模拟数字转换的位元扩展系统的制作方法

专利名称：：模拟数字转换的位元扩展系统的制作方法
技术领域：
：本实用新型关于一种模拟数字转换的位元扩展系统，尤指一种整体系统架构较精简且成本较低的模拟数字转换位元扩展系统。
背景技术：
：中频信号(Intermediatefrequency,IF)主要是指一信号源经过与本地震荡信号混波(mixing)后所产生，其主要是用来将该信号源升频或降频至特定的频率。在接收端接收后，必须将将接收的信号源采用降频的方式降至中频信号后，再进行信号分析工作。具有信息撷取功能的电子装置，如频谱分析仪等，在中频信号的传输过程中，多半会使用一个模拟数字转换器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)将模拟中频信号的电压转换为功率并加以量化后输出数字数据，而输入弦式(sinusoidal)波形的峰值电压对功率的转换公式为P=20Xlog(V)+10(此式是以相对50ohm系统而言，且V为峰值电压)，因此，输入电压值与模拟数字转换器量化出来的功率值会成对数(logarithm)关系，如图6所示，由图中的对数曲线中可看出，对数曲线的斜率随电压值减小而增加，因此电压值较小的信号，其相同的电压差值经过功率量化后，对应到的功率差值较大，如以下表格所示—电压值(伏特)功率值(d‘厂V=I~10"V=2~16"V=3~19.5"V=4P=22"当电压值由I伏特升至2伏特时，功率值差为6dB;电压值由2伏特升至3伏特时，则功率差值为3.5dB;因此，若要降低由线性电压转换至对数轴的功率所产生的转换误差，最佳的方式就是在电压轴上做最细腻的量化，这意味着模拟数字转换器的位元数必须提高；另外，要尽量避免使用到电压项化后的最小几个值，因为由上表格可知，最小的几个电压值会造成较大的功率差值。因为模拟数字转换器输出数字数据的位元数受限于其取样频率的高低，现有的技术中，取样频率高到足够用于对中频信号取样量化的模拟数字转换器，最多只能输出12位元至16位元的数字数据，而且价格都相当昂贵。以16位元的模拟数字转换器来说，理论上可提供约16X6.02=96.32dB的动态范围(dynamicrange,及最大可表式的数字与最小的可示的数字的范围)，对于一个设计满足IOOdB动态范围的频谱分析仪而言，此位元数目看似足够，但是对照前述所提及的，此96.32dB的范围必须全部被使用，才能提供接近IOOdB的动态范围，所以必定会用到最小几个电压量化值，便会在该处产生较大的功率差异值，而我们可推算，若最大的功率转换误差设定为0.22dB，则必须要一个有23位元的模拟数字转换器才可实现。故现在已提出一种模拟数字转换的位元扩展系统，其主要原理是将电压值小的模拟信号先放大再输入至模拟数字转换器中，如图6所示的四种不同倍率，再由模拟数字转换器取样量化，并依据放大倍率右移数字数据数个位元，以达到扩展位元，提高测量精密度。请参阅图7，美国专利号第5，844，512号发明专利(以下简称512专利)即为一例，该512专利是将一模拟信号以一可调整增益倍率的放大器81放大后输入至一模拟数字转换器82，再以一个设定有多个电压等级的峰值检测器831对放大前的模拟信号取样并量化后，再以一增益控制器832依据量化值所属的电压等级调整该放大器81的增益倍率；量化值等级低者，则增加放大器81的增益倍率，量化值等级高者，则减少放大器81的增益倍率，请配合参阅图8，峰值检测器831及增益控制器832于模拟信号取样点的量化值低于等级I(levelI)的电压值时，将该放大器的增益倍率调整为8(23)，当模拟信号取样点的量化值介于等级I与2之间时，则将该放大器的增益倍率调整为4(22)，以此类推，并以一位元校正模块84将模拟数字转换器82输出的数字数据依据其对应的模拟输入信号放大的倍率右移，如放大8倍者，位元校正模块84则将数字数据右移3位元，以测得位放大前的量化值；如此，由于数字数据最多可位移3位元，使得数字数据可用来表示量化值的总位元数，比实际上模拟数字转换器82输出的数字数据位元数多了3位元，达到位元扩展而精化测量精准度的目的；但由于上述模拟数字转换的位元扩展系统需使用可调增益倍率的放大器81，而放大器81的增益倍率改变时，会产生噪声(如whisker-likenoise)，因此会降低模拟数字转换器82的测量精准度。