CN1029444C - 具有自动范围控制的模/数转换器电路 - Google Patents

Abstract

模/数转换器电路和技术包括峰值检测器电路，用于产生相当于待被转换模拟信号峰幅值的参考电位；电平移动电路，用于根据参考电位移动模拟信号的DC电平；和模/数转换器，用于相对于参考电位转换移动的模拟信号，从而不依赖输入信号的值，自动提供高位分辨率数字信号。电平移动器将1/2模拟信号和1/2参考电位相加来产生移动的信号，并利用具有1/2参考电位的参考信号输入的比例尺模/数转换器转换移动的信号。通过检测新的峰值，周期性地修改参考电位。

Description

本发明涉及到将模拟信号转换成数字信号，特别是涉及到自动换算该模拟输入信号的动态范围以提供一个具有加强位分辨率的经改进的数字转换。

模/数转换器（“ADC”）装置是公知的。通常，这种装置对一个瞬间模拟输入信号进行周期采样，并将其在一个电阻网络上分成多个部分，从而提供瞬时模拟信号的二进制表示。模拟波形被以所选定的采样速率转换成一系列的二进制值，即数字信号。采样速率确定了数字信号表示模拟信号的精确程度。在二进制表示中所使用的位的数量确定了数字信号的幅值分辨率。实际上的制约和经济情况限制了可以被有效使用位的数量。

显然，待被转换的模拟信号的动态范围必须被调节在ADC的输入范围以内。不管该模拟信号是否是双极性的，“动态范围”这个词都表示该模拟信号正峰值和负峰值之间的电位差。调节动态范围通常包括一个DC电平，该电平用于移动该模拟信号和调节该模拟信号的增益。然而，当该模拟信号的动态范围超时改变或响应监督参数，即改变信号长度时，就必须利用ADC重新调节与转换有关的新的动态范围。

解决该问题的一种公知技术如附图1所示，监视该模拟信号的 峰值，并响应检测到的该模拟信号的峰值调节该模拟信号的增益到某一电平，使该电平落入模/数转换器（“ADC”）的输入范围以内。然后，数字化信号被提供给一个装置，诸如微机以进行随后的处理。对于将由单极性ADC进行转换的双极性模拟信号，调节模拟信号的增益的DC电平可以被移动，从而将单极性输入提供给ADC。

美国专利4，827，191提供了一种模/数转换器电路，该电路包括一个具有可控输入范围的ADC，上述可控输入范围是由最大变化范围输入，最小变化范围输入和用于检测该模拟信号正峰值和负峰值的峰值检测电路规定的。表示这些所检测到的峰值的信号被分别提供给最大和最小变化范围输入端。上述4，827，191专利还涉及了使用正峰值检测器以及用于箝位模拟信号负峰值和ADC对地负变化范围输入的电路。该电路以最大和最小变化范围输入为基准转换模拟信号，从而提供与所有模拟信号的数字转换相关的输入范围调节。

以前在磁性墨水字符识别技术方面使用了ADC装置。工业会议已制定了利用磁性墨水打印字符的字型。该会议规定，当字符由适当的磁转换器读出时，每一字符将产生一个单一的图像以作为一个模拟的、脉动信号波形，该波形具有一个或多个幅值的4-8个峰值。

在磁性墨水字符识别中模/数转换的问题之一是墨水的质量以及暴露给转换器的磁场密度可以是逐字符和逐文本地变化。另外，相对于文本上所打印字符快速运动转换器的机械可以导致转换器和墨水间的空间变化。这些变化可以是由转换器头离开或力离开所引起的，或是其它一些移动部件，诸如磨损的皮带轮，引起不希望的 振动的结果。因此，传感的模拟信号具有以25∶1比率逐字符和逐文本变化的动态范围和幅值。

图一所示技术可以被用于去调节与模/数转换相关的模拟信号的增益，从而计算这种信号变化。然而，这种技术引入了不希望的大量元件以在ADC最大和最小限制范围内适当地对模拟信号的增益进行调整。这些元件浪费了机器中重要空间和功率增加的量，并产生了部件故障的电势源、组合误差和电路不稳定性。

