信号增益值判断电路及相关方法与流程

1.本发明涉及一种信号增益值判断电路及相关方法，尤其是涉及用于感测积分电路的一种信号增益值判断电路及相关方法。


背景技术：

2.在现有传感器(例如光、压力、电量、温度传感器等)中，以光传感器为例，当原始感测信号在一预定积分时间内的一积分电压值递增到一预定参考电压值时，便将积分器进行重置，同时通过计数器累加积分电压值递增到设定参考电压值的次数。当预定积分时间结束时，通过读取计数器的数值，可取得原始感测信号在预定积分时间内所对应的计数值。
3.图1为现有感测积分电路的计数值对信噪比(signal-to-noise ratio，snr)的一曲线cn_1示意图。在实际应用中，申请人注意到本底噪声(noise floor)的信号强度通常介于某个范围，并且本底噪声与原始感测信号的信号强度不是等比例缩放。详细来说，如图1所示，当现有传感器操作在感测信号强度较小的范围时，本底噪声强度在感测信号强度小时，本底噪声的占比较高，如此导致信噪比的表现较差；另一方面，本底噪声强度在感测信号强度大时，本底噪声的占比较小，如此使得信噪比的表现良好。
4.图2为现有感测积分电路的感测信号对计数值的一曲线cs_1示意图。当感测信号变动时，其相对应的计数值可能会不成比例的变化，如图2所示，曲线cs_1的斜率并非定值，因此现有感测积分电路的线性度表现可能不够好，因而不适用于对于线性度表现较严格的产品。
5.简言之，由于本底噪声与原始感测信号的信号强度不是等比例缩放，导致现有传感器操作在不同感测信号范围时的信噪比不均匀；此外，现有感测积分电路在感测信号变动时所对应的计数值不呈比例变化，因而不适用于对于线性度表现较严格的产品。
6.因此，如何改善传感器操作在不同感测信号范围时的信噪比均匀度，以及如何改善现有传感器的线性度，已成为本领域欲解决的重要课题之一。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种信号增益值判断电路，以改善传感器的信噪比均匀度及线性度。
8.此外，本发明所采用的其中一技术方案是提供一种信号增益值判断电路，用于一感测积分电路。该信号增益值判断电路包括一第一缓存器、一第二缓存器、一数字比较器、一数字控制器、一第三缓存器、一算术模块以及一第四缓存器。该第一缓存器用来储存一预定计数值。该第二缓存器用来储存一第一计数值。该感测积分电路在一第一积分时间内，根据一第一感测信号产生该第一计数值。该数字比较器耦接于该第一缓存器和该第二缓存器，用来在该第一积分时间之后，比较该第一计数值和该预定计数值以产生一比较结果。该数字控制器耦接于该数字比较器，用来根据该比较结果，判断一信号增益值，以产生用来指示该信号增益值的一控制信号到该感测积分电路的一信号放大器；其中该信号放大器根据
该信号增益值来调整该第一感测信号以产生一第二感测信号，使该感测积分电路在一第二积分时间内产生对应于该第二感测信号的一第二计数值，并且该第二缓存器在该第二积分时间之后，储存该第二计数值。该第三缓存器耦接于该数字控制器，用来储存该信号增益值。该算术模块耦接于该第三缓存器和该第二缓存器，用来在该第二积分时间之后，根据该第二计数值及该信号增益值，产生对应于该第一感测信号的一输出计数值。该第四缓存器，用来储存该输出计数值。
9.优选地，当该比较结果指示该第一计数值小于该预定计数值时，该信号增益值大于1；以及当该比较结果指示该第一计数值不小于该预定计数值时，该信号增益值等于1。
10.优选地，当该信号增益值大于1时，该信号放大器根据该信号增益值来放大该第一感测信号以产生该第二感测信号，使对应于该第二感测信号的该第二计数值大于对应于该第一感测信号的该第一计数值。
11.优选地，该算术模块在该第二积分时间之后，将该第二计数值除以该信号增益值，以产生对应于该第一感测信号的该输出计数值。
12.优选地，当该第二积分时间为该第一积分时间的x倍时，该算术模块在该第二积分时间之后，将该第二计数值乘以该x倍并除以该信号增益值，以产生对应于该第一感测信号的该输出计数值，其中x为大于1的数值。