为此，美国专利第7，030，800号发明专利提出如图9所示的一种多通道式的模拟数字转换的位元扩展系统(以下简称800专利)，该800专利不使用可调增益倍率的放大器，而将模拟输入信号先经过多个固定增益倍率的放大器91后，分别输入多个具有相同解释度位元的模拟数字转换器92，再以一信息选择器93连接至一位元校正模块94该信息选择器93判断未发生溢位(overfloat)的模拟数字转换器92，再从中选择对应连接至放大倍率最高放大器91的模拟数字转换器92输出的数字数据，该位元校正模块94则依据被选中的模拟数字转换器92所对应的放大倍率对应之位元数，将数字数据位右移此数个位元数；如此即可不使用可调增益倍率的放大器，以免除调整增益倍率所造成的噪声，但此系统却需使用多个模拟数字转换器92，而模拟数字转换器92向来制作成本高昂，且有一定反应延迟时间，故当模拟数字转换器92发生溢位时，需等待一段反应时间后才能继续接收模拟信号，如此将会使输入信号漏失。又该800专利的另一种实施例如图10所示，其以多个不同增益倍率的放大器95放大一模拟信号，而以一模拟数字转换器96对放大前的模拟信号取样并量化，且以一开关控制器97依据模拟数字转换器96取样量化值所属的电压等级(以四种电压等级为例)，先切换一切换开关98将其中一个增益倍率的放大器98输出的放大模拟信号输入至另一个用来量化的模拟数字转换器99;由此，当该模拟信号的电压值较小时，该切换开关98即切换由放大倍率较大的模拟信号输入；当模拟信号电压值较大时，则切换由放大倍率较小的模拟信号输入，同样可避免使用可调增益倍率切换放大器者因调整增益倍率所造成的噪声，但由于此实施例仍需取样、量化并判断电压等级，故仍需使用至少二个模拟数字转换器96、99，整体系统架构亦不算精简，且成本无法更为缩减。再者，上述峰值检测暨增益控制器83、模拟数字转换器82、96、99及开关控制器97皆需的取样、量化，除了会使用来判断应放大倍率的取样点与用来输出数字数据的模拟数字转换器取样点不同以外，取样、量化并切换开关所需的时脉时间，更会使模拟信号输入峰值检测暨增益控制器83及模拟数字转换器82(或者800专利中两个模拟数字转换器96、99)的时间无法同步，使得延迟判断造成部分数字数据的位移数与实际取样值放大倍率不—致。除此之外，由于放大器有增益频宽比的限制，增益越高者，其频宽一般较低，而诸如先前提及，若要将精准度精确至O.22dB者，需要23位元，而上述模拟数字转换的位元扩展系统则需使用29倍的放大器来扩展9位元，此增益倍率的放大器的频宽已不敷使用于中频信号，故上述模拟数字转换的位元扩展系统精确度受限。综上所述，早期的模拟数字转换的位元扩展系统会因设定放大器倍率造成噪声而影响测量精确度，而以多通道放大的方式改良模拟数字转换的位元扩展系统仍会因模拟数字转换器反应时间而有信号漏失的问题，且成本增加；而对放大前的信号进行样量化再决定增益倍率者，仍至少需两个模拟数字转换器，故现有的比数字转换的位元扩展系统仍需改良。
