专利名称：具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟讯号的处理电路，特别是指一种可多级串接扩充增益使用范围区段或扩大模拟讯号增益使用范围区段的增益自动调整电路。
背景技术：
模拟对数字转换电路(A/D converter)经常应用在各种计算机设备、量测仪器、工业控制设备中，以将模拟型态的讯号(例如温度、压力...等)转换成数字型态的讯号，以便于数字处理器的接收及进一步的处理。
一般习知的模拟对数字转换电路1的架构如图1所示，其主要包括有一讯号侦测装置10、一讯号放大/衰减电路11、一模拟对数字转换器12、以及一微处理器13。当讯号侦测装置10侦测一输入讯号Vin并产生一模拟的讯号Vin’后，由讯号放大/衰减电路11将该模拟输入讯号Vin’作适度处理至系统可接受的安全幅度的模拟讯号Vin”后，再由模拟对数字转换器12将该模拟信号转换成数字型态的讯号，送至微处理器13中进行处理。
微处理器13透过控制线定时驱动模拟对数字转换器12对该模拟讯号Vin”进行取样与转换，模拟对数字转换器12转换完成时会通知微处理器13来读取转换后的数字讯号并进行数值运算，但是，微处理器13在进行数值运算时，若未考虑在讯号放大/衰减电路11所产生总合放大/衰减增益b/a(a为原输入讯号Vin数值，b为处理后的输出讯号Vin”)，运算结果将为原讯号幅度的b/a，因此，电路设计者须事先将还原增益a/b置于微处理器13的计算程序中，以确保运算结果与输入讯号Vin相符合。
上述电路架构及讯号处理方式仅能适用于单一增益使用范围的转换过程控制。对于需要增益切换的讯号处理程序则无法适用；对于需要扩大增益使用范围或必需将增益范围区隔更细微或需要及时快速反应的讯号处理程序亦无法适用；为解决上述因传统式模拟对数字转换电路仅能适用于具有单一增益所存在安全性、精密度及较耗费成本的问题，本发明提出一种来达到提高安全性、精密度及节省成本的目的。
发明内容
本发明的主要目的在于藉由一多增益区段自动调整讯号处理电路结合一模拟对数字转换器时，可配合微处理器进行模拟输入讯号的自动增益切换功能，且在执行讯号的转换处理程序时，能及时快速反应进行增益的自动调整。
为了达到上述的本发明目的，在本发明的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中的多增益区段自动调整讯号处理电路其包括有一缓冲电路，用以缓冲一模拟输入讯号；至少一组串接讯号放大/衰减电路，接受缓冲电路的输出讯号，并在被选取的增益范围内，将该讯号予以放大/衰减至模拟对数字转换器可接受的操作范围；至少一讯号放大/衰减增益调整电路，同时接收该模拟输入讯号，先将该讯号予以放大/衰减至一适度范围内，并将该讯号予以全波整流；至少一组增益讯号处理比较电路，以接收该全波整流的输出讯号，并经比较电路后产生一组增益控制讯号以作为该放大/衰减电路选取的正确增益值。
较佳地，本发明的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路更包括有一模拟对数字转换器，用以将该讯号放大/衰减电路所输出的模拟输出讯号转换成数字型态的讯号，再送至一微处理器中。且该微处理器亦同时接收该讯号放大/衰减增益调整电路所产生的增益调整讯号，并依据该增益调整讯号选取正确的还原倍率，以确保计算结果与输入讯号相符合。
有关本发明的详细内容及技术，现配合
如下
图1为习知单一增益模拟对数字转换电路的电路方块示意图；
图2为本创作具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路一较佳实施例的电路方块示意图；图3为进一步显示图2中其多增益区段自动调整讯号处理电路的电路方块示意图；图4为图3中单一增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路的电路方块示意图；图5为图3中单一增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路的实施电路图；图6为图3中扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路的一实施电路图；图7为图3中扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路的另一实施电路图；图8为扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路的增益调整真值表；附图标记说明1 习知的模拟对数字转换电路；2 本发明的自动调整增益电路；3 区段A控制电路；4 区段B控制电路；5 区段C控制电路；6 区段N控制电路；
