信号采样装置、系统及方法与流程

本申请涉及信号处理技术领域，特别涉及一种信号采样方法、系统及方法。

背景技术：

在传统技术中，为了实现脉冲信号的数字化采样，通常利用模数转换器(analog-to-digitalconverter,adc)来将模拟形式的脉冲信号标定成数字编码值。然而，利用adc实现脉冲信号的数字化采样，其工程实现难度较大，并且成本极其高昂。

在辐射探测与成像领域，为了降低采样成本，目前一般采用多电压阈值(multi-voltagethreshold,mvt)采样电路来对脉冲信号进行采样，如图1所示。针对每个探测通道，该采样电路一般利用多个电压比较器来比较脉冲信号的电压与预先设置的多个电压阈值之间的大小，并且利用多个tdc记录脉冲信号的电压达到电压阈值的时间，从而获取由时间-电压阈值对构成的采样点。

在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

在对脉冲信号这样的模拟信号进行采样时，为了保证后续脉冲信号的还原精度，则需要使用多个电压比较器和多个时间数字转换器才能获得足够多的采样点，这使得系统成本较高、功耗较大。

技术实现要素：

本申请实施例的目的是提供一种信号采样装置、系统及方法，以降低系统成本和功耗。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种信号采样装置，所述装置可以包括：

比较单元，其被配置为将所接收的参考信号与待采样的模拟信号进行幅度比较并且根据比较结果输出对应的电平信号，其中，所述参考信号为非周期性信号；

计时单元，其被配置为在所述参考信号的触发下时开始计时并且在从所述比较单元接收的所述电平信号的触发下输出所记录的时间；

获得单元，其被配置为根据所述参考信号的幅度特性以及所述计时单元输出的所述时间来获得所述模拟信号的采样点。

可选地，所述比较单元包括电压比较器或电流比较器，所述计时单元包括时间数字转换器或时间电压转换器。

可选地，所述获得单元具体被配置为：

针对所述计时单元在从所述比较单元接收的所述电平信号产生边沿跳变时保持计时的情况，将所述计时单元输出的时间确定为所述采样点所对应的时间，并且利用所述时间和所述参考信号的幅度特性来计算所述采样点所对应的幅度；或者

针对所述计时单元在从所述比较单元接收的所述电平信号产生边沿跳变时停止计时并复位后重新开始计时的情况，按照以下公式来计算每个所述采样点所对应的时间，并且利用所述时间和所述参考信号的幅度特性来计算每个所述采样点所对应的幅度：

ti＝ti-1+δti

yi＝f(ti)

其中，ti和yi分别表示第i个采样点所对应的时间和幅度；δti表示所述计时单元所记录的第i个时间；f(ti)表示所述参考信号的幅度特性；i为正整数，并且当i＝1时，t0＝0。