发明内容有鉴于上述模拟数字转换的位元扩展系统会产生噪声、信号漏失及提高成本的技术缺陷，本实用新型的主要目的为提出一种模拟数字转换的位元扩展系统。欲达上述目的所使用的主要技术手段是令该模拟数字转换的位元扩展系统，且包含有一信号放大模块，其具有一模拟信号输入端及多个不同增益倍率的模拟放大信号输出端；一频道切换开关，其具有多个输入端、一输出端及一用以切换频道切换开关的其中一输入端与输出端导通的切换控制端，且该频道切换开关的多个输入端分别与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端连接；—模拟数字转换器，其具有一输入端及一用以输出一数字数据的输出端，该模拟数字转换器的输入端与该频道切换开关的输出端连接；一可将数字数据右移多个位元数的位元校正模块，其与该模拟数字转换器的输出端连接；一频道选择器，其与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端及该频道切换开关的切换控制端连接，且具有用以比较该多个模拟放大信号输出端输出电压是否超过一电压范围的比较器，并具有一可切换最高增益倍率且电压不超过电压范围模拟放大信号输出端的控制端，及一可依据所选择增益倍率设定右移位元数的位移设定端，频道选择器的控制端是与模拟数字转换器的切换控制端连接，该位移设定端则与该未元校正模块连接。实施时，该信号放大模块包含有多个级固定增益倍率且串接的放大器，并以第一级放大器的输入端连接该模拟信号输入端，该多个模拟放大信号输出端则分别为多个放大器的输出端。实施时，该模拟数字转换的位元扩展系统分别设置一延迟滤波器于各模拟放大信号输出端及该频道切换开关对应的输入端之间。实施时，该频道选择器包含有多个电压范围判定单元，其连接至一提供有高、低临界电压值的参考电压源，且分别连接至该多个模拟放大信号输出端，并包含有二比较器及一或非门，该二比较器的输出端连接至该或非门，且其中一比较器之反向端连接至该参考电压源提供的高临界电压，而正向端连接至对应的模拟放大信号输出端，另一比较器以正向端连接至该参考电压源提供的低临界电压，而反向端连接至对应的模拟放大信号输出端；及一编码器，其与该多个电压范围判定单元或非门的输出端连接。实施时，各延迟滤波器包含多个电感及电容串并联。由于本实用新型不使用增益倍率可调的信号放大模块，故不会因调整增益倍率造成噪声，且本实用新型以比较放大后的模拟信号的输出电压是否超过电压范围来判定应增益的倍率，不需设定多个电压等级，也不需取样、量化及运算判断电压等级，得以成本相较模拟数字转换器低廉甚多的比较器完成电压范围的比较，故本实用新型得以在不加制作成本的前提下，改良现有模拟数字转换的位元扩展系统误判及信号漏失的缺陷。又，鉴于上述模拟数字转换的位元扩展系统的扩展位元数(即可用的放大器最大增益倍率)受到增益频宽比的限制，本实用新型的另一目的是为了进一步改善模拟数字转换的位元扩展系统扩展位元数的限制，故令上述信号放大模块包含有多个级串接的放大器，并以第一级放大器的输入端连接该模拟信号输入端，而以各级放大器的输出端作为该多个模拟放大信号输出端，使模拟信号经过多个级低增益倍率的放大器放大来达到高增益倍率，以于兼顾放大器频宽的前提下提高系统的最高增益倍率(即扩展位元数)，以提高测量精密度。本实用新型的又一目的，是为了进一步提供频道选择器的判断时间与模拟信号实际到达模拟数字转换器时间同步的功效，而分别设置一延迟滤波器于各模拟放大信号输出端及该频道切换开关对应的输入端之间，且各延迟滤波器将模拟放大信号自该信号放大模块传输至该频道选择器所需时间设定为一传输线延迟时间，而将频道选择器比较电压范围并完成切换该频道切换开关所需时间设定为一操作时间，并将所输入的模拟放大信号延迟该传输线延迟时间及该操作时间后输出，如此即可确保该频道选择器的判断结果与模拟放大信号实际输入模拟数字转换器的时间同步，更进一步减少因延迟判断造成的误判。图I为本实用新型的电路方块示意图。图2为图I频道选择器的电路图。图3为图I延迟滤波器的电路图。图4为本实用新型执行步骤流程图。图5为图I位元校正模块的位元位移示意图。图6为数字模拟转换器转换电压与功率的曲线图。图7为现有一种模拟数字转换的位元扩展系统的电路方块示意图。图8为图7峰值检测暨增益控制器与模拟数字转换器对模拟信号的取样点的示意图。图9为现有另一种模拟数字转换的位元扩展系统的电路方块示意图。