一种可配置的分段式sigma-deltaADC的制作方法

一种可配置的分段式sigma-delta adc
技术领域
1.本技术涉及传感器技术领域，特别涉及一种可配置的分段式sigma-delta adc。


背景技术：

2.对于一个信号以频率fs采样，根据奈奎斯特定理，采样频率至少两倍于输入信号的频率。从fft分析结果可以看到，一个单音和一系列频率分段于dc到fs/2间的随机噪声，主要是是由有限的adc分辨率而造成的，单音信号的幅度和所有频率噪声的rms幅度之和的比值就是信号噪声比(snr)。对于一个nbit sigma-delta dc，snr可由公式：
3.snr＝6.02(n+ninc)+1.76db
ꢀꢀꢀ
(1)
4.得到。其中，n是sigma-delta调制器的位数，ninc增加的分辨率是：
[0005][0006]
在公式(2)中，m是调节器阶数，k是转换过程中的过采样率。理想的带一阶调制器的sigma-delta调制器的信噪比是：
[0007]
6.02+1.76-5.17+30log10osr
ꢀꢀꢀ
(3)
[0008]
其中osr为过采样率，n为调制器位数。
[0009]
在位数确定的情况下，为了改善snr和更为精确地再现输入信号，必须增加过采样率。如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为kfs，fft分析显示噪声基线降低了，snr值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。但是采样率的提高会导致后续的信号处理速度跟不上，因此有必要对信号在解调端进行下抽样。
[0010]
在传统的阵列传感器中解调过程都是在传感器的终端完成，这就对终端传感器的数据处理能力要求很高，导致终端传感器的成本很高，而且终端传感器的功耗很大。因此，亟需一种技术方案用来解决阵列传感器成本高，功耗大的技术问题。