13.优选地，该第一缓存器用来储存n个预定计数值，并且该n个预定计数值分别对应n个信号增益值。
14.优选地，该n个预定计数值中的第m 1个预定计数值大于第m个预定计数值；该n个信号增益值中的第m 1个信号增益值小于第m个信号增益值；以及n、m为正整数，并且1≤m＜n。
15.优选地，该n个预定计数值是根据该感测积分电路的至少一目标信噪比来预定。
16.此外，本发明所采用的其中一技术方案是提供一种判断信号增益值的方法，用于一感测积分电路。该方法包括配置该感测积分电路在一第一积分时间内产生对应于一第一感测信号的一第一计数值；在该第一积分时间之后，比较该第一计数值和一预定计数值，以产生一比较结果；根据该比较结果，判断一信号增益值，以产生用来指示该信号增益值的一控制信号；根据该信号增益值来调整该第一感测信号以产生一第二感测信号；配置该感测积分电路在一第二积分时间内产生对应于该第二感测信号的一第二计数值；以及在该第二积分时间之后，根据该第二计数值及该信号增益值，产生对应于该第一感测信号的一输出计数值。
17.优选地，根据该比较结果，判断该信号增益值的步骤包括当该比较结果指示该第一计数值小于该预定计数值时，该信号增益值大于1；以及当该比较结果指示该第一计数值不小于该预定计数值时，该信号增益值等于1。
18.优选地，当该信号增益值大于1时，该信号放大器根据该信号增益值来放大该第一感测信号以产生该第二感测信号，使对应于该第二感测信号的该第二计数值大于对应于该第一感测信号的该第一计数值。
19.优选地，在该第二积分时间之后，根据该第二计数值及该信号增益值，产生对应于该第一感测信号的该输出计数值的步骤包括将该第二计数值除以该信号增益值，以产生对应于该第一感测信号的该输出计数值。
20.优选地，当该第二积分时间为该第一积分时间的x倍时，在该第二积分时间之后，根据该第二计数值及该信号增益值，产生对应于该第一感测信号的该输出计数值的步骤包括将该第二计数值乘以该x倍并除以该信号增益值，以产生对应于该第一感测信号的该输出计数值，其中x为大于零的数值。
21.优选地，该方法还包括配置一第一缓存器来储存该预定计数值，其中该预定计数值包括n个预定计数值。
22.优选地，该n个预定计数值中的第m 1个预定计数值大于第m个预定计数值；该n个预定计数值分别对应n个信号增益值，该n个信号增益值中的第m 1个信号增益值小于第m个信号增益值；以及n、m为正整数，且1≤m＜n。
23.优选地，该方法还包括根据至少一预定信噪比来预设该n个预定计数值。
24.本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的一种信号增益值判断电路及相关方法，其能通过“在第一积分时间内，比较对应于第一感测信号的第一计数值和预定计数值，以判断对应于第一感测信号的信号增益值；根据信号增益值来调整第一感测信号以产生一第二感测信号；在一第二积分时间内产生对应于第二感测信号的第二计数值；以及在第二积分时间之后，根据第二计数值及信号增益值，产生对应于第一感测信号的输出计数值”的技术方案，可让传感器操作在整体操作范围内的信噪比较为均匀分布，并同时改善传感器的线性度。
25.为使能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
26.图1为现有感测积分电路的计数值对信噪比的曲线示意图。
27.图2为现有感测积分电路的感测信号对计数值的曲线示意图。
28.图3为根据本发明第一实施例的感测积分电路及信号增益值判断电路的功能方框图。
29.图4为根据本发明第一实施例的积分时间、计算时间、积分节点电压、第一计数值及预定计数值的信号时序图。
30.图5为根据本发明第一实施例的计数值对信噪比的曲线示意图。
31.图6为根据本发明第一实施例的判断信号增益值的方法的流程图。
32.图7为根据本发明第二实施例的积分时间、计算时间、积分节点电压、第一计数值及预定计数值的信号时序图。