10 讯号侦测装置；11 讯号放大/衰减电路；12 模拟对数字转换器；13 微处理器；20 讯号侦测装置；21 前端处理电路；22 多增益区段自动调整讯号处理电路；23 模拟对数字转换器；24 微处理器；30 缓冲电路；31 区段A讯号放大/衰减电路；311 反相放大器；32 缓冲电路；33 区段A讯号放大/衰减增益调整电路；330 半波整流电路；331 反相加法电路；34 区段A增益讯号处理之比较电路；340 区段A增益讯号处理之比较电路的低增益比较电路；40 区段B讯号放大/衰减电路；
41 区段B增益讯号处理之缓冲电路；42 区段B讯号放大/衰减增益调整电路；43 区段B增益讯号处理之比较与区隔电路；430 区段B与区段A的区隔讯号产生电路；50 区段C讯号放大/衰减电路；51 区段C增益讯号处理之缓冲电路；52 区段C讯号放大/衰减增益调整电路；53 区段C增益讯号处理之比较与区隔电路；530 增益区区隔比较电路；具体实施方式
图2所示为本发明具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路2一较佳实施方式的电路方块示意图，在此自动调整增益电路2中，主要包括有一讯号侦测装置20、一前端处理电路21、一多增益区段自动调整讯号处理电路22、一模拟对数字转换器23、以及一微处理器24。当讯号侦测装置20侦测并产生一模拟的输入讯号Vin’后，经前端处理电路21输入至多增益区段自动调整讯号处理电路22，其中该多增益区段自动调整讯号处理电路22具有复数组增益。电路设计者须事先将对应数量的还原增益储存于微处理器24的计算程序中，以确保运算结果与原输入讯号Vin相符合。微处理器24在选取还原增益时，一般习知的方法为在微处理器24计算程序中加入判断程序，由微处理器24依据判断结果自行选择适当的还原增益。
微处理器24开始执行程序时，在启始状态将切换开关置于第一组放大/衰减增益a1的位置，当微处理器24计算与判断结果为溢位(Overflow)时，微处理器24将切换开关置于另一组的放大/衰减增益a2的位置，并继续计算与判断，若结果仍为溢位时，微处理器24再将切换开关置于更其次的放大/衰减增益a3的位置，并继续计算与判断，直到判断结果不再溢位时，该计算值再与相对应还原增益结合的计算值即与原输入讯号Vin相符合，微处理器24并停止计算与判断程序。
图3为进一步显示图2中其多增益区段自动调整讯号处理电路22的电路方块示意图；其包括复数个增益范围区段的控制电路，分别为区段A控制电路3、区段B控制电路4、区段C控制电路5至区段N控制电路6。
图4为进一步显示图3中其区段A控制电路3的电路方块示意图，其包括有一缓冲电路30；一连接至缓冲电路30的区段A讯号放大/衰减电路31；另一缓冲电路32，其连接至讯号侦测装置20的输出端；一连接至缓冲电路32的区段A讯号放大/衰减增益调整电路33；一连接至区段A讯号放大/衰减增益调整电路33输出端的区段A增益讯号处理之比较电路34。
当讯号侦测装置20侦测有一模拟输入讯号Vin后，产生一输出讯号Vin’，前端处理电路21会将该模拟输入讯号适度衰减至系统可接受的安全幅度VA，再经由缓冲电路30使讯号能够适度的阻抗匹配及讯号之缓冲，然后再由区段A讯号放大/衰减电路31将VA适度放大或衰减得Vin”，至于VA放大或衰减成Vin”的增益选择则由区段A讯号放大/衰减增益调整电路33决定。
当前端处理电路21在处理讯号Vin’的同时，讯号侦测装置20的输出讯号Vin’也会同时传送经缓冲电路32将讯号缓冲后传送至区段A讯号放大/衰减增益调整电路33，再由区段A增益讯号处理之比较电路34产生增益控制讯号(S1、S2)，该增益控制讯号(S1、S2)会送至区段A讯号放大/衰减电路31，以决定讯号放大或衰减增益。该增益控制讯号(S1、S2)亦同时会送至微处理器24中。
图5为显示图4中使用单一增益范围区段A控制电路3的自动调整增益的实施电路图；其中区段A增益自动调整的缓冲电路30为一电压随耦电路，使输入讯号藉电压随耦电路的高输入阻抗以避免失真；区段A讯号放大/衰减电路31则包括有一模拟多任务器MUX1、数个精密电阻R1、R2、R3及R4组成的多增益电阻组与一运算放大器作为的反相放大器311。模拟多任务器MUX1为一具有四组输入信道(Channel)、一组输出信道及二组控制线的模拟开关，输入信道与缓冲电路30的输出连接，二组控制线分别与增益控制讯号(S1、S2)连接，依增益控制讯号(S1、S2)从四组输入信道中选择一组输入信道与输出信道连接，将讯号幅度适度放大/衰减至模拟对数字转换器23可接受的操作范围。