技术实现要素：

[0011]
本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种可配置的分段式sigma-delta adc，以降低传感器的成本与功耗。
[0012]
为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
[0013]
本技术实施例提供了一种可配置的分段式sigma-delta adc，其特征在于，所述sigma-delta adc包括：前置处理模块与后置滤波器；所述前置模块包括：sigma-delta调制器以及前置滤波器；
[0014]
所述sigma-delta调制器，用于将模拟信号转换成数字信号；
[0015]
所述前置滤波器，用于对所述数字信号进行抽取滤波，并将所述抽取滤波后的低速率信号通过数据传输通道传输至后置滤波器；
[0016]
所述后置滤波器包括均衡器以及数据运算模块，所述均衡器用于对所述数据传输通道所引起的数据畸变进行补偿；
[0017]
所述数据运算模块用于对数据信号进行处理，获得最终输出结果；
[0018]
所述前置处理模块与所述后置滤波器相互独立；
[0019]
所述前置滤波器的运算量小于所述后置滤波器的运算量。
[0020]
可选地，所述sigma-delta adc还包括软件配置模块，用于对所述前置滤波器进行配置。
[0021]
可选地，所述前置滤波器为加法平均滤波器，所述软件配置模块对加法平均的位数进行配置。
[0022]
可选地，根据所述软件配置模块配置的位数，对所述位数上的信号进行加法平均得到一位信号。
[0023]
可选地，所述前置滤波器为梳状滤波器，所述软件配置模块对所述梳状滤波器的频率变换因子进行配置。
[0024]
可选地，所述频率变换因子为大于等于2的正整数。
[0025]
可选地，所述模拟信号为传感器阵列采集到的模拟信号。
[0026]
可选地，所述前置滤波器为低运算率并且用于降低数据速率的滤波器。
[0027]
可选地，所述后置滤波器为高运算率的滤波器。
[0028]
可选地，所述前置滤波器显示低精度数据处理结果，所述后置滤波器显示高精度数据处理结果。
[0029]
本技术的有益效果是：
[0030]
本技术实施例提供的一种可配置的分段式sigma-delta adc，其特征在于，所述sigma-delta adc包括：前置处理模块与后置滤波器；所述前置模块包括：sigma-delta调制器以及前置滤波器；
[0031]
所述sigma-delta调制器，用于将模拟信号转换成数字信号；
[0032]
所述前置滤波器，用于对所述数字信号进行抽取滤波，并将所述抽取滤波后的低速率信号通过数据传输通道传输至后置滤波器；
[0033]
所述后置滤波器包括均衡器以及数据运算模块，所述均衡器用于对所述数据传输通道所引起的数据畸变进行补偿；
[0034]
所述数据运算模块用于对数据信号进行处理，获得最终输出结果；
[0035]
所述前置处理模块与所述后置滤波器相互独立；
[0036]
所述前置滤波器的运算量小于所述后置滤波器的运算量；通过如此设计可以实现降低传感器的成本与功耗。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0038]
图1为本技术实施例提供的一种阵列传感器的示意图；
[0039]
图2a为本技术实施例提供的一种对应于传感器阵列的sigma-[0040]
delta adc示意图；
[0041]
图2b为本技术实施例提供的一种sigma-delta adc示意图；
[0042]
图3a为本技术实施例提供的一种前置滤波器的示意图；
[0043]
图3b为本技术实施例提供的一种加法平均抽取器结果的示意图；
[0044]
图4a为本技术实施例提供的另一种前置滤波器的示意图；
[0045]
图4b为本技术实施例提供的一种梳状滤波器的结果示意图；
[0046]
图5为本技术实施例提供的一种sigma-delta adc的工作流程示意图。
具体实施方式
[0047]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0048]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0049]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0050]
图1为本技术实施例提供的一种阵列传感器的示意图。如图1所示的阵列传感器10包括以矩形排列的m*n个传感器，其中m与n为大于1的正整数。m与n的数值可以相等也可不相等。如图1所示的m*n个传感器如果终端要求显示测量的结果，那么所述的m*n个传感器都必须要求很强的数据处理能力，而且每个传感器都在进行大量的数据处理的时候功耗很大。但是在一些场景中并不需要终端传感器实时显示处理结果，例如在桥梁的承重测试中，或者货架的承重测试实时性要求不高的场景中，终端传感器可以将数据传出来在后台进行处理。这样就可以降低终端传感器的成本与功耗。
[0051]
图2a为本技术实施例提供的一种对应于传感器阵列的sigma-delta adc示意图。如图2a所示的sigma-delta adc 11包括前置处理模块201以及后置滤波器202。其中前置处理模块201包括sigma-delta调制器2001以及前置滤波器2002。在图2所示的sigma-delta adc中，传感器采集到的模拟信号经过sigma-delta调制器2001，输出数字信号至前置滤波器2002，前置滤波器将处理后的数据经过数据传输通道传输至后置滤波器202。数据传输通道可以为有通道或者无线通道。该数据传输通道可以是远距离的数据传输通道。所述前置滤波器经过数据传输通道由于传输信道的损耗或者数据传输信道的反射等因素会导致数据传输的畸变。在后置滤波器中可以对数据传输的损耗进行补偿。后置滤波器可以通过均衡器或者系数校正的方法对数据传输通达的损耗进行补偿。
[0052]
在信号经过sigma-delta调制器时需要过采样，所以到达前置滤波器的数字信号数量巨大。在一些场景中传感器不需要实时显示结果，所以传感器不用实时处理这些数据，传感器可以将这些数据传输至后置滤波器处理，但是过采样的数据量很大，如果全部传输到后台处理，对传感器的带宽要求很高。所以本技术的实施例中将数字信号在前置滤波器2002中抽取滤波以后的数据传输至后置滤波器进行处理，这样就可以降低对传感器的传输带宽要求。同时传感器不需要实时处理数据，这样就可以降低传感器的成本和功耗。从上述