33.图8为根据本发明第二实施例的计数值对信噪比的曲线示意图。
34.图9为根据本发明第三实施例的计数值对信噪比的曲线示意图。
35.图10为根据本发明第三实施例的感测信号对计数值的曲线示意图。
具体实施方式
36.以下内容是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“信号增益值判断电路及相关方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以实行或应用，本说明书中的各项细节
也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
37.[第一实施例]
[0038]
图3为本发明实施例一感测积分电路10及一信号增益值判断电路12的功能方框图。感测积分电路10的电路架构如图3所示，其包括一重置开关s1、一感测单元sd、一信号放大器ca、一运算放大器op、一积分电容cint、一比较器cp以及一计数器ct。感测单元sd例如是光电二极管，用来产生一第一感测信号s11(例如光感测电流)到信号放大器ca；在其他实施例中，感测单元sd可以是用于感测压力、温度或电量的传感器，但不限于此。在一第一积分时间t1(图4示出)内，信号放大器ca的增益值预设为1，因此第一感测信号s11的大小不会被调整；且第一感测信号s11对积分电容cint进行充电，以在运算放大器op的输出端以及比较器cp的第一输入端产生一积分电压vint。比较器cp的第二输入端用来接收一参考电压vref，每当积分电压vint递增到参考电压vref时，比较器cp的输出端产生一比较电压vcomp，使得重置开关s1根据比较电压vcomp来重置感测单元sd(例如将感测单元sd的阴极以及信号放大器ca的输入端接地，以将积分电容cint的积分电压vint放电归零)。同时，每当积分电压vint递增到参考电压vref时，计数器ct根据比较电压vcomp来增加数值1。当第一积分时间t1结束时，计数器ct将累加计数值(即，第一计数值d11)输出到信号增益值判断电路12。简言之，感测积分电路10在第一积分时间t1内，根据感测单元sd产生的第一感测信号s11，使得计数器ct产生第一计数值d11到信号增益值判断电路12。
[0039]
信号增益值判断电路12耦接于感测积分电路10，并包括一第一缓存器reg1、一第二缓存器reg2、一第三缓存器reg3、一第四缓存器reg4、一算术模块mc、一数字比较器dcp以及一数字控制器dc。
[0040]
第一缓存器reg1耦接于数字比较器dcp，用来储存一预定计数值dth。第二缓存器reg2耦接于计数器ct、数字比较器dcp及算术模块mc，用来在第一积分时间t1内，储存第一计数值d11。数字比较器dcp耦接于第一缓存器reg1、第二缓存器reg2及数字控制器dc，用来在第一积分时间t1之后，比较第一计数值d11及预定计数值dth，以产生一比较结果dresult。数字控制器dc耦接于数字比较器dcp、第三缓存器reg3及信号放大器ca，用来在一第一计算时间tset内，根据比较结果dresult，判断一信号增益值gs11，以产生用来指示信号增益值gs11的一控制信号ctrl到信号放大器ca；同时，数字控制器dc将信号增益值gs11输出到第三缓存器reg3，使得第三缓存器reg3储存信号增益值gs11。信号放大器ca根据信号增益值gs11来调整第一感测信号s11以产生一第二感测信号s12，使感测积分电路10在一第二积分时间t2内产生对应于第二感测信号s12的一第二计数值d12，且第二缓存器reg2在第二积分时间t2之后，储存第二计数值d12。算术模块mc耦接于第二缓存器reg2、第三缓存器及第四缓存器reg4，用来在第二积分时间t2之后的一第二计算时间tout内，根据第二计数值d12及信号增益值gs11，产生对应于第一感测信号s11的一输出计数值dout；同时，算术模块mc将输出计数值dout输出到第四缓存器reg4，使得第四缓存器reg4储存输出计数值dout。