美国专利4，827，191所阐述的技术不能解决这些问题。首先，参考变化范围输入跟随所检测的峰值，随后依据持续变化的参考信号校正模拟信号，其结果是控制和降低了由一个模拟信号波形、特别是一个图像波形中不同幅度峰值所表示的信息。该技术的另一个问题是它明显允许把噪声峰值视作有效信号信息并因此而校正该信号。这可以导致错误的数字化信号。

因此，就不断地需要改进模/数转换器电路，特别是需要这样一种电路，它能够转换包含有幅值调制信息，即表示与文本处理相关的磁性墨水字符的图像波形的模拟信号波形。

因此，本发明的一个目的就是提供一种自动动态范围调节模/数转换器，以用于提供改进的位分辨率。本发明的另外一个目的是提供一种模/数转换器电路，该电路通过删除类似现有技术装置中的增益调节级来减少元件的数量。

本发明的另一个目的是提供一种模/数转换器，它能自动地换算一个输入信号，用以提供一个与模/数转换相关的可选动态范围。

本发明的另一个目的是依据模拟信号和那个信号峰值之间的关 系，提供一个从表示字符图像波形的模拟信号到数字信号的经改进的转换。

本发明的另一个目的是通过调节信号的动态范围而不降低该信息含量为转换器提供一个模拟信号反射幅值调制信息。本发明的进一步目的是提供一个具有与数字化分辨率相关的最大增益的动态范围和保留原始模拟信号幅值的信息，用以获得有效的传感幅值。

本发明的另一个目的是提供一种用于磁性墨水字符识别信号处理的自动动态范围调节模/数转换器电路。本发明的另一个目的是提供这样一种在微机控制下的模/数转换。

本发明提供由模拟信号到数字信号的经改进的转换，从而使输入信号动态范围内的变化自动提供一个所产生数字化信号中的最佳位分辨率。一般说来，本发明涉及一些装置和方法，它们被用于监视模拟信号和处理作为该模拟信号的所检测峰幅值函数的信号，从而在动态范围改变的情况下，模/数转换提供表示该模拟信号的高位分辨率。

本发明的一个方面涉及到一种装置，该装置用于将具有动态范围内时间变换幅值的模拟信号转换成相应的数字信号。这种装置包括：

峰值跟踪电路，用于传感模拟信号的幅值并提供一个相应于该模拟信号第一峰值的参考电位;和

具有一个模拟输入端，一个参考输入端和一个数字输出端的模/数转换器，用于依据模拟信号和参考电位之间的关系将模拟信号转换成数字信号。

控制峰值跟踪电路以响应予选事件的发生而获得所传感模拟信号的新的第一峰值，随后，参考电位被稳定在新峰值处，这样，跟随每个新获得峰值的模拟信号就相对于新的参考电位被进行转换。若模拟信号是双极性的，而ADC不是双极性的，那么就提供一个用于移动模拟信号动态范围的电平移动电路，从而使所移动的模拟信号与参考电位相关并被转换。

在最佳实施例中，上述装置包括一个电平移动电路，用于响应参考电位而移动模拟信号的动态范围，而不管模拟信号是否是双极性的。更优越的是电平移动器将1/2模拟信号的幅值和1/2参考电位加起来以提供移动的模拟信号。

在一个实施例中，模/数转换器中移动模拟信号和参考电位之间的关系响应等于参考电位的一个模拟输入值而提供足尺数字输出，最好该关系相对于一个中心点来调节移动模拟信号的动态范围，而上述中心点是参考电位的1/2，从而使所调节的移动模拟信号被转换成数字信号。可以使用其参考输入为参考电位1/2的比例尺模/数转换器。

峰值跟踪器电路最好包括：

跟踪电路，它具有一个使能状态，用于提供其幅值相应于所传感模拟信号幅值的参考电位，还具有一个非使能状态，用于在其被阻塞时将其参考电位保持在其幅值状态;