可选地，所述装置还包括：

信号发生单元，其被配置为产生所述参考信号；

控制单元，其被配置为在所述信号发生单元产生所述参考信号时控制所述计时单元开始计时。

可选地，所述装置还包括：

重建单元，其被配置为对所述获得单元获得的采样点进行重建处理以获得所述模拟信号的还原波形。

可选地，所述重建单元具体被配置为：

直接连接所获得的所有所述采样点；

对所述采样点进行插值处理，并且连接插值处理后的所有采样点；或者

对所述采样点进行插值处理，并且对插值处理之后的所有采样点进行拟合处理，

其中，所述插值处理包括线性插值处理和/或样条插值处理。

本申请实施例还提供了一种光电探测系统，所述系统可以包括上述信号采样装置以及配置为向所述信号采样装置发送模拟信号的探测器。

本申请实施例还提供了一种信号采样方法，所述方法可以包括：

由比较单元将所接收的参考信号与待采样的模拟信号进行幅度比较并且根据比较结果输出对应的电平信号，其中，所述参考信号为非周期性信号；

由计时单元在所述参考信号的触发下时开始计时并且在从所述比较单元接收的所述电平信号的触发下输出所记录的时间；

由获得单元根据所述参考信号的幅度特性以及所述计时单元输出的所述时间来获得所述模拟信号的采样点。

可选地所述方法还包括：

由重建单元对所述获得单元获得的所述采样点进行重建处理以获得所述模拟信号的还原波形。

可选地，由重建单元对所述获得单元获得的所述采样点进行重建处理的步骤包括：

直接连接所获得的所有所述采样点；

对所述采样点进行插值处理，并且连接插值处理后的所有采样点；或者

对所述采样点进行插值处理，并且对插值处理之后的所有采样点进行拟合处理，

其中，所述插值处理包括线性插值处理和/或样条插值处理。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所提供的信号采样装置通过利用比较单元将参考信号和待采样的模拟信号的幅度进行对比，计时单元在所述参考信号的触发下时开始计时并且在从所述比较单元接收的所述电平信号的触发下输出所记录的时间，以及获得单元根据所述参考信号的幅度特性以及所述计时单元输出的所述时间来获得所述模拟信号的采样点，而不需要多个电压比较器和时间数字转换器，这可以降低系统成本、功耗和工艺复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的mvt采样电路的结构示意图；

图2是本申请的一实施例提供的信号采样装置的结构示意图；

图3是利用本申请的一实施例提供的信号采样装置对脉冲信号进行采样所得到的采样点的结果示意图；

图4是本申请的另一实施例提供的信号采样装置的结构示意图；

图5是本申请的另一实施例提供的信号采样装置的结构示意图；

图6是本申请的一实施例提供的光电探测系统的结构示意图；

图7是本申请的一实施例提供的信号采样方法的流程示意图；

图8是本申请的另一实施例提供的信号采样方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本申请的范围或权利要求书。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/耦合”至另一个元件，它可以是直接连接/耦合至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/耦合”可以包括电气和/或机械物理连接/耦合。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请实施例中，参考信号可以是能够利用时间函数表述的任意信号，即能够按照时间来确定该信号在任意时刻的幅度的信号。也就是说，参考信号的幅度均可以按照预设规律来随时间变化，其幅度特性可以表示为y＝f(t)。其中，y为幅度；t为时间；f(t)为时间函数，其表示预设规律。该表达式不限定于某种函数关系或查找表等，其只需要有某种对应关系即可。优选地，该参考信号为非周期性信号。

待采样的模拟信号可以为脉冲信号，例如，闪烁脉冲信号，也可以是其它信号。幅度可以是指电压或电流等电性幅度，还可以是指其它属性的幅度。

下面结合附图对本申请实施例所提供的信号采样装置、系统及方法进行详细说明。

如图2所示，本申请实施例提供了一种信号采样装置，该信号采样装置包括比较单元110、计时单元120以及获得单元130。其中，比较单元110可以被配置为将所接收的参考信号与待采样的模拟信号进行幅度比较并且根据比较结果输出对应的电平信号，其中，参考信号为非周期性信号；计时单元120可以被配置为在参考信号的触发下时开始计时并且在从比较单元110接收的电平信号的触发下输出所记录的时间；获得单元130可以被配置为根据参考信号的幅度特性以及计时单元记录的时间来获得模拟信号的采样点。

比较单元110可以为电压比较器或电流比较器，并且可以通过现场可编程门阵列(fpga)芯片中的低电压差分信号(lvds)接口或残余连续终结逻辑(sstl)接口来实现，还可以通过特定芯片(例如，型号为adcmp572bcpz-r2或max9602eug等常用芯片，但不限于此)来实现。另外，比较单元110可以包括两个输入端(例如，正向输入端和反向输入端)，这两个输入端可以分别用于从外部装置(例如，pet探测器等辐射探测器)接收模拟信号以及从信号发生单元(后面将进行描述)接收参考信号。

