专利名称：具有宽动态范围的电流积分器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量电流的测定电路，该测定电路包括积分电路，用于在积分时间期间对电流进行积分，从而得到积分值；时间计数器单元，用于从电流积分开始到预定的最大积分时间期间对积分时间进 行计数。本发明还涉及一种使用这种测定电路测量电流的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品，当由处理器执行时，该计算机程序产品适合 于使用这种测定电路对电流进行积分。
背景技术：
从国际专利申请W02007/029191A2中已知这类测定电路的实施例。在该文件中描 述了一种测定电路，其用于测量具有大动态范围的小电流，该测定电路包括积分单元和计 数器单元。该积分单元适合于在积分时间期间对电流进行积分，从而得到积分值。该计数器 单元适合于对积分时间进行计数，从而得到计数值。如果在最大积分时间终止之前积分值 超过第一阈值，则该测定电路适合于根据计算值输出第一测量结果。该第一阈值可以是积 分单元的饱和电压，该积分单元包括运算放大器，其中电容器并联连接到该运算放大器。该 第一测量结果是积分值超过第一阈值所需要的积分时间。根据另一个实施例，如果在最大 积分时间终止时积分值低于第一阈值，则测定电路适合于根据积分值输出第二测量结果。 根据又一个实施例，如果在最大积分时间终止之前积分值超过第一阈值并且如果计数值低 于第二阈值，则测定电路适合于根据计数值和积分值输出第三测量结果。用于对具有大动 态范围的电流进行积分的测定电路，例如在使用扩散光学层析成像法对光学混浊介质的内 部进行成像的设备中是有用的。在这种设备中，电流容易地跨越10个数量级。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种与根据现有技术的测定电路相比更精确的测定电 路。根据本发明，实现了这一目的是因为测定电路进一步包括复位计数器，用于对积分单元的复位次数进行计数，其中该测定电路适合于(a)如果在预定的最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出第
一测量结果；(b)如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过复位阈值，则复位 该积分单元；(c)每次当积分值的绝对值超过复位阈值时都重复输出和复位步骤直到预定的最 大积分时间终止为止，对复位次数进行计数；(d)如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出第二
测量结果。
本发明基于以下认识，即本发明允许使根据现有技术的测定电路在预定的最大积 分时间终止之前饱和的电流在更长的时间段期间被积分。事实上，该电流是在一系列时间 间隔期间被积分的，每一间隔通过积分单元的复位与在前间隔分开。利用本发明使根据现 有技术的测定电路饱和的电流可以在更长的时间段期间被积分的这一事实，意味着根据本 发明的测定电路比根据现有技术的测定电路更精确。毕竟，众所周知的是，随着对信号(在 这种情况下是电流)进行测量的时间间隔增加，测量的精度也增加。此外，针对每一时间间 隔获得的积分值可以被平均，这也使得根据本发明的测定电路比根据现有技术的测定电路 更精确，根据现有技术的测定电路的输出仅基于单个间隔期间的积分，这是因为一旦积分 值超过预定的阈值它便切断积分。本发明的另外一个优点是与根据现有技术的测定电路相比它具有可被积分电流 的更高动态范围。当对某一电流进行积分时，如果根据现有技术的测定电路中包含的积分 单元在最大积分时间终止之前就饱和了，则根据本发明的测定电路能够通过对积分单元按 需要进行多次复位而继续进行积分。本发明的另一个优点是允许选择电容器，从而使得测定电路针对特定测量范围被 优化。我们可以，例如，测量lfA-liiA(9个数量级)或者lpA-lmA(也是9个数量级)范围 内的电流。然而，第一个范围是针对在噪声基底附近的精确测量被优化的，第二个范围是针 对更大的电流被优化的。其他涉及测量具有大动态范围的电流的文献有美国专利6，429，718B1和美国专 利6，150，649。然而，这些文献都没有描述如果由积分单元生成的积分值的绝对值超过复 位阈值则(根据需要多次)复位该积分单元，并且在该(或者每次)复位之后继续对电流 进行积分直到最大积分时间终止为止。特别地，美国专利6，429，718B1描述了从一个增 益系数切换到另一个增益系数以使得电流的积分可以跨越一个大的动态范围。美国专利 6，150，649描述了在不同长度的时间间隔期间对跨越大动态范围的电流进行积分，以获取 不同针对不同大小的电流的不同增益。根据本发明的测定电路的一个实施例，其中积分单元包括较高增益积分电路，用于如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值低 于开关阈值，则对电流进行积分；较低增益积分电路，用于如果在预定的最大积分时间终止之前由较高增益积分电 路生成的积分值的绝对值超过开关阈值，则对电流进行积分直到预定的最大积分时间终止 为止。