峰值检测器电路，用于确定在什么时候所传感的模拟信号达到了峰值;和

第一控制电路，用于响应峰值模拟信号的检测而阻塞跟踪电路， 从而使参考电位相应于峰值模拟幅值。

最好跟踪电路和峰值检测器电路的响应时间快得足以使跟踪电路正读出峰值时就处于阻塞状态。

在最佳实施例中，峰值跟踪器电路响应一个予选事件被再次使能以获得下一个峰值模拟幅值。该予选事件可以是一个或多个正在被阻塞一个予选时间间隔的跟踪电路，模/数转换器产生足尺数字输出，和模/数转换器产生零数字输出。

跟踪电路可以包括采样和保持电路。另外，它还可以包括一个用于响应时钟信号而产生数字计数的数字上计算器、一个用于将数字计数转换成模拟计数信号，即参考信号的数/模转换器和一个逻辑门，该逻辑门响应增加的模拟信号值使上计算器增加计数，并响应峰值的产生使上计数器停止增加计数。

上述装置在不同的实施例中可以由适当的微机予以控制，它包括：

数据收发机，用于响应微机的询问向微机发送数字计数;

第一控制线，用于使能模/数转换器以某一采样速率使经调节和移动的模拟信号数字化，以响应峰值跟踪电路的阻塞;

第二控制线，用于响应予选事件的发生而复位峰值跟踪电路;和

第三控制线，用于使能峰值跟踪电路去检测一个新的峰值，并响应所检测到的峰值使峰值跟踪电路被阻塞。

本发明的另一个方面涉及到一种方法，该方法利用具有从零到足尺数字输出范围的模/数转换器将具有动态范围中随时变化幅值 的模拟信号转换成数字信号。一种这样的方法包括如下步骤：

（a）传感模拟信号的幅值;

（b）检测所传感的模拟信号的第一峰值;

（c）提供相应于第一检测峰值的参考电位;和

（d）依据移动模拟信号和参考电位之间的关系，将移动模拟信号转换成数字信号。

如果合适，移动适于单极ADC的双极模拟信号动态范围的步骤（e）也可以使用。

在最佳实施例中，提供了步骤（e），从而使步骤（d）相对于参考电位来转换移动的模拟信号。更可取的是在步骤（e）中，响应参考电位来移动模拟信号的动态范围是通过例如将1/2模拟信号的幅值与1/2参考电位相加来实现的。另外，在模/数转换器中移动的模拟信号与参考电位之间的关系最好把等于参考电位的模拟输入值转换成足尺数字输出。

在一个最佳实施例中，步骤（d）包括相对于中心点，即参考电位的1/2来调节移动模拟信号的动态范围和把调节后的移动模拟信号转换成数字信号。在该方法中，可以使用具有1/2参考电位的参考信号的比例尺模/数转换器。

在最佳实施例中，该方法还可以包括如下步骤：

（f）检测传感模拟信号的下一个峰值，以响应紧跟在最后一个所检测峰值后面的予选事件的发生;

（g）提供相应于下一个所检测峰的新的参考电位;

（h）接步骤（d），并使用新的参考电位;和

（i）重复步骤f、g和h，以响应每个后续予选事件。

利用采样和保持电路或数字上升数目和数/模转换器可以执行步骤b、c、f和g以将数字记数转换成模拟计数信号，即参考电位。考虑到后者，该方法可以包括如下步骤：

（j）以时钟速率增加上计数器计数，以响应模拟信号幅值的增加;

（k）阻塞上计数器增加计数，以响应峰值的产生;

（l）将上计数器复位到零，然后重复步骤（j）和（k）以响应予选事件。

该方法可由控制各种操作的微机加以实现。

本发明为自动换算输入信号，并在保留原始模拟信号有效幅值信息的情况下去选择模/数转换器的最佳动态范围提供了便利，同时减少了类似电路中元件的数量。

本发明的特性，它的性质以及各种优点将在附图中更多地出现，下面将详细叙述本发明，在叙述中，相同的参考号涉及相同的元件，其中，

附图1是现有技术中模/数转换器的方框图，

图2是根据本发明一个实施例的模/数转换器电路的方框图;

