[发明专利]高分辨率和宽动态范围的积分仪

说明书

技术领域

本发明一般涉及传感器装置领域，特别涉及一种积分仪方法和装置。

背景技术

这个积分函数即积分，是在技术中广为人知的数学函数。简单地说，积 分是一个数学的对象，可以认为这个对象是一个面积或是广义性的面积。如 果一个信号被绘图成一条曲线，那么这个信号的积分就是在这条曲线以下的 区域。积分仪是一个装置，此装置可以对出现在输入端的信号求积分，并且 在输出端输出输入信号的积分译本。

信号的质量的由积分仪110对信号V_IN求积分而改善。图二举例说明了 信号改善的原理。波形200是信号源100产生的常量信号和附加的破坏了常 量信号的噪声的组合。波形210是响应输入信号波形200产生的输出的积分 值。从波形210的图像上，可以很容易观察到，积分仪的作用降低了由叠加 噪声产生的信号起伏。

积分仪110的输出值，V_OUT，被输入ADC 200。ADC 120执行模拟数字 转换功能。这个模拟数字转换功能本领域已经广为人知了。在ADC 120的 输入端，模拟信号V_OUT被转换成信号V_D，V_D可以取出一组离散电平中的一 个。

信号源100产生一个信号。作为例子，信号源100可以是一个传感器， 如应变计，燃料流量传感器，光强度传感器或者其他任何型式的可以随外界 激励产生信号的装置。信号源100常常，但未必总是从包含积分仪110、模 拟数字转换器(ADC)120以及DSP 130的电路集合中实际移开。

图三举例说明两个ADC 120输入信号300和310，以及相应的ADC 320 输出电平。信号300和310是积分仪110对于不同功率的输入信号的响应输 出量。信号300是积分仪110对较高功率的输入信号的响应输出值。信号310 是积分仪110对低功率的输入信号的响应输出值。

竖线320代表了ADC的转换特征。模拟的ADC 120的输入信号值将被 映射成离散信号输出值的有限集合中的一个。在竖线320上的电平小记号标 志说明ADC 120的输出值离散集合。如插图所示，ADC 120是五位装置， 它将输入信号转换成32个离散值之一。这些离散值跨越0至31或者用二进 制表示为00000至11111。在竖线320上，有32个相应的小记号，每一个标 记都对应一个特定的模拟电压值。

如图三所示，在时刻T＝100时，ADC 120从出现在它输入端处取样并转 换。在时刻T＝100时，信号300到达电压值5V，它于是被转化成数字值31， 此值是ADC 120的最高可能输出值。信号310的值到达大约0.5V，并且被 转换成数字值3，此值是ADC 120相对的低输出电码。一个不能准确地与竖 线120上的小记号之一符合的ADC输入信号值将被取舍近似成最近小记号 的值。

在取舍近似过程引入的转换误差被描述成量子化噪声。在本领域，精通 技术的人熟知这个由ADC引入的量子误差和相关的量子化噪声。这些取舍 近似误差按比例对低值信号似较为重要的意义，而对高值信号则不太重要。 信号300受到量子化噪声的影响比信号310小。换句话说，信号300上信号 对量子化噪声的比率比信号310上的高。

信号对量子化噪声的比率是对负面影响体系性能的信号退化的量度标 准。最小可接受信号对量子化噪声比率是一个设计参量，由于这个原因，则 ADC 120上最小的电平数目或等效最小的电平数目是系统设计的必要条件。

另一种降低信号质量的噪声是附加的热噪声。对于一个给定的破坏ADC 120输入信号的热噪声的能量，输入信号中电平的差别低于某值时，就不能 被可靠的分辩。图4示出了这个局限性。图4表示积分仪110由于两个不同 信号产生的输出值。这些信号被附加的热噪声破坏。在积分过程的整段时间 内，诸信号具有不变信号值，而积分仪的输入由不变信号值和附加的热噪声 组成。在这两种案例下，当积分处理结束时，积分仪110的重要输出值在 T＝100的时刻出现。