本实施例的优点是其允许对具有一定大小的电流进行测量，该电流导致由较高增益 积分电路生成的积分值在最大积分时间终止之前超过开关阈值。因而，本实施例适于测量 换句话说太大以至于不能在没有超过开关阈值的情况下测量的电流。本发明的目的还可以通过用于测量具有大动态范围的电流的方法实现，该方法包 括以下步骤使用积分单元在预定的最大积分时间期间对电流进行积分，从而得到积分值；从电流积分开始到预定的最大积分时间终止对积分时间进行计数；如果在预定的最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出第一测
量结果；如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过复位阈值，则复位积分单元；每次当积分值的绝对值超过复位阈值时重复输出和复位步骤直到预定的最大积 分时间终止为止，对复位次数进行计数；如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出第二测量结果。根据本发明的方法的一个实施例，其中该方法进一步包括以下附加步骤如果在预定的最大积分时间终止之前由较高增益设置生成的积分值的绝对值超 过开关阈值，则将积分单元从较高增益设置切换到较低增益设置。正如前面讨论过的方法 实施例，本实施例的优点是其允许对具有一定大小的电流进行测量，该电流导致由较高增 益积分电路生成的积分值在最大积分时间终止之前超过开关阈值。本发明的目的还可以通过计算机程序产品实现，当由处理器执行时，该计算机程 序产品适于实现以下步骤使用积分单元在积分时间期间对电流进行积分；对积分时间进行计数；如果在预定的最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出第一测
量结果；如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过复位阈值，则复位积分 单元；每次当积分值的绝对值超过复位阈值时重复输出和复位步骤直到预定的最大积 分时间终止为止，对复位次数进行计数；如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出第二测量结果。根据本发明的计算程序产品的一个实施例，其中当由处理器执行时，该计算机程 序产品适于进一步实现以下附加步骤如果在预定的最大积分时间终止之前由较高增益设置生成的积分值的绝对值超 过开关阈值，则将积分单元从较高增益设置切换到较低增益设置。正如前面讨论过的方法 实施例，本实施例的优点是其允许对具有一定大小的电流进行测量，该电流导致由较高增 益积分电路生成的积分值在最大积分时间终止之前超过开关阈值。
附图1示意性地示出了根据本发明的包含较高增益电路和较低增益电路的测定 电路的实施例；附图2示意性地示出了仅使用较高增益电路的较低电流测量；附图3示意性地示出了使用较高增益电路和较低增益电路两者的较高电流测量；附图4示意性地示出了对于较高电流的多重积分原则的定时；附图5示意性地示出了根据本发明方法的一个实施例；附图6示意性地示出了包含根据本发明的测定电路的用于对混浊介质的内部进 行成像的设备的实施例；附图7示意性地示出了包含根据本发明的测定电路的医学图像采集设备的实施例；表1列出了仅使用较高增益电路、仅使用较低增益电路以及使用这两者的电流测量。
具体实施例方式附图1示意性地示出了根据本发明的测定电路的实施例，其包含较高增益电路和 较低增益电路。测定电路100包括积分单元105、计数器单元110、模数转换器115和时钟 120(例如100MHz时钟)。然而，可使用不同的频率来计时。计数器单元110可被适配为计 数器/定时FPGA。FPGA是现场可编程门阵列，一种具有可配置的数字逻辑的设备，如计数 器、寄存器等。测定电路100适合于测量具有大动态范围(例如跨越10个或更多个十进制 的范围)的电流(或多个电流)。要被测量的电流可以由光电二极管125生成，其检测来自 例如光纤的光导130的光。光导130可以包含在利用扩散光学层析成像法对光学混浊介质 的内部进行成像的设备中。积分单元105包括较高增益电路135和较低增益电路140。较高 增益电路135和较低增益电路140两者都可以被适配为例如1/2ACF2101或IVC102。较高 增益电路135的负输入端连接到开关145。其正输入端接地150。更进一步，该负输入端连 接到电容器155(该电容器例如可以具有容量100pF)和(与电容器155并联的)开关160， 以用于执行复位。开关160由来自计数器单元110的R2信号触发。较高增益电路135与 比较器165连接。比较器165将由较高增益电路135生成的积分值与参考电压(构成复位 阈值的参考电压的绝对值)相比较。开关170将较高增益电路135连接到模数转换器115。 