一种多路多斜率的非均匀采样电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多路多斜率的非均匀采样电路，该电路包括一个减法器和多个单斜率非均匀采样器，该多个单斜率非均匀采样器包括多个上采样器和多个下采样器，其中：该多个上采样器并联连接于该减法器的第一输入端Vx，分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样；该多个下采样器并联连接于该减法器的输出端Vout，分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样。利用本发明，使得原来采样电路对于有突起的信号无法采到的点经过负斜率的采样器之后也可以采到，增加了部分采样数据，该电路拓宽了传感器信号的适用频率范围，且降低了传感器信号的带宽，极大的提高了传感器信号的恢复可能性。
【专利说明】一种多路多斜率的非均匀采样电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器信号的检测、传输与处理【技术领域】，尤其针对被测信号存在未知多变的情况提供了一种多路多斜率的非均匀采样电路。
【背景技术】
[0002]目前，随着社会技术的发展和人们生活水平的提高，在食品安全领域和医药卫生领域对于应用于传感器进行检测的需求变的越来越紧迫。同时随着物联网的发展，社会对于大数据传输及处理的要求越来越高，导致传感器数据的压缩越来越受到关注。基于常规采样的信号处理已经非常成熟，但是，其应用场景受到功耗、带宽、硬件等的限制，越来越难以满足市场要求，故而，基于压缩感知的信号处理有很好的发展潜质。
[0003]目前，对基于压缩感知的信号处理过程大都处于理论研究阶段，其硬件实现模块种类较少，且各有优缺点。其对应的应用场景受信号本身的限制，难以满足市场要求。
[0004]现有技术中存在采用单一通道非均匀采样电路对基于压缩感知的信号进行处理，该单一通道非均匀采样电路具有的缺点比较明显，对于高频信号，或者信号波动幅度比较小的情况下，容易出现采样信息不够完整的情况，即采样的数据偏少，导致在信号恢复的时候出现难以完整恢复出信号的情况。
[0005]因此，如何拓宽传感器信号的适用频率范围，且降低传感器信号的带宽，提高传感器信号的恢复可能性，成为急需解决的技术问题。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多路多斜率的非均匀采样电路，以拓宽传感器信号的适用频率范围，且降低传感器信号的带宽，提高传感器信号的恢复可能性。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供了一种多路多斜率的非均匀采样电路，该电路包括一个减法器和多个单斜率非均匀采样器，该多个单斜率非均匀采样器包括多个上采样器和多个下采样器，其中:该多个上采样器并联连接于该减法器的第一输入端Vx，分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样；该多个下采样器并联连接于该减法器的输出端Vout，分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，以与该多个上采样器形成互补。
[0010]上述方案中，该减法器还具有一参考输入端Vref，其接入的参考电压Vref为信号额定最大电压，该减法器对传感器信号进行变换是将传感器信号沿着Vref/2的等压线反转。
[0011]上述方案中，该减法器包括第一运算放大器及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，其中，第一电阻Rl和第二电阻R2为分压电阻，并联连接于该第一运算放大器的正向输入端，用于调节该第一运算放大器正向输入端的输入电压；第三电阻R3 —端连接于该第一运算放大器的负向输入端，另一端作为该减法器的第一输入端Vx ;第四电阻R4为反馈电阻，连接于该第一运算放大器的负向输入端与输出端之间。
[0012]上述方案中，所述第一电阻Rl —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端作为该减法器的参考输入端Vref ;所述第二电阻R2 —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端接地。
[0013]上述方案中，所述第一电阻Rl的阻值等于所述第二电阻R2的阻值，所述第三电阻R3的阻值等于所述第四电阻R4的阻值。
[0014]上述方案中，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，在重构时合并该多个上采样器及该多个下采样器得到的数字信号并剔出同一时刻重复的数据，然后利用压缩感知重构算法重构得到原始信号。
[0015]上述方案中，该多个上采样器或该多个下采样器均包括充放电回路、第二运算放大器和计数器，其中，该充放电回路连接于该第二运算放大器的反向输入端，其具体放电时间由计数器触发，当该第二运算放大器输出的电压由负变为正的时候，计数器便将计数值输出并从O开始重新计数，同时发出信号对充放电回路进行放电操作触发。
[0016]上述方案中，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样，是该多个上采样器分别以不同的固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样。
[0017]上述方案中，该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，是该多个下采样器分别以不同的固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明提供的多路多斜率的非均匀采样电路，在原有单一通道非均匀采样电路的基础之上，通过结合减法器构造了多通道的非均匀采样电路，在非均匀采样电路中，由于不仅以低电压(OV)作为起始电压(现有技术采用OV作为起始电压)，而且以高电压(5V)作为另一路非均匀采样器的起始点压以负斜率的形式向下采样，使得原来采样电路对于有突起的信号无法采到的点经过负斜率的采样器之后也可以采到，增加了部分采样数据，该电路拓宽了传感器信号的适用频率范围，且降低了传感器信号的带宽，极大的提高了传感器信号的恢复可能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是依照本发明实施例的多路多斜率的非均匀采样电路中减法器的电路结构示意图。