区段A讯号处理的另一缓冲电路32亦为一电压随耦电路，使输入讯号藉电压随耦电路的高输入阻抗以避免失真。区段A讯号放大/衰减增益调整电路33在本实施方式中为一全波整流电路，其包括有一运算放大器OPA1、数个精密电阻R5、R6与二个二极管D1、D2所构成的半波整流电路330、OPA2与数个精密电阻组成的反相加法电路331，半波整流电路330与反相加法电路331构成一具有放大/衰减效果的全波整流电路33，可将交流讯号转换成单极性半波讯号，供区段A增益讯号处理之比较电路34在每一半波期间即可调整增益讯号，提高系统对讯号增益变化的敏锐度。区段A增益讯号处理之比较电路34包括有高、低增益比较电路，其中低增益比较电路340，包括有一OPA3、低增益比较参考位准Ref_2与数个精密电阻R7、R8及R9组成比较磁滞区，比较磁滞区的目的在避免增益讯号出现频繁的变动，以致于影响系统正常运作；全波整流电路的输出讯号同一时间将分别与高增益比较电路的参考位准Ref_1、低增益比较电路的参考位准Ref_2比较后，即可产生一组增益控制讯号(S1、S2)至区段A讯号放大/衰减电路31的控制线端，同一时间增益控制讯号(S1、S2)亦会传送至微处理器24中。
图6为显示图5中增加一增益范围区段B控制电路4的自动调整增益的实施电路图；本发明中的区段A控制电路3串接区段B控制电路4的示意图中，除原缓冲电路30、区段A讯号放大/衰减电路31、另一缓冲电路32、区段A讯号放大/衰减增益调整电路33、区段A增益讯号处理之比较电路34之外，更增加一区段B讯号放大/衰减电路40、一连接至前端处理电路21的缓冲电路41、连接至缓冲电路41的区段B讯号放大/衰减增益调整电路42及连接至区段B讯号放大/衰减增益调整电路42的区段B增益讯号之比较与区隔电路43。
区段B讯号放大/衰减电路40包括有一模拟多任务器MUX2与数个精密电阻R10、R11及R12所组成的多增益电阻组。模拟多任务器MUX2的电路架构与动作原理与区段A模拟多任务器MUX1相同，二组控制线分别与增益控制讯号(S4、S5)连接。
区段B讯号放大/衰减增益调整电路42的电路架构与动作原理与区段A讯号放大/衰减增益调整电路33相同为一全波整流电路，唯其放大增益不同。区段B增益讯号比较与区隔电路43的电路架构与动作原理与区段A增益讯号处理之比较电路34相同，区段B讯号放大/衰减增益调整电路42的输出讯号同一时间将分别与高增益比较电路参考位准Ref_4、低增益比较电路参考位准Ref_5、区段B与区段A之区隔讯号产生电路430的参考位准Ref_3比较后，即可产生一组区段B增益控制讯号(S4、S5)，并同时产生一增益区段区隔控制讯号S3，此时，在图6的实施电路图产生一组增益控制讯号(S1、S2、S3、S4、S5)。
图7为显示区段A至区段C的控制电路3、4、5的实施电路图；本发明中的区段A串接区段B与串接区段C控制电路3、4、5中，除缓冲电路30、一区段A讯号放大/衰减电路31、另一缓冲电路32、一区段A讯号放大/衰减增益调整电路33、一区段A增益讯号处理的比较电路34、区段B讯号放大/衰减电路40、区段B增益讯号处理的缓冲电路41、区段B讯号放大/衰减增益调整电路42及区段B增益讯号比较电路与区段A、B区隔比较电路43外；更增加一区段C讯号放大/衰减电路50、一区段C增益讯号处理之缓冲电路51、区段C讯号放大/衰减增益调整电路52及一区段C增益讯号比较电路与区段B、C区隔比较电路53。其中区段C讯号放大/衰减电路50包括有一模拟多任务器(MUX3)与数个精密电阻组成的多增益电阻组。模拟多任务器(MUX3)的电路架构与动作原理与区段A模拟多任务器(MUX1)相同，二组控制线分别与增益控制讯号(S7、S8)连接。
区段C讯号放大/衰减增益调整电路52的电路架构与动作原理与区段A讯号放大/衰减增益调整电路33同为一全波整流电路，唯其放大增益不同。而区段C增益讯号比较与区隔电路53的电路架构与动作原理与区段B增益讯号比较与区隔电路43相同，区段C讯号放大/衰减增益调整电路52的输出讯号同一时间将分别与高增益比较电路参考位准Ref_7、低增益比较电路参考位准Ref_8、增益区区隔比较电路530的参考位准Ref_6比较后，即可产生一组区段C增益控制讯号(S7、S8)，并同时产生一增益区区隔控制讯号S6，此时，在图7的实施电路图产生一组增益控制讯号(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)。
图8为本实施方式中区段A、区段B与区段C的增益调整真值表示意图，其中例如区隔区段A、B与C的控制讯号其包括S1至S8，每一控制讯号的参考位准以0与1表示，而S3、S6为控制区段的真值讯号。
