012。隨著信號繼續增加超出此點，可藉由關閉1014h且接通1014f而觸 發增益路徑B之較高量程組態。此將給予輸入信號1002與在最高量程中對應之最少量之增益(即，僅來自增益級1004a之增益)。
圖11展示包含藉由另一手段(即，增益級選擇器1116a至1116n)之可變增益選擇之另一變動1100。變動1100自來自兩個級1104a及1104b當中之增益選擇增益。然而，應理解，此僅係例示性的。任何適合數目n個增益級1104可包含於1100中。
在變動1100中，各資料轉換器1108a至1108n連接至其自身之增益級選擇器1116a至1116n。然而，其中資料轉換器1108共用增益級選擇器1116之其他組態亦係可行的。
變動1100包含數目n個資料轉換器，n可係大的。一般言之，轉換器之數目n可經選擇使得各量程存在一個轉換器。在其他情境中，包含比量程更多或更少之轉換器可係有利的。例如，在測量脈衝輸入信號應用中，多個量程/增益級亦係有用的。若輸入信號轉變多個量程，則跨具有不同增益之若干量程測量該脈衝可係有用的。應理解，可使用任何適合數目(大於或小於n)個增益級。
具有始終在共同增益鏈中之一點處測量之一量程而其他量程在所要增益之間來回傳遞信號可係有用的。一個變動可使用一低成本ADC以初始化具有一低增益之輸入信號且使用此資訊以在高品質ADC中快速地組態增益。此對於在不同源之間改變之輸入可係有價值的。具有大振幅尖波之輸入信號亦可引起測量系統之問題。因此，藉由同時測量大量ADC，吾人可在輸入在其「正常」量程中時達成精確測量，但仍能夠測量一信號尖波。在其他變動中，輸入可獲益於同時使用不同類型之ADC來測量信號。高速ADC連同高解析度ADC將容許測量且轉換不同類型之 信號而不犧牲效能。全部此等變動可使用預期演算法連同為了其他目的測量輸入信號之其他ADC。許多通信信號展現此類型之信號特性。
如圖11中展示，變動1100包含一量程混合器1110。量程混合器1110混合資料轉換器1108a至1108n之輸出以提供至資料輸出1112。量程混合器1110可根據本文中在其他量程混合器之背景內容中(例如，在量程混合器1010之背景內容中)揭示之任何方法混合輸出。亦可設計許多不同類型之混合演算法以組合不同量程以更精確地測量一不斷改變之輸入信號。
如圖11中展示，各增益級選擇器1116a至1116n可將增益級1104a及1104b之任何組合提供至資料轉換器1108a至1108n。組合可藉由本文中揭示之增益選擇之任何手段(包含藉由使用者輸入、本文中揭示之任何演算法(例如，600、620及910))選擇。
圖12A係可藉由量程混合器410、510、710、1010及1110執行之一例示性混合及自動測距演算法1200之一示意圖。演算法1200混合三個量程A1、A2及A3，如圖12A中展示。為了純闡釋性目的，A1>A2>A3。應理解，較高增益通常與經測量變數中之一較低量程相關聯，且反之亦然。因此，A1>A2>A3之一例示性增益組態將最可能對應於以下經測量量程組態：r1<r2<r3。在此情境中，最高增益A1將應用於經測量資料中之最低量程r1等。圖12A展示在經測量信號之值減小時自A3至A1(頂部至底部)增加之增益。亦即，在經測量信號在量程上自r3至r1減小時。