图10为现有又一种模拟数字转换的位元扩展系统的电路方块示意图。具体实施方式以下配合图式及本实用新型之较佳实施例，进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段。请参阅图1，本实用新型模拟数字转换的位元扩展系统包含有—信号放大模块10,其具有一模拟信号输入端及多个模拟放大信号输出端11,并将该模拟信号输入端输入的模拟信号依据多种不同的增益倍率放大后，分别由该多个模拟放大信号输出端输出，于本实施例中，该信号放大模块10包含有多个级固定增益倍率且串接的放大器12，以第一级放大器的输入端连接该模拟信号输入端，并以各级放大器的输出端作为该多个模拟放大信号输出端11;一频道切换开关20，其具有多个输入端、一输出端及一切换控制端21，且该频道切换开关20的多个输入端分别与该信号放大模块10的多个模拟放大信号输出端11连接，该切换控制端21供切换频道切换开关的其中一输入端与该输出端导通；—模拟数字转换器30,其具有一输入端及一输出端,该模拟数字转换器30的输入端与该频道切换开关20的输出端连接，该模拟数字转换器30的输出端则输出一数字数据；—位元校正模块40，其与该模拟数字转换器30的输出端连接，以将该模拟数字转换器30输出的数字数据右移多个位元数，于本实施例中，该位元校正模块40具有一线性检查单元41及一位元位移单元42,该线性检查单元41依据一上查表(Look-uptable)判读模拟数字转换器30输出数字数据所代表的量化值，该位元位移单元42则将数字数据右移多个位元(依据增益倍率缩小量化值)后输出；一频道选择器50，其与该信号放大模块10的多个模拟放大信号输出端11及该频道切换开关的切换控制端21连接，且设定有一电压范围，并以比较器比较该多个模拟放大信号输出端输出电压是否超过该电压范围，并切换该频道切换开关20的切换控制端21，使增益倍率最高且输出电压不超过该电压范围的模拟放大信号输出端11与该模拟数字转换器30导通，并依据所选择的增益倍率设定该位元校正模块40右移数字数据的位元数多个延迟滤波器70，其分别连接于该多个模拟放大信号输出端11与频道切换开关20对应的输入端之间，且将模拟放大信号自该信号放大模块10传输至该频道选择器50所需时间设定为一传输线延迟时间，而将频道选择器50比较电压范围并完成切换该频道切换开关20所需时间设定为一操作时间，并将所输入的模拟放大信号延迟该传输线延迟时间及该操作时间后输出，请进一步配合参阅图3，由于上述传输线延迟时间及操作时间可被估算出，故各延迟滤波器70可以多个电感71及电容72串并联构成，其延迟时间为V(!请进一步配合参阅图2，该频道选择器50包含有多个电压范围判定单元51及一编码器52，该多个电压范围判定单元51连接至一提供有高、低临界电压值的参考电压源60，且分别连接至该多个模拟放大信号输出端11，并包含有二比较器53及一或非门54(N0RGate)，该二比较器53之输出端连接至该或非门54，且其中一比较器53的反向端连接至该参考电压源60提供的高临界电压Vh，而正向端连接至对应的模拟放大信号输出端11，另一比较器53以正向端连接至该参考电压源60提供的低临界电压'，而反向端连接至对应的模拟放大信号输出端11，该或非门54的输出端则连接至该编码器52,于对应的模拟放大信号输出端11输出电压介于该高、低临界电压VpVli所设定的电压范围时,使该或非门54输出高电位，高于该高临界电压Vh或低于该低临界电压\时，使该或非门54输出O电位，该编码器52于接收电压范围判定单兀51输出之高电位或O电位后,输出一代表对应增益倍率最高且输出高电位电压范围判定单元51的数字编码予该切换控制端21，以切换该频道切换开关20的输出端与该增益倍率最高且经电压范围判定单元51不超过高、低临界电压VH、'之模拟放大信号输出端导通，于本实施例中，是以三个电压范围判定单元51为例，