多通道换能器设备和其操作方法

多通道换能器设备和其操作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及多通道换能器设备，且更具体地涉及当高增益信号饱和时将低增益信 号映射到高增益信号上以形成混合信号并且平滑地转变为混合信号的多通道换能器设备 及其操作方法。
【背景技术】
[0002] 设备关于检测或感测它们周围环境正变得更敏感和更精确。为了检测高动态范围 的信号，这些设备包括具有不同灵敏度的多个采集通道（例如具有不同灵敏度的多个传感 器）。单个采集通道的范围太有限而无法检测可检测信号的完整范围。
[0003] 包括多于一个采集通道的设备，诸如低灵敏度采集通道和高灵敏度采集通道，在 日常电子产品中正变得更加普通。例如，蜂窝电话、游戏控制器、和其它移动设备并入了麦 克风、陀螺仪、或配置为感测宽范围输入信号的其它基于换能器的设备（例如光学设备）。
[0004] 作为示例，为了感测这个宽范围信号，麦克风可在单个封装中包括多个膜或多个 麦克风，其中一个具有低灵敏度且另一个具有高灵敏度。作为另一示例，具有相对大灵敏度 范围的单个传感器（例如麦克风膜）可提供作为分别实现不同放大因子的两个不同采集链 的输入。这样可以导致似乎具有不同灵敏度的两个或更多采集通道的设备。
[0005] 大体上，低灵敏度采集通道使得能够检测环境信号的强部分（高振幅），但是不能 很好地处理信号的弱部分（低振幅）。高灵敏度采集通道使得能够检测信号的弱部分（低 振幅），但是不能很好地处理信号的强部分。
[0006] 在具有多个采集通道的当前设备中，控制电路同时采集来自两个通道的不同灵敏 度的输出信号，并通过在高灵敏度和低灵敏度信号之间直接切换来适应信号强度。
[0007] 然而，这种切换在输出信号中造成了不需要的不连续。特别地，当在高和低灵敏度 信号之间切换时可能会有延迟。作为另一示例，当切换发生时，在与高和低灵敏度信号分别 关联的本底噪声之间的差异可以是可辨别的（例如，通过在双通道麦克风设备的通道之间 切换的输出信号的监听器）。此外，用于增益的控制电路在信号处理的链中经常被布置成远 离传感器，且未能补偿传感器的固有限制。