當經測量信號在最高量程(例如，圖6A中之量程r3)中時，演算法1200應用最低增益A3。在經測量信號減小且接近下一最低量程 (即，其中期望下一較高增益A2之量程)時，混合器(例如，410、510、710、1010及1110)變得在作用中。此發生在步驟1204。在步驟1204中，混合器組合A3及A2以平滑化轉變。在步驟1206，A3與A2量程之間之轉變完成。混合器僅應用A2。在步驟1208，經測量資料穩固地在A2量程中。此處，級之間之任何切換或藉由混合器之混合係錯誤的。因此，演算法1200應用防止預期量程之改變之一滯後。此確保不存在基於資料中之雜訊或像差之電子器件之錯誤切換。在步驟1210，經測量資料進一步減小以接近其中最高增益A1最適當之經測量值中之最低量程(例如，圖6A中之r1)。因此，演算法1200「暖機」A1增益輪廓。混合器此時未實際上關於經測量信號接合A1增益。代替性地，其經接通以去除可發生之任何瞬變。混合器開始在步驟1212主動地混合A2及A1量程。此係因為經測量信號現足夠接近最高增益A1/最低經測量量程r1以平滑化轉變。最終，在步驟1214，經測量資料現穩固地在A1量程中。混合器僅提供A1增益。
應理解，雖然圖12A已相對於將增益自最低A3增益增加至最高A1(將量程自最高經測量量程r3減小至最低經測量量程r1)解釋圖12A，但圖12A係雙向的。亦即，演算法1200亦可在增益自A1減小至A3(對應於經測量資料之量程自r1至r3之一增加)之情況下繼續進行。在該情況中，演算法1200將以相反順序遵循步驟(即，1214至1202)。
自動測距演算法可針對任何應用不同且不需要如圖12A中展示般係對稱或線性的。在圖12B中展示一不對稱自動測距演算法1250。在圖12B中，存在藉由經測量資料之數量級指定之三個量程：10、1及0.1。應注意，數字10、1及0.1係指經測量變數(例如，電壓)中之量程之數量級。此不同於其中量程藉由其等增益A1、A2及A3指代之圖12A。由於 增益與經測量變數逆相關，故最低經測量量程0.1對應於最高增益(A0.1)。最高經測量量程10對應於最低增益(A10)。由於10與0.1量程之間之改變表示經測量資料中之兩個數量級之一改變，故需要額外注意量程混合。特定言之，經測量資料在0.1量程中如此小，使得其可容易被量程混合淹沒。因此，演算法1250謹慎應用量程混合。
當經測量信號在最高經測量資料量程10中時，演算法1250應用適於該量程之最低增益(A10)。此係在圖12B中之步驟1252。隨著經測量信號減小且接近下一最高經測量資料量程1，混合器變得在作用中。此發生在步驟1254處。在步驟1254中，混合器組合10(A10)及1(A1)量程之增益以平滑化轉變。在步驟1256，10與1量程之間之轉變完成。混合器僅應用1(A1)之增益。然而，由於在1與10量程之間之量程之差異如此大，因此用於10(A10)經測量資料量程之電子器件保持熱的。雖然不存在混合，但混合器準備好視需要在量程之間切換以防止飽和。在步驟1258，經測量資料如此穩固地在1量程中，使得至量程10之切換不可行。此處，級之間之任何切換或藉由混合器之混合係錯誤的。因此，演算法1250應用防止預期量程之改變之一滯後。此確保不存在基於資料中之雜訊或像差之電子器件之錯誤切換。在步驟1260，經測量資料充分減小以接近最低0.1經測量資料量程。在此步驟中，混合器藉由接合用於0.1量程之電子器件但保持其等離線(即，不混合量程)而預期一向下量程改變。隨著經測量資料繼續朝向0.1量程減小，演算法1250進入步驟1262。在此階段中，混合器主動地組合0.1(A0.1)及1(A1)量程之增益以平滑化至0.1量程之轉變。最終，在步驟1264，經測量資料現穩固地在0.1量程中。混合器僅提供與最低0.1經測量資料量程相關聯之增益(A0.1)。
應理解，雖然已相對於將經測量量程自最高10量程減小至最低0.1經測量資料量程(增加增益)解釋圖12B，但圖12B係雙向的。亦即，演算法1250亦可在經測量資料自量程0.1增加至10，且對應增益在減小之情況下繼續進行。在該情況中，演算法1250將以相反順序遵循步驟(即，1264至1252)。
圖13A及圖13B展示表示在實施本文中揭示之演算法(例如，600、620、910、1200及1250)時可藉由一混合器執行之一量程改變預期演算法1300之一流程圖。