实施例可以看出，前置滤波器只是进行很少的运算量，大量的运算量是放在后置滤波器中完成的。前置滤波器主要是用来降低数据的速率。
[0053]
在上述实施例中前置滤波器可以对抽取滤波降速率后的数据结果进行低精度的显示，所述在前置滤波的低精度显示适用于对于传感器测量结果精度要求不高但实时性要求高的场景。在实时性要求不高但是显示精度要求高的场景下后置滤波器对数据进行处理后显示高精度的结果。
[0054]
图2a所示为阵列传感器的分段式示意图，如图2a所示sigma-delta adc 11～sigma-delta adc mn结构与对数据处理过程与上述sigma-delta adc 11类似这里就不在赘述，其中sigma-delta adc11～sigma-delta adc mn分别与图1所述的传感器阵列中的传感器11～传感器mn对应。
[0055]
在另外的实施例中sigma-delta adc 11～sigma-delta adc mn可以对应一个相同的后置滤波器分别对sigma-delta adc 11～sigma-delta adc mn中的前置滤波器传输的低速率数据进行处理，分别显示出各个传感器的输出结果。在其他的实时例中sigma-delta adc11～sigma-delta adc mn也可以分别对应几个后置处理器，在该实施例中可以对sigma-delta adc 11～sigma-delta adc mn进行分组，每组sigma-delta adc对应一个后置滤波器对其相对应的sigma-delta adc的前置滤波器传输出的低速率数据进行处理，并分别显示出各个相对应的传感器的输出结果。本技术并不做具体限制。
[0056]
图2b为本技术实施例提供的一种sigma-delta adc示意图。图2b所示的sigma-delta adc包括前置处理模块2012、软件配置模块2023以及后置滤波器2022。所述前置处理模块包括sigma-delta adc调制器20012与前置滤波器2022。前置滤波器的数据经过如图2b所示的数据传输通道到达后置滤波器2022。所述sigma-delta adc调制器20012与前置滤波器2022功能与上述实施例类似，这里就不再赘述。所述前置滤波器可以进行低精度显示。所述软件配置模块2023用于对前置滤波器的抽取滤波位数进行配置。其中后置滤波器包括均衡器与数据运算模块。均衡器用于补偿由于数据传输信道的损耗或者数据传输信道的反射等因素会导致数据传输的畸变。经过均衡器补偿的数据到达后置滤波器的数据运算模块进行数据处理，输出传感器的最终测量结果，并进行显示；其中后置滤波器的显示为高精度显示。
[0057]
图3a为本技术实施例提供的一种前置滤波器的示意图。如图3a所示的前置滤波器可以通过加法平均抽取器来完成，其中所述加法平均抽取器的位数可以通过软件配置来完成。例如软件配置所述抽取滤波器的抽取位数为五位，那么所述加法平均抽取器将过采样数字信号的1～5位，6～10位，11～15位
……
分别加起来然后求平均之后分别得到一位数。这样就可以将过采样的数据速率降低4倍。然后再将降低速率后的数据传输至后后置滤波器进行处理，如此就可以降低对传感器的传输带宽的要求。上述实施例中软件配置的抽取位数只是为了示意性说明，本技术并不做具体限制。
[0058]
图3b为本技术实施例提供的一种加法平均抽取器结果的示意图。如图3b所示横轴为数字信号的位数，纵轴为对应位数的数值。如图3b所示将加法平均抽取器将过采样数字信号的1～5位上的数值求和后再平均，如图所示为(4+5+3+4+5)/5＝4.2，所以经过加法平均抽取器后1～5位上的数值得到一位上的数值为4.2；同理过采样数字信号的6～10位上的数值求和后再平均如图所示为(3+2+3+2+1)/5＝2.2，作为加法平均抽取器的第二位上数
值；一次类推完成对所有过采样数字信号的加法平均。这样就可以将过采样的数据速率降低4倍。然后将降低速率的数据再传输到后置滤波器进行处理。
[0059]
图4a为本技术实施例提供的另一种前置滤波器的示意图。如图4a所示的梳状滤波器工作在较低的频率fs/r,，其中fs为采样频率，r是整数倍的频率变换因子。其中所述频率变换因子可以通过软件配置来完成。梳状部分可以有n级梳状滤波器组成。经过梳状滤波器可以将过采样的数字信号速率将下来r倍，然后再将降低速率后的数据传输至后置滤波器进行处理，这样就可以降低对传感器的传输带宽的要求。其中r为大于等于2的正整数。
[0060]
图4b为本技术实施例提供的一种梳状滤波器的结果示意图。如图4b所示401为过采样的数字信号，402为r为3的梳状滤波器的抽取结果，对其在进行3倍抽取，即每隔两个点抽取一个点作为新的信号点，可以看出来，整个过程中信号没有发生变化，变化的只有采样率。r为3的梳状滤波器可以将数据速率降低2倍，然后将降低速率后的数据传输到后置滤波器进行处理。梳状滤波器结构简单，仅有乘、加单元，可以实现多倍速率下抽变换，并且能够滤除高频成分。为了使过渡带陡峭，抑制旁瓣，滤波器的带内容差不宜过大。当扫频的带宽一定时，梳状滤波器常用在采样率下抽的第一级，以满足较大的采样率和较小的下抽因子来降低带内容差。
[0061]
从上述实施例可以看出前置滤波器主要用于降低数据的速率，运算量比较小。后置滤波器要进行后续数据的处理，并得到最终结果，所以后置滤波器的运算量比较大。
[0062]
图5为本技术实施例提供的一种sigma-delta adc的工作流程示意图。如图5所示包括以下步骤：
[0063]
s501：传感器采集数据，采集到的数据为模拟信号；
[0064]
s502：传感器对采集到模拟信号进行转换得到数字信号，所示转换过程可以由sigma-delta调制器完成，在所述模数转换过程中需要对数据进行过采样，得到的数字信号数据量很大。
[0065]
s503：通过前置滤波器对所述数字信号进行抽取滤波，所述前置滤波可以由加法平均滤波器或者梳状滤波器完成，本技术不做具体限制。
[0066]
s504：传感器将抽取滤波后的数据传输至后置滤波器进行处理。所述传输的数据因为已经降低了速率对传感器的传输带宽要求降低。其中前置滤波器抽取滤波的倍数可以通过软件配置。
[0067]
s505：后置滤波器对接收到的信号进行处理，得到最终的结果，并显示、输出。
[0068]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0069]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本
申请，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。