开关170由来自计数器单元110的S2信号触发。类似地，较低增益电路140的负输入端连 接到开关175。其正输入端接地150。更进一步，该负输入端连接到电容器180(该电容器 例如可以具有容量lOnF)和(与电容器180并联的)开关185，以用于执行复位。开关185 由来自计数器单元110的R1信号触发。较低增益电路140与比较器190连接。比较器190 将由较低增益电路140生成的积分值与参考电压(构成开关阈值的参考电压的绝对值)相 比较。开关195将较低增益电路140连接到模数转换器115。开关195由来自计数器单元 110的S1信号触发。要被测量的电流经由开关145输入到较高增益电路135，该开关145连接到计数 器单元110且由来自计数器单元110的H2信号触发。计数器单元110对具有10ns增量 (100MHz时钟)的积分时间进行计数。如果最大积分时间终止(例如100ms)，而积分值没 有超过开关阈值，则使用由模数转换器115生成的值(同样参见附图2)。如果在最大积分 时间终止之前积分值超过开关阈值，则要被测量的电流经由开关175输入到较低增益电路 140，该开关175连接到计数器单元110且由来自计数器单元110的HI信号触发。锁存计 数器单元110的值并且将该值用作测量结果(同样参见附图3)。如果较低增益电路140接 通并且在最大积分时间终止之前由较低增益电路140生成的积分值超过复位阈值(如由比 较器190所定义的)，则通过闭合开关185来复位较低增益电路140，该开关185由来自计 数器单元110的R1信号触发。在复位较低增益单元140之后，只要最大积分时间还没有终 止，较低增益电路140就继续对要被测量的电流进行积分，并且每次当积分值超过复位阈 值时就复位较低增益电路140。复位的总次数由计数器单元110进行计数。对复位次数的 计数给出关于要被测量的电流的信息(参见附图4)。
明显地，有可能引入至少一个另外的积分电路到测定电路100中与较高增益电路 135和较低增益电路140并联，每一个另外的积分电路具有低于先前最低增益的增益。这 样，构成了电路的级联。一旦由先前最低增益电路生成的积分值超过该电路的开关阈值，另 外的积分电路将允许正被测量的电流和先前最低增益电路切换到该另外的积分电路。从一 个电路到下一个电路的切换与一旦由较高增益电路135生成的积分值超过较高增益电路 135的开关阈值时从较高增益电路135到较低增益电路140的切换相类似。但是，要获得越 来越低的增益，就需要具有越来越大的容量的电容器。实际上，复位越来越大的电容将变得 有问题。因此，附图1所示的测定电路100 (具有能够被多次复位的较低增益电路140)是 包含越来越低的增益电路的级联的测定电路的合适替代。此外，明显地，与测定电路100类似的、但只包含能够被多次复位的单个增益电路 的测定电路也是有可能的。测定电路100能够在极宽的动态范围内测量电流。限制是由光电二极管125而不 是积分器电子设备导致的。附图2示意性地示出了仅使用附图1所示的较高增益电路的较低电流测量。沿水 平轴绘制的是表示最大积分时间的时间间隔。在附图2的实例中，最大积分时间是100ms。 但是，也可以根据需要选择其它值。沿着垂直轴绘制电势，0V表示地150 (关于附图标记，读 者可以参见附图1)的电势，而Vref表示与比较器165—起使用以用于定义复位阈值的参 考电势。在小电流(例如800pA的电流)测量过程中，由较高增益电路135生成的积分值 将不能达到复位阈值。在附图2中由线200表示作为时间函数的积分值。在最大积分时间 终止之后，VI被用作测量结果。附图3示意性地示出了使用附图1所示的较高增益电路和较低增益电路这两者的 较高电流测量。正如在附图2中所示，沿水平轴绘制表示最大积分时间的时间间隔。在附 图3的实例中，最大积分时间是100ms。但是，也可以根据需要选择其它值。沿着垂直轴绘 制电势，0V表示地150(关于附图标记，读者可以参见附图1)的电势，Vrefl表示与比较器 165 一起使用以用于定义开关阈值的参考电势，并且Vref2表示与比较器190 —起使用以用 于定义复位阈值的参考电势。在tl，由较高增益电路135生成且由线300指示的积分值超 过开关阈值。在那一时刻，较低增益电路140被接通。当最大积分时间终止时，基于由较低 增益电路140生成的积分值的电压输出V2被用作测量值。由线305指示作为时间函数的、 由较低增益电路140生成的积分值。在附图3中所示实例中的被测量的电流可以是，例如 8 u A。这是例如在附图2中所测量的电流的10，000倍。附图4示意性地示出了较高电流的多重积分原则的定时。正如在先前两幅图中所 示，沿着水平轴绘制表示最大积分时间的时间间隔。在附图4的实例中，最大积分时间是 100ms。但是，也可以根据需要选择其它值。沿着垂直轴绘制电势，0V表示地150(关于附图 标记，读者可以参见附图1)的电势，Vrefl表示与比较器165 —起使用以用于定义开关阈值 的参考电势，并且Vref2表示与比较器190 —起使用以用于定义复位阈值的参考电势。