演算法1300藉由起始輸入信號而開始。在步驟1302，測量輸入信號。在步驟1302，使一第一量程A在作用中以與輸入信號比較。在步驟1304進行該比較。
若不期望量程A，則在步驟1306中，演算法1300判定量程是否係太低或太高。若量程太高，則在步驟1308a減小量程。若量程A對於經測量輸入信號太低，則在步驟1308b增加用於量程A之增益。無論量程A係增加或減小，下一步驟1310皆等待由增益改變引起之任何瞬變效應消散。在瞬變消散之後，演算法1300再次執行步驟1302以測量信號且與量程A之經修改增益比較。
當步驟1304判定經測量信號期望與量程A相關聯之增益時，演算法1300繼續進行至步驟1312。在步驟1312，演算法預期自量程A至一新量程B之一改變。其「暖機」與新量程B相關聯之電子器件。在步驟1314，演算法1300基於其對新量程B及經測量輸入之評估起始輸入。在步驟1316，演算法1300測量量程A及B兩者中之輸入。在步驟1318，演算法1300在量程A及B當中選擇用於經測量輸入之最佳量程以在作用中(即， 用於測量輸入)。
演算法1300接著開始基於經測量輸入及當前量程A及B決定一切換臨限值之程序。在步驟1320中，演算法1300判定作用中的量程是否小於一下量程切換臨限值。若作用中的量程小於下量程臨限值，則演算法1300執行步驟1322以判定量程A及B當中之冷或未使用量程是否在較低量程中。若冷量程A或B在較低量程中，則演算法1300繼續進行至步驟1324以起始混合。若冷量程A非較低量程，則在步驟1326中，演算法1300將冷量程設定為較低量程，接著繼續進行至步驟1324以起始混合。
若在步驟1320中，演算法1300判定作用中的量程不小於一下切換臨限值，則其繼續進行至步驟1328。在步驟1328，演算法1300判定作用中的量程是否大於一上切換臨限值。若是，則演算法1300繼續進行至步驟1330以判定量程A及B當中之冷或未使用量程是否係較高量程。若冷量程A或B在較高量程中，則演算法1300繼續進行至步驟1324以起始混合。若冷量程A非較高量程，則在步驟1332中，演算法1300將冷量程設定為較高量程，接著繼續進行至步驟1324以起始混合。
若演算法1300發現作用中的量程不小於一下切換臨限值(步驟1320)，且發現其亦不大於上切換臨限值(步驟1328)，則演算法繼續進行至步驟1334。在步驟1334，演算法1300應用一滯後以防止量程改變。此係因為經測量信號不在量程上或下改變臨限值內。因此，關於改變量程之任何決策將係基於資料中之錯誤雜訊或短時脈衝波形干擾。一旦應用滯後，演算法便繼續進行至步驟1324以起始混合。
在步驟1324，演算法1300開始起始混合之步驟。第一步驟係確保冷量程經安定。若冷量程經安定，則系統準備好混合。接著演算法 1300繼續進行至步驟1326以判定是否在量程中混合。若作出決策進行混合，則在步驟1328，演算法1300混合量程且接著在步驟1330提供經混合信號作為輸出。若決策係不混合，則在步驟1332，演算法將輸出設定至作用中的量程。若冷量程未經安定，則演算法1300自步驟1324繼續進行至步驟1332以將輸出設定至作用中的量程。在於1332將輸出設定至作用中的量程之後，接著在步驟1330輸出信號。
測距不需要僅僅藉由演算法完成。其亦可經由硬體完成。圖14A及圖14B展示輸入一個此例示性硬體變動1400之參數。在1400中，存在能夠測量指定量程之一「主要」通道，及具有更少增益之一「輔助」通道。在各量程更新時，主要通道上之滿刻度指示之百分比可用於如下般判定行為：
Figure 110115429-A0305-02-0031-29