[0041]
图4为根据本发明第一实施例的积分时间、计算时间、积分节点电压、第一计数值d11及预定计数值的信号时序图。如图4所示，在第一积分时间t1内，第一感测信号s11对积分电容cint进行充电积分，每当积分电压vint递增到参考电压vref一次时，计数器ct记录的一累加计数值dcount则会累加数值1，因此累加计数值dcount的曲线会随着第一积分时间t1的流逝而递增。在第一积分时间t1结束之后，累加计数值dcount小于预定计数值dth，表示感测积分电路10操作在第一感测信号s11较小的范围内，故第一感测信号s11受到噪声影响而导致信噪比不佳的机率较高。
[0042]
因此，为了降低第一感测信号s11受到噪声影响的机率，在第一积分时间t1之后的第一计算时间tset内，数字控制器dc根据比较结果dresult(即，第一计数值d11小于预定计数值dth)，判断需放大第一感测信号s11(借此提高第一感测信号s11在本底噪声中的占比)，据此输出控制信号ctrl来设定信号放大器ca的增益值，以使信号放大器ca产生信号强度大于第一感测信号s11的第二感测信号s12。换言之，当信号增益值大于1时，信号放大器ca根据信号增益值来放大第一感测信号s11以产生第二感测信号s12，使对应于第二感测信号s12的第二计数值d12大于对应于第一感测信号s11的该第一计数值d11。
[0043]
在第二积分时间t2内，第二感测信号s12对积分电容cint进行充电积分，累加计数值dcount的曲线会随着第二积分时间t2的流逝而递增。在第二积分时间t2结束之后，累加计数值dcount大于预定计数值dth，表示感测积分电路10操作在第二感测信号s12较大的范围内，故第二感测信号s12受到噪声影响而导致信噪比不佳的机率较低。然而，为了真实表现第一感测信号s11所对应的实际计数值，在第二积分时间t2结束后的第二计算时间tout内，算术模块mc将第二计数值d12除以信号增益值gs11，以产生对应于第一感测信号s11的输出计数值dout，借此还原第一感测信号s11对应的输出计数值dout。
[0044]
图5为根据本发明第一实施例的计数值对信噪比的曲线cn_1、cn_2示意图。在第一实施例中，当比较结果dresult指示第一计数值d11小于预定计数值dth时，信号增益值gs11大于1；以及当比较结果dresult指示第一计数值d11不小于预定计数值dth时，信号增益值等于1。换言之，当信号增益值gs11大于1时，第一感测信号s11被放大为第二感测信号s12，以产生上升斜率较大的曲线cn_2，借此改善信号强度较小的感测信号的信噪比；以及当信号增益值gs11等于1，第一感测信号s11不变，以产生上升斜率较小的曲线cn_1(此部分的曲线cn_1与图1所对应的部分曲线相同)，因此可不影响感测积分电路10操作在感测信号强度较大时的操作表现。换言之，本发明的信号增益值判断电路12可在不影响原本感测积分电路10的操作表现的前提下，改善感测信号强度较小的信噪比。
[0045]
关于信号增益值判断电路12的操作方式可归纳为一信号增益值判断的流程，如图6所示，该流程包括以下步骤：
[0046]
步骤s10：开始。
[0047]
步骤s11：配置感测积分电路在第一积分时间内产生对应于第一感测信号的第一计数值。
[0048]
步骤s12：在第一积分时间之后，比较第一计数值及预定计数值，以产生比较结果。
[0049]
步骤s13：根据比较结果，判断信号增益值，以产生用来指示信号增益值的控制信号。
[0050]
步骤s14：根据信号增益值来调整第一感测信号，以产生第二感测信号。
[0051]
步骤s15：配置感测积分电路在一第二积分时间内产生对应于第二感测信号的第二计数值。
[0052]
步骤s16：在第二积分时间之后，根据第二计数值及信号增益值，产生对应于第一感测信号的输出计数值。