以上为本发明扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路的详细说明，由以上的说明可知，藉由本发明的控制电路，依据需求可多级串接扩充增益使用范围区段方式，缩小增益使用范围以提升讯号的信号噪讯比(SNR)，或扩大模拟讯号增益使用范围，同时，该控制电路可应用于数字电路中，配合一微处理器进行模拟讯号的自动增益控制及建构一高速的模拟对数字转换器，深具产业上的利用价值。
综上所述，充分显示出本发明扩充增益使用范围区段的模拟讯号自动调整增益电路在目的及功效上均深富实施的进步性，极具产业的利用价值，且为目前市面上前所未见的新创作，完全符合申请发明专利的要求，爰依法提出申请。
唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施方式而已，当不能以之限定本发明所实施的范围。例如扩充增益亦不仅限于本发明实施方式中的三区段而已，更可扩充至多个区段；即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利保护范围之内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。
权利要求
1.一种具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其包括一多增益区段自动调整讯号处理电路，其中该多增益区段自动调整讯号处理电路包括至少一组讯号放大/衰减电路，接受一缓冲电路的输出讯号，并在被选取的增益范围内，将该讯号予以放大/衰减至模拟对数字转换器可接受的操作范围；至少一组讯号放大/衰减增益调整电路，同时接受一缓冲电路的输出讯号整流后，再适当放大/衰减至一安全振幅范围内，以输出一正半周讯号；及至少一组增益讯号处理比较电路，接收该正半周讯号，经比较电路后产生一增益控制讯号，用来区隔不同增益区。
2.根据权利要求1所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，更包括有一模拟对数字转换器，用以将该等串接的讯号放大/衰减电路所输出的模拟输出讯号转换成数字型态的讯号，再送至一微处理器中。
3.根据权利要求1所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该讯号放大/衰减电路包括有一组模拟多任务器、复数个精密电阻组成的多增益电阻组与连接至该模拟多任务器输出的反相放大器。
4.根据权利要求1所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该讯号放大/衰减增益调整电路包括有一缓冲放大电路及一连接至该缓冲放大电路的全波整流放大/衰减电路。
5.根据权利要求1所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该增益讯号处理比较电路包括有一高增益比较电路、一低增益比较电路及一增益区区隔比较电路，并依据该高增益比较电路的高增益参考位准、该低增益比较电路的低增益参考位准与该增益区区隔比较电路的增益区隔参考位准对输入的单极性半波讯号进行比较，并据以产生一组增益控制讯号。
6.根据权利要求2所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中该微处理器亦同时接收该讯号放大/衰减增益控制电路所产生的增益控制讯号，并依据该增益控制讯号选取正确的还原增益，以确保计算结果与输入讯号相符合。
7.根据权利要求3所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中该模拟多任务器具有四组输入信道、一组输出信道及二组控制线，该输入信道与缓冲电路的输出端连接，二组控制线则接收增益控制讯号，依增益控制讯号从四组输入信道中选择一组输入信道与输出信道连接。
8.根据权利要求4所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，包括有一半波整流电路及一反相加法放大/衰减电路，可将输入交流讯号整流为单极性半波与适度放大/衰减。
9.根据权利要求5所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该增益讯号处理比较电路更包括有比较电路、增益比较参考位准与数个精密电阻以组成具有比较磁滞区，以避免增益讯号频繁的变动，以致于影响系统正常运作。