圖14A及圖14B展示量程混合演算法1400將如何針對不同輸入位準表現。更特定言之，圖14A及圖14B展示演算法1400將如何基於 輸入(即，量程、量程列舉、輸入電壓、啟用預放大器、啟用級B、啟用級C、通道A增益及通道B增益)混合(即，「混合」)不同通道增益A及B。輸入係針對兩個增益通道A及B以及兩個樣本級B及C。「量程列舉」係一特定量程之一整數表示(即，10V量程係「0」，1V量程係「1」，100mV量程係「2」等)。
圖15繪示可使用變動400、500、700、800、1000、1100及演算法600、620、910、1200、1250、1300及1400之一例示性頭部單元1550與例示性測量艙1560之間之一測量信號鏈1500。雖然圖15展示系統1500中之無縫測距之特定態樣，但應理解，系統1500可適應本文中揭示之任何變動。
如圖15中展示，頭部1550包含測量通道1502。在例示性情況中，存在兩個輸入測量通道，一個用於一量程A且一個用於一量程B，各輸入測量通道具有其相關聯ADC。應注意，在一些變動中，各測量艙1560將具有與頭部1550通信之一相關聯系統1500。此意謂具有三個測量艙1560之一變動可具有六個ADC。應理解，取決於特定測量及所涉及量程之數目(其可實質上大於兩個(例如，三個、四個或更多))，任何適合數目個測量通道係可行的。可經由數個可變放大器1520及類比濾波器1504自測量艙1560獲得測量通道1502，如圖15中展示。可如在圖10至圖12中之增益之背景內容中描述般設定放大器1520上之增益。通道1502可與一量程混合器1508組合1506且經由鎖定發送用於解調變1510。解調變可由參考信號(例如，參考(鎖定)及參考+90度(鎖定)1512)通知且經受數位濾波器1514以進行信號細化。
可以任何數目個方式(包含DC、AC或鎖定處理)處理信 號。可在經測量樣本信號之峰值之基礎上進行量程決策而無關於為了測量之目的執行何其他處理。此係因為峰值係將引起放大器過載之物。如圖15中展示，量程混合器1508可進一步提供針對量程及設定1516之輸出，該輸出最終經饋給回放大器1520及類比濾波器1504以具體相對於量程A及B之各者調整經測量樣本信號之增益及處理。量程混合器1508可如上文在量程混合器410、510、710、1010及1110之背景內容中描述般執行。將此程序稱為連續測量測距及/或量程混合。其目的係確保抵抗否則可在測量艙1560必須改變其擷取參數以針對經測量樣本信號之量程之一改變調整時發生之短時脈衝波形干擾或測量不一致。
測量艙1560可進一步包含能夠執行各種功能(包含分析、資料之通信、命令資訊、電力調節、時序及與外部裝置之通信)之數位(非類比)電路。在變動中，測量艙1560具有撤銷啟動此非類比電路同時執行一測量或提供一源信號之能力。這麼做減少信號或測量中之干擾及雜訊之量。為了相同原因，測量艙1560中之數位信號可與源艙1560及頭部1550隔離。
系統1500之其他變動包含任何適合數目個頭部1550、源艙及測量艙1560。例如，圖16展示另一例示性變動1600，其中一頭部單元1550可具有可支援三個測量類型艙1560a及三個源類型艙1560b之六個通道。在此變動中，頭部1550亦經展示為連接至一選用電腦1602及三個例示性經取樣或受測裝置(DUT)1570。再次，此組態僅係例示性的。不需要相等數目個測量1950a及源1950b艙。例如，一個源1950a可提供用於全部三個DUT 1570之激發信號。
雖然可在本文中將本發明之各種發明態樣、概念及特徵描 述且繪示為結合例示性實施例體現，但此等各種態樣、概念及特徵可在許多替代實施例中個別地或以其等之各種組合及子組合使用。除非在本文中明確排除，否則全部此等組合及子組合旨在在本發明之範疇內。仍進一步，雖然可在本文中描述關於本發明之各種態樣、概念及特徵之各種替代實施例(諸如替代材料、結構、組態、方法、電路、裝置及組件、軟體、硬體、控制邏輯、關於形式、配合及功能之替代例等)，但此等描述不旨在為可用替代實施例(無論係當前已知或隨後開發)之一完整或窮舉性清單。熟習此項技術者可容易將發明態樣、概念或特徵之一或多者採用至本發明之範疇內之額外實施例及使用中，即使未在本文中明確揭示此等實施例。