并将对应放大器增益倍率为I的电压范围判定单元51设定为”01”的数字编码；增益倍率为2的4次方者设定为”10”;增益倍率为2的5次方(实际上增益倍率已经为2的9次方)者设定为”11”;当三个电压范围判定单元51皆输出高电位时，则该编码器52会输出”11”控制频道切换开关20切换增益倍率为2的9次方的模拟放大信号与输出端导通；若对应增益倍率为2的5次方的电压范围判定单元51输出O电位而增益倍率为2的4次方的电压范围判定单兀51输出高电位,贝U编码器52输出”10”,使放大2的4次方的模拟放大信号输出端11与频道切换开关20输出端导通，依此类推，故该编码器52使用逻辑闸即可达成。又，本实施例该信号放大模块10包含三个串接的放大器12，得以使用低倍率的放大器串接达到高放大倍率的效果，而令其中第一级放大器的增益倍率为I、第二级放大器的增益倍率为24、第三级为25者，则最后级数的放大器12增益倍率可达到29倍，即扩展了9位元，配合使用可输出14至16位元数字数据的模拟数字转换器，总位元数便可到达23至25位元，以将低电压模拟信号的测量精准度精确至O.22dB，具有高精确性。请进一步配合参阅图4，本实用新型模拟数字转换的位元扩展系统会执行以下步骤接收一模拟信号Sll;将该模拟信号经过不同增益倍率而放大成多个模拟放大信号S12；比较该多个模拟放大信号的电压是否超过一预设的电压范围S13，于本实施例中，该电压范围包含一高临界电压值及一低临界电压值，而模拟信号与一高临界电压输Vh入一比较器53，而比较该模拟信号是否高于该高临界电压值；且该模拟信号与一低临界电压\输入另一比较器53，而比较该模拟信号是否低于该低临界电压值；选择增益倍率最大且电压不超过该预设电压范围的模拟放大信号输入模拟数字转换器30，并进行取样及量化后输出一数字数据S14；依据输入模拟数字转换器30模拟放大信号的放大倍率所对应的位元数，而将该数字数据右移该位元数S15。再请进一步参阅图5，本实施例以将14位元的模拟数字数据扩展为23位元的数字数据为例，当切换由增益倍率为I倍的模拟信号输入模拟数字转换器30时，代表目前输入的模拟信号电压值够大，而14位元的数字数据已足够精确量化目前输入模拟信号，故不放大模拟信号，该位元校正模块40亦不对该模拟数字转换器30输出的数字数据进行位移，而将其数字数据补入9位元的O位元，补满23位元数的二进位量化值；同理，当切换由增益倍率为24倍的模拟信号输入模拟数字转换器30时，则表示目前输入的模拟信号电压值需要放大24倍，才足以14位元的数字数据精确量化该模拟信号，故将模拟信号放大24倍，并由位元校正模块40右移模拟数字转换器30输出的数字数据4位元，并补入5位元的O位元；同理，当切换由增益倍率为25倍(实际放大共29倍)的模拟信号输入模拟数字转换器30时，则表示模拟信号需放大29倍，且该位元校正模块40右移模拟数字转换器30输出的数字数据9位元数，达到将输出14位元数字数据的模拟数字转换器扩展为23位元之效果。综上所述，本实用新型不使用增益倍率可调的放大器，避免噪声产生以外，又以判断多种增益倍率放大后的模拟放大信号之电压是否介于预设电压范围内，故又可以成本低的比较器直接与高低临界电压作比较然达成，整体只用到一个模拟数字转换器，更无多通道式模拟数字转换的位元扩展系统高成本又仍会信号漏失的缺陷；且本实用新型亦使频道选择器判断出结果的时间与模拟放大信号实际到达模拟数字转换器的时间同步，又进一步排除了延迟判断造成的误判，再者，本实用新型又使总增益倍率不受到放大器的增益频宽比的限制，使模拟数字转换的位元扩展系统可以扩展至23到25位元，具有高精确度。以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。权利要求1.