[0021]图2是依照本发明实施例的多路多斜率的非均匀采样电路中单斜率非均匀采样器的电路结构示意图。
[0022]图3是依照本发明实施例的多路多斜率的非均匀采样电路中两个单斜率非均匀采样器的采样原理图。
[0023]图4是依照本发明实施例的采用两个单斜率非均匀采样器的多路多斜率的非均匀采样电路的示意图。
[0024]图5是依照本发明实施例的采用四个单斜率非均匀采样器的多路多斜率的非均匀采样电路的示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0026]本发明提供了一种多路多斜率的非均匀采样电路，包括一个减法器和多个单斜率非均匀采样器，该多个单斜率非均匀采样器包括多个上采样器和多个下采样器，其中:该多个上采样器并联连接于该减法器的第一输入端Vx，分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样；该多个下采样器并联连接于该减法器的输出端Vout，分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，以与该多个上采样器形成互补。
[0027]其中，该减法器的电路结构如图1所示，其除了具有第一输入端Vx和输出端Vout，还具有一参考输入端Vref，该参考输入端Vref接入的参考电压Vref为信号额定最大电压，该减法器对传感器信号进行变换是将传感器信号沿着Vref/2的等压线反转。
[0028]图1中，该减法器包括第一运算放大器及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，其中，第一电阻Rl和第二电阻R2为分压电阻，并联连接于该第一运算放大器的正向输入端，用于调节该第一运算放大器正向输入端的输入电压；第三电阻R3 —端连接于该第一运算放大器的负向输入端，另一端作为该减法器的第一输入端Vx，用于接收需要被调节的输入信号，并同反馈回路共同决定输出电压值；第四电阻R4为反馈电阻，连接于该第一运算放大器的负向输入端与输出端之间，用于调节输出电压与输入电压之间的比例，选定运放正向输入端跟反向输入端电压分别为V+和v_，由运放的基本性质得v_ =V+, (Vout-VJ /R4 = -(Vx-VJ /R3, Vref* (R2/(R1+R2)) = V+，联立这三个方程可得 Vout =Vref* (R2/ (R1+R2)) * ((R3+R4) /R3) -Vx* (R4/R3)。第一电阻 Rl —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端作为该减法器的参考输入端Vref ;第二电阻R2 —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端接地。
[0029]优选地，第一电阻Rl的阻值等于第二电阻R2的阻值，第三电阻R3的阻值等于第四电阻R4的阻值,此时Vout = Vref-Vx0
[0030]在本发明实施例中，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，在重构时合并该多个上采样器及该多个下采样器得到的数字信号并剔出同一时刻重复的数据，然后利用压缩感知重构算法重构得到原始信号。
[0031]如图2所示，图2是依照本发明实施例的多路多斜率的非均匀采样电路中单斜率非均匀采样器的电路结构示意图。该多个上采样器或该多个下采样器均包括充放电回路、第二运算放大器和计数器，其中，该充放电回路连接于该第二运算放大器的反向输入端，其具体放电时间由计数器触发，当该第二运算放大器输出的电压由负变为正的时候，计数器便将计数值输出并从O开始重新计数，同时发出信号对充放电回路进行放电操作触发。充放电回路由电流源、电阻、电容及开关组成，当开关断开时电流源对电容进行充电，当开关打开时，电容跟电阻形成回路，电容通过此回路进行放电。第二运算放大器用于比较输入信号电压同电容端电压，以达到对输出信号进行反向控制。计数器的功能主要包括计数及前述用于控制充放电时刻等。
[0032]其中，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样，是该多个上采样器分别以不同的固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样；该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，是该多个下采样器分别以不同的固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样。
[0033]图3是依照本发明实施例的多路多斜率的非均匀采样电路中两个单斜率非均匀采样器的采样原理图。实线部分为被测信号，上下两部分斜线表示用两个采样器对被测信号进行采样，其中自下往上虚线部分称为下采样器，自上往下部分称为上采样器，两路采样器分别对被测信号进行采样，采样依据为采样器产生的信号与被测信号之间的差值小于采样器自身的量化误差。相比于单一采样器，会增加一倍的硬件部分，但对于被测信号的采样频率有较大的提高。图3中可以看出，对于下采样器很难采到的数据信号，可由上采样器进行补充采样。另外，该多路多斜率的非均匀采样电路采样具有随机性，与传感器信号的形式密切相关。
[0034]由于下采样器单从一端进行上升采样时其上升斜率是一定的，对于陡峭信号很难采样到峰值或峰值附近的值，产生误差。在此，设想有另外一路采样器，即上采样器，每次都从额定最高点以固定斜率向下采样，这样便会很容易采到峰值或者峰值附近的值，同原来的一路信号形成互补。在图3中，从O值开始向上采样的一路为基本的非均匀采样器；从传感器额定最大值开始往下采样的为增加的一路非均匀采样器，其由简单的减法器和基本的非均匀采样器组成。