另外，即使可在本文中將本發明之一些特徵、概念或態樣描述為一較佳配置或方法，但此描述不旨在建議此特徵係需要或必要的，除非明確如此陳述。仍進一步，可包含例示性或代表性值及範圍以輔助理解本發明，然而，此等值及範圍不應在一限制性意義上解釋且僅在如此明確陳述之情況下旨在為臨界值或範圍。識別為「近似」或「約」一指定值之參數旨在包含指定值及在指定值之10%內之值兩者，除非另外明確陳述。此外，應理解，隨附於本申請案之圖式可(但不需要)按比例，且因此，可被理解為教示在圖式中顯而易見之各種比率及比例。再者，雖然各種態樣、特徵及概念可在本文中明確識別為發明性的或形成一發明之部分，但此識別不旨在為排他性的，實情係可存在在本文中完全描述而不明確識別為此或識別為一特定發明之部分之發明態樣、概念及特徵，發明代替性地在隨附發明申請專利範圍中闡述。例示性方法或程序之描述不限於如在全部情況中需要般包含全部步驟，或不將呈現步驟之順序解釋為需要 或必要，除非明確如此陳述。
400:變動/鏈
402:較低增益鏈
404:較高增益鏈
406:額外放大器
408a:類比轉數位轉換器(ADC)
408b:類比轉數位轉換器(ADC)
410:混合器

Claims (22)

  1. 一種測量系統，其包括：一增益鏈，其經組態以放大一類比輸入信號；一量程選擇器，其經組態以選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益由該增益鏈中之複數個增益級構成；及一混合器，其經組態以將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出，且其中：該複數個ADC包括一第一ADC及一第二ADC；且該組合該複數個ADC輸出係根據以下項執行：經混合輸出=αEfirst+(1-α)Esecond其中：Efirst係該第一ADC之該輸出；Esecond係該第二ADC之該輸出；且α係自1變動至0之一混合參數。
  2. 如請求項1之系統，其包括三個或更多個ADC。
  3. 如請求項1之系統，其中以下項之至少一者：該增益鏈之一第一部分連接至該複數個ADC之一第一者且該增益鏈之一第二部分連接至該複數個ADC之一第二者；及 該複數個ADC包括至少兩種類型之ADC。
  4. 如請求項3之系統，其中該量程選擇器自該增益鏈之該第一部分選擇用於該複數個ADC之該第一者之一增益且自該增益鏈之該第二部分選擇用於該複數個ADC之該第二者之一增益。
  5. 如請求項1之系統，其中該增益鏈中之該等增益級之各者經由一或多個開關組連接至該複數個ADC之各者。
  6. 如請求項5之系統，其中該量程選擇器藉由設定該一或多個開關組中之開關而選擇用於該複數個ADC之一第一者之共用增益級之一第一部分且選擇用於該複數個ADC之一第二者之該等共用增益級之一第二部分。
  7. 如請求項5之系統，其中該量程選擇器包括一第一及第二多工器，且其中該第一多工器選擇共用增益級之第一部分；且該第二多工器選擇該等共用增益級之第二部分。
  8. 如請求項7之系統，其中該等共用增益級之該第一部分之選擇包括針對該複數個ADC之第一者組態一增益且該等共用增益級之該第二部分之選擇包括針對該複數個ADC之第二者組態一增益。
  9. 如請求項8之系統，其中針對該複數個ADC之該第一及第二者組態一增益包括根據該類比輸入信號之至少一個量程組態該等增益。