一种模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该位元扩展系统包含有一信号放大模块，其具有一模拟信号输入端及多个不同增益倍率的模拟放大信号输出端;一频道切换开关，其具有多个输入端、一输出端及一用以切换频道切换开关的其中一输入端与输出端导通的切换控制端，且该频道切换开关的多个输入端分别与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端连接；一模拟数字转换器，其具有一输入端及一用以输出一数字数据的输出端，该模拟数字转换器的输入端与该频道切换开关的输出端连接；一可将数字数据右移多个位元数的位元校正模块，其与该模拟数字转换器的输出端连接；一频道选择器，其与该信号放大模块的多个模拟放大信号输出端及该频道切换开关的切换控制端连接，且具有用以比较该多个模拟放大信号输出端输出电压是否超过一电压范围的比较器，并具有一可切换最高增益倍率且电压不超过电压范围模拟放大信号输出端的控制端，及一可依据所选择增益倍率设定右移位元数的位移设定端，频道选择器的控制端是与模拟数字转换器的切换控制端连接，该位移设定端则与该未元校正模块连接。2.根据权利要求I所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该信号放大模块包含有多个级固定增益倍率且串接的放大器，并以第一级放大器的输入端连接该模拟信号输入端，该多个模拟放大信号输出端则分别为多个放大器的输出端。3.根据权利要求I或2所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该模拟数字转换的位元扩展系统分别设置一延迟滤波器于各模拟放大信号输出端及该频道切换开关对应的输入端之间。4.根据权利要求I或2所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该频道选择器包含有多个电压范围判定单元，其连接至一提供有高、低临界电压值的参考电压源，且分别连接至该多个模拟放大信号输出端，并包含有二比较器及一或非门，该二比较器的输出端连接至该或非门，且其中一比较器的反向端连接至该参考电压源提供的高临界电压，而正向端连接至对应的模拟放大信号输出端，另一比较器以正向端连接至该参考电压源提供的低临界电压，而反向端连接至对应的模拟放大信号输出端；及一编码器，其与该多个电压范围判定单元或非门的输出端连接。5.根据权利要求3所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，该频道选择器包含有多个电压范围判定单元，其连接至一提供有高、低临界电压值的参考电压源，且分别连接至该多个模拟放大信号输出端，并包含有二比较器及一或非门，该二比较器的输出端连接至该或非门，且其中一比较器之反向端连接至该参考电压源提供的高临界电压，而正向端连接至对应的模拟放大信号输出端，另一比较器以正向端连接至该参考电压源提供的低临界电压，而反向端连接至对应的模拟放大信号输出端；及一编码器，其与该多个电压范围判定单元或非门的输出端连接。6.根据权利要求5所述的模拟数字转换的位元扩展系统，其特征在于，各延迟滤波器包含多个电感及电容串并联。专利摘要本实用新型是关于一种模拟数字转换的位元扩展系统，其主要以一信号放大模块将输入的模拟信号放大成多种增益倍率的模拟放大信号，并以一比较器比较各种增益倍率的模拟放大信号是否超过一预设的电压范围，而选择以增益倍率最大且未超过电压范围的模拟放大信号输入模拟数字转换器进行取样及量化为数字数据，再依据对应的增益倍率右移该数字数据；如此，不需调整放大器的增益倍率，避免产生噪声，且可免除取样、量化及电压等级的判断，而得以成本相较模拟数字转换器低很多的比较器来完成。文档编号H03M1/12GK202737848SQ20122034796公开日2013年2月13日申请日期2012年7月17日优先权日2012年7月17日发明者陈志芳申请人:固纬电子实业股份有限公司