10.根据权利要求9所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，藉由适当调整反相加法放大/衰减电路的数个电阻比例，可使连续的两个同极性半波放大/衰减增益不同。
11.一种具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其包括一多增益区段自动调整讯号处理电路，其中该多增益区段自动调整讯号处理电路其包括至少一组讯号放大/衰减电路，接受一缓冲电路的输出讯号，并在被选取的增益范围内，将该讯号予以放大/衰减至模拟对数字转换器可接受的操作范围；至少一组讯号放大/衰减增益调整电路，同时接受一缓冲电路的输出讯号整流后，再适当放大/衰减至一安全振幅范围内，以输出一正半周讯号；及至少一组增益讯号处理比较电路，接收该正半周讯号，经比较电路后产生一增益控制讯号，用来区隔不同增益区；一模拟对数字转换器，用以将该等串接的讯号放大/衰减电路所输出的模拟输出讯号转换成数字型态的讯号，再送至一微处理器中。
12.根据权利要求11所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该讯号放大/衰减电路包括有一组模拟多任务器、复数个精密电阻组成的多增益电阻组与一连接至该模拟多任务器输出运算放大器的反相放大器。
13.根据权利要求11所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该讯号放大/衰减增益调整电路包括有一缓冲放大电路及一连接至该缓冲放大电路全波整流放大/衰减电路。
14.根据权利要求11所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该增益讯号处理比较电路包括有一高增益比较电路、一低增益比较电路及一增益区区隔比较电路，并依据该高增益比较电路的高增益参考位准、该低增益比较电路的低增益参考位准与该增益区区隔比较电路的增益区隔参考位准对输入的单极性半波讯号进行比较，并据以产生一组增益控制讯号。
15.根据权利要求11所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中该微处理器亦同时接收该讯号放大/衰减增益控制电路所产生的增益控制讯号，并依据该增益控制讯号选取正确的还原增益，以确保计算结果与输入讯号相符合。
16.根据权利要求11所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中该微处理器亦同时接收该讯号放大/衰减增益控制电路所产生的增益控制讯号，并依据该增益控制讯号选取正确的还原增益，以确保计算结果与输入讯号相符合。
17.根据权利要求12所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中该模拟多任务器具有四组输入信道、一组输出信道及二组控制线，该输入信道与缓冲电路的输出端连接，二组控制线则接收增益控制讯号，依增益控制讯号从四组输入信道中选择一组输入信道与输出信道连接。
18.根据权利要求13所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，包括有一半波整流电路及一反相加法放大/衰减电路，可将输入交流讯号整流为单极性半波与适度放大/衰减。
19.根据权利要求14所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，其中各该增益讯号处理比较电路更包括有比较电路、增益比较参考位准与数个精密电阻以组成具有比较迟滞区，以避免增益讯号频繁的变动，以致于影响系统正常运作。
20.根据权利要求19所述的具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路，藉由适当调整反相加法放大/衰减电路的数个电阻比例，可使连续的两个同极性半波放大/衰减增益不同。
全文摘要
本发明涉及一种具有扩充增益使用范围区段的模拟讯号增益自动调整电路；该调整电路利用串接至少一组讯号放大/衰减电路，将讯号予以放大/衰减至模拟对数字转换器可接受的操作范围；至少一组讯号放大/衰减增益调整电路，以将输入讯号调整输出正半周讯号；及至少一组增益讯号处理比较电路，以接受该正半周讯号，经比较后产生一组增益控制讯号，与一增益区段区隔讯号用来区隔不同增益区，藉以扩充增益使用范围区段或扩大模拟讯号增益使用范围。
文档编号H03G3/20GK1520033SQ0310183
公开日2004年8月11日 申请日期2003年1月22日 优先权日2003年1月22日
发明者林泗水, 曾文良, 杨仙伶, 张胜发, 周舜贤 申请人:财团法人工业技术研究院