  10. 如請求項1之系統，其中：各輸出路徑之該增益實質上相同；且該混合器平均化來自各輸出路徑之輸出以減少該單一經混合輸出中之雜訊。
  11. 一種測量系統，其包括：一增益鏈，其經組態以放大一類比輸入信號；一量程選擇器，其經組態以選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益由該增益鏈中之複數個增益級構成；及一混合器，其經組態以：當該類比輸入信號在一第一量程中時，自一第一ADC選擇一輸出作為一單一經混合輸出；當該類比輸入信號在一第二量程中時，自一第二ADC選擇一輸出作為該單一經混合輸出；且當該類比輸入信號在該等第一與第二量程之間時，自該等第一及第二ADC選擇該等輸出之一混合作為該單一經混合輸出。
  12. 如請求項11之系統，其中該系統：在該類比輸入信號在該第一量程中之一第一轉變週期期間，使該第二ADC維持在線；且 在該類比輸入信號在該第二量程中之一第二轉變週期期間，使該第一ADC維持在線。
  13. 如請求項12之系統，其中該量程選擇器經組態以基於該類比輸入信號之一預期量程針對該第一ADC及第二ADC之至少一者組態一增益。
  14. 如請求項12之系統，其中，在一滯後週期期間，該系統：使該第一ADC維持離線；使該第二ADC維持在線；且使該第二ADC之一增益維持恆定。
  15. 如請求項14之系統，其中該滯後週期係在該第一轉變週期與該第二轉變週期之間。
  16. 一種測量系統，其包括：一增益鏈，其經組態以放大一類比輸入信號；一量程選擇器，其經組態以選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益由該增益鏈中之複數個增益級構成；及一混合器，其經組態以將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出，其中該複數個ADC輸出路徑包括：兩個ADC輸出路徑，其等可經獨立地組態成一高量程及一低量程 路徑；該低量程路徑具有用於轉換該類比輸入信號之一第一增益；該高量程路徑具有用於轉換該類比輸入信號之一第二增益，該第二增益低於該第一增益；一混合裝置，其經組態以將該低量程路徑之一輸出與該高量程路徑之一輸出組合；及一裝置，其經組態以變動自該低量程路徑及該高量程路徑組合之增益之一量。
  17. 如請求項16之系統，其中該高量程路徑連接至一第一增益鏈且該低量程路徑連接至一第二增益鏈。
  18. 如請求項16之系統，其進一步包括用於針對該第一增益選擇第一增益鏈之增益級且針對該第二增益選擇第二增益鏈之增益級之一選擇器。
  19. 如請求項16之系統，其中該等第一及第二增益之各者包括一增益鏈中為該低量程路徑及該高量程路徑所共有之增益級。
  20. 一種放大信號之方法，其包括：使用一增益鏈放大一類比輸入信號；選擇該類比輸入信號與來自複數個類比轉數位轉換器(ADC)之複數個ADC輸出之間之一增益，其中各ADC輸出具有一路徑，且各輸出路徑之一增益由該增益鏈中之增益級構成；及 將該複數個ADC輸出組合成一單一經混合輸出，其中該增益鏈中之該等增益級之各者經由一或多個開關組連接至該複數個ADC之各者。
  21. 如請求項20之方法，其中該增益鏈之一第一部分連接至該複數個ADC之一第一者且該增益鏈之一第二部分連接至該複數個ADC之一第二者。
  22. 如請求項20之方法，其進一步包括：將兩個ADC輸出路徑獨立地組態成一高量程及一低量程路徑；自該低量程路徑應用一第一增益以轉換該類比輸入信號；自該高量程路徑應用一第二增益以轉換該類比輸入信號，該第二增益低於該第一增益；將該低量程路徑之一輸出與該高量程路徑之一輸出組合；及變動自該高量程路徑及該低量程路徑組合之增益之一量。
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