在 tl,由较高增益电路135生成且由线400指示的积分值达到开关阈值。在那一时刻，较低增 益电路140被接通。在t2，由较低增益电路140生成且由线405指示的积分值超过复位阈 值，并且较低增益电路140被复位。复位之后，较低增益电路140继续对电流进行积分直到 最大积分时间终止为止。同样，由线405指示作为时间函数的、由较低增益电路140生成的积分值。然而，在附图4中，较低增益电路140在第一次复位之后且在最大积分时间终止之 前多次达到复位阈值。每次当较低增益电路140达到复位阈值时，它都被复位直到最大积 分时间终止为止。在附图4的实例中，由较低增益电路140测量的电流等于六次复位循环 减去V2。发明人是较高增益电路和较低增益电路相加的结果还是较低增益电路的结果来 补偿少于最大积分时间，100-tlms ？附图5示意性地示出了根据本发明的方法的一个实施例。在步骤500使用积分单 元在预定的最大积分时间期间对电流进行积分。这种积分单元的实施例包含在附图1所示 的测定电路100中。积分产生积分值。在步骤505从积分开始到最大积分时间终止期间对 在其间积分电流的时间进行计数。如果在最大积分时间终止时积分值的绝对值低于预定的 阈值，则输出第一测量结果。这在步骤510中完成。如果在最大积分时间终止之前积分值 的绝对值超过预定的阈值，则积分单元在步骤515中被复位。复位之后，积分单元继续对电 流进行积分。在步骤520，重复步骤515直到最大积分时间终止为止，同时对复位次数进行 计数。最后，在步骤525，基于积分值和复位次数的至少其中之一输出第二测量结果。附图6示意性地示出了包含根据本发明的测定电路、用于对混浊介质的内部进行 成像的设备的一个实施例。设备600包括光源605以用于产生将被耦合到混浊介质610中 的光。混浊介质610容纳在接收容积615中，该接收容积由容器620限定。容器620包括 多个光625的入口位置，以用于将来自光源605的光耦合到接收容积615中。容器620进 一步包括多个用于光630的收集位置，以用于收集从混浊介质610以及因此从接收容积615 发出的光。光源605被连续地耦合到光的入口位置，该光的入口位置是使用光开关630从 光625的多个入口位置中选择的。光源605利用光导640被光学地耦合到光开关635。光 开关635利用光导645光学地耦合到容器620。在医学诊断中，例如设备600的设备可被用 于对女性乳房的内部进行成像。在这种情况下，由光源605产生的光通常具有400纳米至 1400纳米范围内的波长。从容器620发出的光在光630的多个收集位置处被耦合到光电探 测器单元650。光电探测器单元650利用光导655光学地耦合到容器620。光电探测器单 元650包括附图1所示的测定电路100。使用光电探测器单元650，在光630的多个收集位 置处收集的光被用于生成电信号，该电信号表示在光630的多个收集位置处从容器620发 出的光的强度。根据获得的电信号，使用图象重建单元660重建混浊介质610内部的图像。 容器620内没有被混浊介质610占用的空间可以用匹配介质665填充，该匹配介质665具 有例如吸收和散射系数的光学性质，从而基本上匹配混浊介质610的相应特性。这样，源于 将光耦合进入混浊介质610和耦合出混浊介质610的事实的的范围被减小了。此外，匹配 介质665的使用防止了光学短路的发生。如果在光的收集位置处发出的光既包含穿过混浊 介质610的光又包含穿过接收容积615但是没有穿过混浊介质610的光，则会发生光学短 路。由于混浊介质610强烈地衰减了从其中穿过的光，所以到达光收集位置但没有穿过混 浊介质610的光可使穿过混浊介质610的光的强度减小。这会妨碍正确的测量。当使用匹 配介质665时，混浊介质610和匹配介质665有效地构成了填充接收容积615的单一混浊 介质。附图7示意性地示出了包含根据本发明的测定电路的医学图像采集设备的一个 实施例。医学图象采集设备700包括在附图6所示设备600中所包含的元件。其由虚线矩形705表示。医学图象采集设备700进一步包括用于显示混浊介质610内部的重建图像 的屏幕710，以及允许操作员与医学图象采集设备700进行交互的操作员接口 715(例如键
盘) o表1列出了仅使用较高增益电路、仅使用较低增益电路以及使用这两者的电流测量。应该注意，上面提到的实施例只是说明性的，而不是限定本发明，并且本领域技术 人员能够设计很多种可替换的实施例而不偏离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置 在括号之间的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除那些在 权利要求中所列元件和步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的词语“一”或“一个”不排 除存在多个这种元件。本发明能够借助于包括多个不同元件的硬件实现，也可以借助于适 当编程的计算机实现。在列举了多个装置的系统权利要求中，这些装置中的若干装置可以 由同一项计算机可读软件或硬件实施。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施这一单 纯事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求