针对比较单元110的正向输入端接收的是参考信号并且其负向输入端接收的是模拟信号的情况，当参考信号的幅度大于或等于模拟信号的幅度时，该比较单元110可以输出高电平信号，此时该高电平信号可以用“1”表示，而当参考信号的幅度小于模拟信号的幅度时，该比较单元可以输出低电平信号，此时该低电平信号可以用“0”表示。针对比较单元110的正向输入端接收的是模拟信号并且其负向输入端接收的是参考信号的情况，当参考信号的幅度小于模拟信号的幅度时，该比较单元可以输出高电平信号，而当参考信号的幅度大于或等于模拟信号的幅度时，该比较单元可以输出低电平信号。

计时单元120可以通过fpga芯片中的逻辑资源来实现，也可以采用专用芯片(例如，asic芯片)，其可以是能够记录一段时间的任意单元、模块、电路或器件等，例如，时间数字转换器(tdc)或时间电压转换器(tvc)。计时单元120可以用于记录并输出从比较单元110接收的电平信号产生边沿跳变(例如，上升沿跳变或下降沿跳变)时的时间。具体地，计时单元120可以在外部装置产生参考信号时开始计时，并且从比较单元110接收电平信号，每当从比较单元110接收的电平信号产生边沿跳变时，计时单元120都可以输出所记录的时间，并且同时可以一直保持计时或者在复位后重新开始计时，直至完成采样点的采集。

获得单元130可以包括解码器，并且获得单元140可以用于根据计时单元120输出的时间确定出所要采集的时间，然后根据所确定的时间并结合参考信号的幅度特性(即，y＝f(t))来确定出所要采集的幅度，从而得到该模拟信号的由时间和幅度表征的采样点。

针对计时单元120在电平信号产生边沿跳变时一直保持计时的情况，获得单元130可以直接将每次计时单元120输出的时间确定为一个采样点所对应的时间，并且根据该时间和参考信号的幅度特性来计算出该采样点所对应的幅度，从而可以获得多个采样点。

针对计时单元120在电平信号产生边沿跳变时停止计时并且在复位后重新开始计时的情况，获得单元140可以按照以下公式计算每个采样点所对应的时间，并且利用计算出的时间并结合参考信号的幅度特性(y＝f(t))来计算每个采样点所对应的幅度：

ti＝ti-1+δti

yi＝f(ti)

其中，ti和yi分别表示第i个采样点所对应的时间和幅度；δti表示所述计时单元所记录的第i个时间；f(ti)表示所述参考信号的幅度特性；i为正整数，并且当i＝1时，t0＝0。

图3示出了经过获得单元130处理后所得到的采样点的结果示意图。根据图3可知，利用本申请中的信号采样装置对脉冲信号进行采样，可以获得较多的采样点(例如，p1～p4)，从而可以保证后续信号的还原精度。

在本申请的另一实施例中，如图4所示，该信号采样装置还可以包括：信号发生单元140，其可以被配置为产生参考信号；以及控制单元150，其可以被配置为在信号发生单元140产生参考信号时控制计时单元120开始计时。其中，信号发生单元140和/或控制单元150可以通过lc震荡电路、rc震荡电路、石英晶振或直接数字式频率合成器(dds)芯片等实现。

在本申请的另一实施例中，如图5所示，该信号采样装置还可以包括重建单元160，其可以被配置为对获得单元130获得的采样点进行重建处理以获得模拟信号的还原波形。重建单元160可直接连接所获得的所有采样点以获得模拟信号的还原波形，而无需进行任何拟合处理，这可以提高数据处理速度并且减少内存占用。重建单元160也可以对所获得的采样点进行插值处理，并且连接插值处理后的所有采样点；还可以利用模拟信号的先验模型或特征函数(例如，y(t)＝a*exp(-(t-d)/b)*(1-exp(-(t-d)/c)))对所获得的采样点直接进行拟合处理；也还可以对所获得的采样点进行插值处理，并且对插值处理之后的所有采样点进行拟合处理，其中，插值处理包括线性插值处理和/或样条插值处理。通过对采样点进行插值处理和/或拟合处理，可以提高模拟信号的还原精度。