[0053]
步骤s17：结束。
[0054]
在图6中，步骤s11可由感测积分电路10来执行，步骤s12可由数字比较器dcp来执行，步骤s13可由数字控制器dc来执行，步骤s14可由信号放大器ca来执行，步骤s15可由感测积分电路10来执行，步骤s16可由算术模块mc来执行。关于图6的详细说明可参考图1到图5的叙述，于此不赘述。
[0055]
[第二实施例]
[0056]
图7为根据本发明第二实施例的积分时间、计算时间、积分节点电压、第一计数值及预定计数值的信号时序图。在假设感测积分电路10的线性度在允许范围内的条件下，当第二积分时间t2为第一积分时间t1’的x倍时，算术模块mc在第二积分时间之后的第二计算时间tout内，将第二计数值乘以x倍并除以信号增益值gs11，以产生对应于第一感测信号s11的输出计数值dout，其中x为大于1的数值。举例来说，当x等于数值2时，表示第二积分时间t2为一第一积分时间t1’的两倍，如此相当于第一积分时间t1’为第二积分时间t2的一半。因此，在第一积分时间t1’内的第一感测信号s11产生的第一计数值d11’相当于在第一积分时间t1内的第一计数值d11的一半。据此，为了真实表现第一感测信号s11所对应的实际计数值，在第二积分时间t2结束后的第二计算时间tout内，算术模块mc将第二计数值d12乘以x倍(例如，2倍)并除以信号增益值gs11，以产生对应于第一感测信号s11的输出计数值dout，借此还原第一感测信号s11对应的输出计数值dout。
[0057]
换一角度而言，感测积分电路10操作在第一积分时间t1的用意在于判断第一感测信号s11的信号强度落在小信号范围或是大信号范围。在第二实施例中，通过缩短第一积分时间t1，可节省判断第一感测信号s11的信号强度所对应的范围的时间，以在更短的时间内产生对应于第一感测信号s11的输出计数值dout。
[0058]
此外，在第二实施例中，第一缓存器reg1(图7未示出)用来储存n个预定计数值，n个预定计数值中的第(m 1)个预定计数值大于第m个预定计数值；n个预定计数值分别对应n个信号增益值，n个信号增益值中的第(m 1)个信号增益值小于第m个信号增益值；n、m为正整数，且1≤m＜n。举例来说，图7示出了多个预定计数值dth1、dth2、dth3及dth4，其中dth1＜dth2＜dth3＜dth4。多个预定计数值dth1、dth2、dth3及dth4分别对应多个信号增益值g1、g2、g3及g4，其中g1＞g2＞g3＞g4＞1。在一实施例中，n个预定计数值的大小分别为最大计数值除以2n的降序值，假设最大计数值为800，则dth1＝800/24＝50、dth2＝800/23＝100、dth3＝800/22＝200、dth4＝21＝800/400，但不限于此。在一实施例中，n个信号增益值的大小分别为2n的降序值，例如g1＝24＝16、g2＝23＝8、g3＝22＝4、g4＝21＝2，但不限于此。
[0059]
图8为根据本发明第二实施例的计数值对信噪比的曲线示意图。当第一感测信号s11对应的第一计数值d11小于等于预定计数值dth1时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g1且对应的平均信噪比为r1，当第一感测信号s11对应的第一计数值d11大于预定计数值dth1且小于等于预定计数值dth2时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g2且对应的平均信噪比为r2，当第一感测信号s11对应的第一计数值d11大于预