一种用于测量电流的测定电路(100)，该测定电路(100)包括积分单元(135，140)，用于在积分时间期间对电流进行积分从而得到积分值；时间计数器单元(110)，用于从电流积分开始到预定的最大积分时间期间对积分时间进行计数；复位计数器，用于对积分单元(135，140)的复位次数进行计数，其中该测定电路(100)适合于(a)如果在预定的最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出第一测量结果；(b)如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过复位阈值，则复位该积分单元(135，140)；(c)每次当积分值的绝对值超过复位阈值时都重复输出和复位步骤直到最大积分时间终止为止，对复位次数进行计数；(d)如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出第二测量结果。
2.如权利要求1所述的测定电路(100)，其中积分单元(135，140)包括较高增益积分电路(135)，用于如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值 低于开关阈值，则对电流进行积分；较低增益积分电路(140)，用于如果在最大积分时间终止之前由较高增益积分电路 (135)生成的积分值的绝对值超过所述开关阈值，则对电流进行积分直到预定的最大积分 时间终止为止。
3.一种用于测量电流的方法，该方法包括以下步骤使用积分单元(135，140)在预定的最大积分时间期间对电流进行积分(500)，从而得 到积分值；从电流积分开始到预定的最大积分时间终止对积分时间进行计数(505)； 如果在预定的最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出(510)第一测量结果；如果在预定的最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过所述复位阈值，则复位 (515)该积分单元(135，140)；每次当积分值的绝对值超过复位阈值时都重复(520)输出和复位步骤直到预定的最 大积分时间终止为止，对复位次数进行计数；如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出(525)第二测 量结果。
4.如权利要求3所述的方法，其中该方法进一步包括以下附加步骤如果在预定的最大积分时间终止之前由较高增益设置生成的积分值的绝对值超过开 关阈值，则将积分单元(135，140)从较高增益设置切换到较低增益设置。
5.一种计算机程序产品，当由处理器执行时，该计算机程序产品适合于实现以下步骤使用积分单元(135，140)在积分时间期间对电流进行积分(500)； 对积分时间进行计数(505)；如果在最大积分时间终止时积分值的绝对值低于复位阈值，则输出(510)第一测量结果；如果在最大积分时间终止之前积分值的绝对值超过所述复位阈值，则复位(515)该积 分单元(135，140)；每次当积分值的绝对值超过复位阈值时重复(520)输出和复位步骤直到预定的最大 积分时间终止为止，对复位次数进行计数；如果复位次数是非零的，则根据积分值和复位次数的至少其中之一输出(525)第二测量结果。
6.如权利要求5所述的计算机程序产品，其中当由处理器执行时，该计算机程序产品 适合于进一步实现以下附加步骤如果在预定的最大积分时间终止之前由较高增益设置生成的积分值的绝对值超过开 关阈值，则将积分单元(135，140)从较高增益设置切换到较低增益设置。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量电流的测定电路。本发明还涉及一种使用这种测定电路测量电流的方法，以及一种计算机程序产品，当由处理器执行时，该计算机程序产品适合于使用这种测定电路对电流进行积分。根据本发明，包括该测定电路的积分电路在每次电流的积分值超过阈值时都复位直到预定的最大积分时间终止为止。本发明提高了对电流进行积分的精确度，而且还增加了可被积分的电流的动态范围。为了进一步增加可被积分的电流的动态范围，该测定电路可以包括具有不同增益系数的电路。
文档编号G01R19/165GK101849189SQ200880114830
公开日2010年9月29日 申请日期2008年10月31日 优先权日2007年11月5日
发明者H·马里努斯, J·J·莱森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司