关于对采样点进行插值处理以及拟合处理的具体过程可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。

通过以上描述可知，本申请实施例提供的信号采样装置主要利用通过利用比较单元将参考信号和待采样的模拟信号的幅度进行对比，计时单元在参考信号的触发下时开始计时并且在从比较单元接收的电平信号的触发下输出所记录的时间，以及获得单元为根据参考信号的幅度特性以及计时单元输出的时间来获得模拟信号的采样点，而不需要多个电压比较器和时间数字转换器。例如，针对采集16个采样点，现有技术中的mvt采样电路需要8个电压比较器和16个tdc，而本申请只需要一个电压比较器和一个tdc，这显然可以降低系统成本、功耗和工艺复杂程度。

本申请实施例还提供了一种光电探测系统，如图6所示，该光电探测系统可以包括上面实施例中描述的信号采样装置以及配置为向该信号采样装置发送脉冲信号的探测器。该探测器可以是能够探测放射性射线的任意辐射探测器，例如，pet探测器，并且该探测器可以包括相互耦合的闪烁晶体和光电转换器。

本申请实施例还提供了一种利用上述信号采样装置执行的信号采样方法，如图7所示，其可以包括以下步骤：

s1：由比较单元将所接收的参考信号与待采样的模拟信号进行幅度比较并且根据比较结果输出对应的电平信号。

参考信号可以为非周期性信号，并且模拟信号可以为闪烁脉冲信号。

在接收到参考信号和待采样的模拟信号之后，比较单元可以所接收的参考信号与待采样的模拟信号进行幅度比较，并且根据比较结果输出对应的电平信号。例如，当模拟信号的幅度达到参考信号的幅度时，比较单元可以输出高电平，而当模拟信号的幅度小于参考信号的幅度时，其可以输出低电平。

s2：由计时单元在参考信号的触发下开始进行计时并且在从比较单元接收的电平信号的触发下输出所记录的时间。

在外部装置产生参考信号时，计时单元可以开始计时并且接收比较单元输出的电平信号，每当该电平信号产生边沿跳变之后，计时单元可以输出所记录的时间，同时也可以一直保持计时或者停止计时并且复位后重新开始计时。

s3：由获得单元根据参考信号的幅度特性以及计时单元记录的时间来获得模拟信号的采样点。

当获得单元接收到计时单元记录的时间之后，其可以根据计时单元记录的时间确定出要采集的采样点所对应的时间，然后可以根据所确定的时间并结合参考信号的幅度特性来计算采样点所对应的幅度，从而得到该模拟信号的由时间和幅度表征的采样点。

在本申请的另一实施例中，如图8所示，该方法还可以包括：

s4：由重建单元对获得单元获得的采样点进行重建处理以获得模拟信号的还原波形。

针对上述步骤s1-s4的详细描述，可以参照上面实施例中对比较单元、计时单元、获得单元以及重建单元的详细描述，在此不再赘叙。

通过上述描述可以看出，本申请实施例提供的信号采样方法通过利用比较单元将参考信号和待采样的模拟信号的幅度进行对比，计时单元在参考信号的触发下开始进行计时并且在从比较单元接收的电平信号的触发下输出所记录的时间，以及获得单元根据参考信号的幅度特性以及计时单元记录的时间来获得模拟信号的采样点，而不是通过利用多个电压阈值这种间断数值与脉冲信号的幅度进行对比，这使得所采集的采样点数相对较多，因而可以提高模拟信号的采样精度和准确性，并且可以无需对所采集的采样点进行拟合处理，这可以提高数据处理速度并且降低系统功耗。

上述实施例阐明的系统、装置、单元等，具体可以由半导体芯片、计算机芯片和/或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以在同一个或多个芯片中实现各单元的功能。

虽然本申请提供了如上述实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤中，这些步骤的执行顺序不限于本申请实施例提供的执行顺序。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本申请而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于上述实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。