【发明内容】

[0008] 本公开涉及当高增益信号饱和时将低增益信号映射到高增益信号上以形成混合 信号并且平滑地转变为混合信号的多通道换能器设备和其操作方法。多通道换能器设备可 具有不同灵敏度的至少两个采集模块。采集模块可并行检测施加于设备的外力，并分别输 出对应于不同灵敏度的信号。设备处理不同灵敏度的信号中的至少两个信号，以确定多个 映射参数。设备使用映射参数来生成表示映射到较高灵敏度信号的较低灵敏度信号的混合 信号。设备输出采集信号中的一个或多个采集信号和混合信号的加权平均，其中加权依赖 于例如操作模式和其它因素。因为混合信号从较高灵敏度信号生成，从较高灵敏度信号到 混合信号的转变平滑且没有不连续。
【附图说明】
[0009] 本公开的前述和其它的特征和优点将会更容易地理解，因为当结合附图考虑时， 它们从以下【具体实施方式】变得更好理解。
[0010] 图1A是根据本公开的示例实施例的设备的真正双通道换能器组件和信号处理级 的框图；
[0011] 图1B是根据本公开的示例实施例的设备的表观双通道换能器组件和信号处理级 的框图；
[0012] 图2是图1A和图1B的信号处理级的框图；
[0013] 图3是包括根据本公开的示例实施例的来自高增益通道的信号、来自低增益通道 的信号和形成的混合信号的图表；
[0014] 图4A和图4B包括根据本公开的示例实施例的低增益通道和高增益通道的图形信 号范围表示；
[0015] 图5是根据本公开的示例实施例的换能器组件和执行并行处理的信号处理级的 框图；
[0016] 图6是图5的信号处理级的增强框图；
[0017] 图7是根据本公开的示例实施例的换能器组件和执行顺序处理的信号处理级的 框图；以及
[0018] 图8是根据本公开的示例实施例的用于确定映射参数的最小二乘法优化的表示。
【具体实施方式】
[0019] 在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对本公开的各种实施例的透彻理 解。然而，本领域的技术人员会理解的是，本公开可在没有这些具体细节的情况下被实践。 在其它实例中，与电子部件和信号处理有关联的众所周知的结构没有被详细描述，以避免 不必要地模糊对本公开的实施例的描述。
[0020] 除非上下文另外要求，贯穿说明书和随后的权利要求书，词语"包括"和它的变体 与"包含"是同义的，并且是包括性的或开放式的（例如不排除附加的、未记载的元件或方 法动作）。
[0021] 贯穿本说明书，对"一个实施例"或"实施例"的引用意指联系实施例描述的特定 的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，短语"在一个实施例中"或"在实施例 中"在贯穿本说明书的不同地方的出现不必要全部引用同一个实施例。此外，特定的特征、 结构或特性可以在一个或更多实施例中以任何合适的方式组合。
[0022] 如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"包括复数 的所指对象，除非内容清楚地另外指示。还应注意的是，术语"或者"通常在包括"和/或" 的意义上来运用，除非内容清楚地另外指示。
[0023] 如在本说明书和所附权利要求中使用的，"对应"和"对应的"的使用旨在描述在引 用对象之间的比率或相似度。"对应"或其形式之一的使用不应被理解为意指确切的形状或 尺寸。
[0024] 在附图中，完全相同的引用数字标识相似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相 对位置没有必要按比例绘制。
[0025] 图1A是依照本公开实施例形成的系统10的框图。系统10被配置为通过同时采 集来自多个具有不同灵敏度的换能器的信息来提供宽动态范围的信号。系统10包括换能 器组件2,换能器组件2配置为输出至少两个通道：高增益通道16和低增益通道14。换能 器组件可以是具有多个同时采集的信号的任何设备，诸如用于利用图像稳定性的光学检测 的设备、诸如具有可改变的时间偏移的双核陀螺仪和具有双核跟踪和定向的加速计之类的 惯性感测设备、动圈式麦克风和其它MEMS(微机电系统）。
[0026] 图1A中的换能器组件2包括两个电容性的传感器2a、2b，其中第一传感器2a检测 来自环境的信号的弱部分，诸如具有低振幅的信号部分，且第二传感器2b检测来自环境的 信号的强部分，诸如具有高振幅的信号部分。由于换能器组件2的确包括具有不同灵敏度 的两个不同的传感器2a和2b，换能器组件2可被命名为"真正"双通道换能器组件。
[0027] 由于不同的灵敏度，不同的放大因子可应用于由电容性传感器2a、2b输出的信 号。然而，在一些实施方式中，相同的放大因子分别应用于由传感器2a、2b输出的信号。
[0028] 这些电容性传感器2a、2b可以是许多不同类型的电容性传感器中的任何一种，诸 如具有不同灵敏度的在分离封装中的两个分离的麦克风、具有包括在单个封装中的两个膜 的麦克风、或者在单个封装或分离封装中的两个光学传感器或两个陀螺仪。传感器2a、2b 被配置为具有不同的灵敏度，并行地接收和输出信号，从而同时采集信号。
[0029] 传感器2a、2b检测来自环境的同样的信号，但是用两个不同的采集链同时进行处 理。例如，传感器检测同样的加速度，但是具有不同的精确度或动态范围。备选地，传感器 是用不同灵敏度或动态范围来检测同样的声音的麦克风。
[0030] 每个传感器与相应处理级3a和3b(共同指示为3)耦合，处理级3a和3b被分别 配置为接收来自对应传感器2a、2b的检测量，并输出指示传感器的输入的电检测信号。传 感器可以是数字或模拟传感器。传感器二者都接收同样的模拟信号。在一些实施方式中， 由于在传感器之间灵敏度的不同，不同的放大因子被应用于每个传感器的输出。
[0031] 第一传感器2a与第一处理级3a的组合可被称为第一采集模块4a。第二传感器 2b与第二处理级3b的组合可被称为第二采集模块4b。第一和第二采集模块4a、4b被配置 为并行地操作，以同时获得关于系统10在其中操作的环境的信息。
[0032] 在图1A所示的实施例中，第一处理级3a与第一传感器2a(高灵敏度传感器）耦 合，并且被配置为输出高增益信号16,这也是高增益通道16。第一处理级3a从第一传感器 接收模拟信号，由于第一传感器被配置为高度灵敏，该模拟信号通常会是低振幅信号。第一 处理级3a然后会处理低振幅信号以输出高增益信号16。第一处理级3a可包括模拟-数字 转换器8a和放大器（未不出）。
[0033] 类似地，第二处理级3b与第二传感器2b耦合，并配置为输出低增益信号14,这可 被称为低增益通道14。第二传感器2b有能力检测信号的强部分，这与第一传感器2a对信 号的弱部分的检测平衡。由于第一传感器2a有能力检测信号的弱部分，第一传感器很难准 确和精确地检测信号的强部分。为了增加换能器组件2的动态范围，第二传感器2b有能力 检测信号的强部分，但是很难准确和精确地检测信号的弱部分。第二处理级3b将低增益应 用于信号的强部分以输出低增益信号14。第二处理级3b可包括模拟-数字转换器8b和放 大器（未不出）。
[0034] 在一些实施方式中，第一和第二处理级3a、3b可包括同样的部件，其中唯一的差 异是放大因子。具体地，每个处理级3a、3b可包括同样的模拟-数字转换器8a、8b。例如转 换器二者都可以是10位转换器或12位转换器。此外，在一些实施方式中，传感器2a、2b是 数字传感器且不要求如图1A所示的随后的ADC转换。
[0035] 在一些实施方式中，第一ADC8a和第二ADC8b二者都是12位模拟-数字转换器。 第一ADC8a和第二ADC8b被配置为接收来自传感器2a、2b的模拟信号并输出12位数字 信号。
[0036] ADC8a、8b取样模拟信号，并在每个样本提供模拟信号振幅的数字表示。每个样本 与确定模拟信号段的振幅有关联。通过ADC得到的样本是相等顺序的模拟信号段，其中每 个样本是一个段。ADC分析模拟信号段，并输出表示段的振幅的数字值。转换涉及输入信号