[0035]比起基本的非均匀采样器，图3所示的多路多斜率的非均匀采样电路具有更加广泛的信号应用范围，可适应更多的测试场景。
[0036]图4是依照本发明实施例的采用两个单斜率非均匀采样器的多路多斜率的非均匀采样电路的示意图。该多路多斜率的非均匀采样电路由两块子采样电路及一减法器组成，如图4所示。为了表示方便对每个单斜率采样电路都画了一个电源，在实际应用中，可以供用同一个电源。经过两个电路的处理输出得到数字信号，后端数字处理部分存储得到的数字信号，并在重构的时候合并存储的信号并剔出同一时刻重复的数据。然后利用压缩感知重构算法(优化算法)重构原始信号。
[0037]这种方式虽然增加了一路采样器，但可以以更低的斜率采样，使得每路都获得较少的数据，又不至于漏掉变化较快的信号，拓展了电路对信号的适用范围。
[0038]进一步地，图4示出的是采用两个单斜率非均匀采样器的多路多斜率的非均匀采样电路的示意图，在实际应用中，本发明提供的多路多斜率的非均匀采样电路可以采用多个单斜率非均匀采样器，如图5所示，图5是依照本发明实施例的采用四个单斜率非均匀采样器的多路多斜率的非均匀采样电路的示意图。其中，两个上采样器并联连接于该减法器的第一输入端Vx，分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样；两个下采样器并联连接于该减法器的输出端Vout，分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，以与这两个上采样器形成互补。
[0039]在实际应用中，出于成本及电路复杂性的考量，本发明提供的这种多路多斜率的非均匀采样电路采用的单斜率非均匀采样器的数量以2至10个为佳，其中一部分并联连接于该减法器的第一输入端Vx，另一部分并联连接于该减法器的输出端Vout，并联连接于该减法器的第一输入端Vx的单斜率非均匀采样器的数量与并联连接于该减法器的输出端Vout的单斜率非均匀采样器的数量可以相等，也可以不等，与传感器信号的形式密切相关。
[0040]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该电路包括一个减法器和多个单斜率非均匀采样器，该多个单斜率非均匀采样器包括多个上采样器和多个下采样器，其中: 该多个上采样器并联连接于该减法器的第一输入端Vx，分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样； 该多个下采样器并联连接于该减法器的输出端Vout，分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样。
2.根据权利要求1所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该减法器还具有一参考输入端Vref，其接入的参考电压Vref为信号额定最大电压，该减法器对传感器信号进行变换是将传感器信号沿着Vref/2的等压线反转。
3.根据权利要求2所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该减法器包括第一运算放大器及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，其中， 第一电阻Rl和第二电阻R2为分压电阻，并联连接于该第一运算放大器的正向输入端，用于调节该第一运算放大器正向输入端的输入电压； 第三电阻R3 —端连接于该第一运算放大器的负向输入端，另一端作为该减法器的第一输入端Vx ； 第四电阻R4为反馈电阻，连接于该第一运算放大器的负向输入端与输出端之间。
4.根据权利要求3所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，所述第一电阻Rl —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端作为该减法器的参考输入端Vref ；所述第二电阻R2 —端连接于该第一运算放大器的正向输入端，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，所述第一电阻Rl的阻值等于所述第二电阻R2的阻值，所述第三电阻R3的阻值等于所述第四电阻R4的阻值。
6.根据权利要求1所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样后对采样信号进行处理得到数字信号，在重构时合并该多个上采样器及该多个下采样器得到的数字信号并剔出同一时刻重复的数据，然后利用压缩感知重构算法重构得到原始信号。
7.根据权利要求6所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该多个上采样器或该多个下采样器均包括充放电回路、第二运算放大器和计数器，其中，该充放电回路连接于该第二运算放大器的反向输入端，其具体放电时间由计数器触发，当该第二运算放大器输出的电压由负变为正的时候，计数器便将计数值输出并从O开始重新计数，同时发出信号对充放电回路进行放电操作触发。
8.根据权利要求6所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该多个上采样器分别以一固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样，是该多个上采样器分别以不同的固定斜率从额定最高点向下对传感器信号进行采样。
9.根据权利要求6所述的多路多斜率的非均匀采样电路，其特征在于，该多个下采样器分别以一固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样，是该多个下采样器分别以不同的固定斜率从额定最低点向上对经该减法器变换后的传感器信号进行采样。
【文档编号】H03M1/54GK104202050SQ201410411971
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】梁圣法, 李冬梅, 刘明, 谢常青, 李小静, 周磊 申请人:中国科学院微电子研究所