定计数值dth2且小于等于预定计数值dth3时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g3且对应的平均信噪比为r3，当第一感测信号s11对应的第一计数值d11大于预定计数值dth3且小于等于预定计数值dth4时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g4且对应的平均信噪比为r4，且当第一感测信号s11对应的第一计数值d11大于预定计数值dth4且小于等于最大计数值时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g5(其中g5＝1)且对应的平均信噪比为r5。这样，本发明第二实施例通过设定多个预定计数值及对应的多个信号增益值，如此可分别改善感测积分电路10操作在多个不同感测信号范围时的信噪比。
[0060]
[第三实施例]
[0061]
图9为根据本发明第三实施例的计数值对信噪比的一曲线cn_3及曲线cn_1示意图。在第三实施例中，多个预定计数值是根据感测积分电路10的至少一目标信噪比来预定。具体而言，在图9中，假设最大信噪比为266且其对应的最大计数值为800，目标信噪比为133且其对应的预定计数值dth2为400，用虚线绘示的部分曲线cn_1说明第一感测信号s11在第一积分时间t1内所对应的信噪比低于目标信噪比133，此时第一感测信号s11需被放大来改善其信噪比。在一实施例中，电路设计者可根据应用需求，在第一感测信号s11的信噪比低于目标信噪比133的前提下，设定多个预定计数值dth1、dth2及其对应的多个信号增益值g1、g2(其中最大信噪比266对应的信号增益值g3＝1)，如此可分别改善感测积分电路10操作在多个不同感测信号范围时的信噪比。
[0062]
图10为根据本发明第三实施例的感测信号对计数值的曲线示意图。在图10中，用虚线绘示的部分曲线cs_1说明当感测信号变动时，其相对应的计数值可能会不成比例的变化，也就是曲线cs_1的斜率并非定值。为了解决上述问题，当第一感测信号s11对应的第一计数值d11小于预定计数值dth1时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g1；当第一感测信号s11对应的第一计数值d11小于预定计数值dth2且大于等于预定计数值dth1时，则第一感测信号s11对应的放大倍率为信号增益值g2。这样，用实线绘示的曲线cs_3可说明当感测信号变动时，其相对应的计数值较为接近成比例的变化，也就是曲线cs_3的斜率较接近定值，故感测积分电路10在整体操作范围内的线性度良好。
[0063]
[实施例的有益效果]
[0064]
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的信号增益值判断电路及相关方法，其能通过“在第一积分时间内，比较对应于第一感测信号的第一计数值及预定计数值，以判断对应于第一感测信号的信号增益值；根据信号增益值来调整第一感测信号以产生一第二感测信号；在一第二积分时间内产生对应于第二感测信号的第二计数值；以及在第二积分时间之后，根据第二计数值及信号增益值，产生对应于第一感测信号的输出计数值”的技术方案，可让感测积分电路操作在不同感测信号范围时的信噪比较为均匀分布，并同时改善传感器在整体操作范围内的线性度。
[0065]
本发明的另一有益效果在于，本发明所提供的信号增益值判断电路及相关方法，其能通过“当第二积分时间为第一积分时间的x倍时，算术模块在第二积分时间之后，将第二计数值乘以x倍并除以信号增益值，以产生对应于第一感测信号的输出计数值”的技术方案，可节省判断第一感测信号的信号强度所对应的范围的时间，以在更短的时间内产生对应于第一感测信号的输出计数值。
[0066]
本发明的另一有益效果在于，本发明所提供的信号增益值判断电路及相关方法，其能通过“预定n个预定计数值及其分别对应的n个信号增益值”以及“根据感测积分电路的至少一目标信噪比来预定n个预定计数值”的技术方案，可让感测积分电路操作在不同感测信号范围时的信噪比较为均匀分布，并同时改善传感器在整体操作范围内的线性度。
[0067]
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。