图3是根据本发明另一个实施例的模/数转换器方框图;

图3A是图3中电平移动电路的电路图;

图4是图3中峰值跟踪器电路的方框图;和

图5是依据本发明的模/数转换器电路另一实施例的电路图。

参考图2，本发明的一个实施例提供一个模/数转换器，它包 括峰值跟踪器电路300，电平移动器电路100和模/数转换器（“ADC”）201。电平移动器100是一个传统电路，它用于相对移动的信号调节模拟输入信号A的直流偏压，以便对中输入给ADC    201中列数点的零点。ADC201是一个模/数转换器，它具有一个动态输入范围和参考信号输入Vr。待被转换的模拟输入信号被处理成参考信号Vr的函数。这样，被处理过的信号就具有与ADC201动态输入范围相应的动态范围，并且可以利用高或足尺位分辨率进行转换。

峰值跟踪器电路对输入模拟信号波形A采样，并识别在波形中发生的第一个幅度峰值。该幅度峰值信号被作为参考电位输入提供给ADC    201。此后，峰值跟踪器电路300被阻塞，参考信号Vr被恒定保持在峰值。在峰值后面的模拟信号As部分随后被进一步处理成参考信号Vr的函数。所产生的数字信号D然后被提供给微机500，以进行后续处理，其后续处理不构成本发明的一部分。

在一个实施例中，进一步的处理功能可以形成一个模拟信号As对参考信号Vr的比值，另外，处理功能还可以是某些其它关系，例如，参考信号Vr乘以尾数（小数）和从移动模拟信号As中减去这个积。

峰值跟踪器电路300响应予定事件的发生被连续使能以选择用作参考信号Vr的其它峰值模拟信号。这种事件可以是，例如予定时间间隔的终止、或者是处于最小（或零）输出值ΦΦ或最大输出值FF的ADC    201的数字输出。事件的形成是在模拟信号幅值降到低于一个所选择的阈值时发生的，该所选择的阈值是一个负电位或是一个刚刚高于噪声电平的电位，或是一个低于被选择与有效信号数据 相当的幅值的电位。足尺输出是在所处理信号的幅值达到ADC    201动态范围的上限时发生的。用于提供定时电路或用于将ADC的输出和与控制峰值跟踪器电路使能相关的一个或多个予选电位进行比较的适当电路是本专业技术领域以内的技术人员所能了解的。

在工作中，图2所示电路监视模拟信号A的峰值，识别模拟信号A的峰值，建立相应于所检测峰值的参考信号Vr，执行模拟信号的DC电平移动，并为了对中输入信号的零电位点到ADC的中列数点而提供移动信号，和将与ADC201中参考信号Vr相关的电平移动模拟信号转换成数字值。在发生予定事件的情况下，在模拟信号A中下一个发生的峰值被传感，且参考信号Vr被量得等于那个峰值。随后，模拟信号的模/数转换恢复使用新的参考信号，模/数转换可以在予选事件发生后，新的峰值被检出前这段时间内被中断。

应当注意，在该实施例中，对于从0伏到峰值电压的单极性模拟信号范围，可以省略电平移动，这样，所传感的模拟信号A就直接地相对于参考信号Vr进行转换。

现在参见图3，该图示出了图2所示实施例的另一最佳实施例。在该实施例中包括有电平移动器100，且模/数转换器是一个比例尺ADC（“RADC”）200，而提供给RADC    200的参考信号是Vref/2，它相当于第一检测峰值的1/2峰值。依据输入信号As和参考信号Vref/2之间的关系，RADC    200提供数字转换。

在该实施例中，较小幅值的模拟信号将相对于较小的Vref/2进行换算，而较大幅值的输入将相对于较大Vref/2进行换算。这样，除了选择Vref/2以外，RADC    200还要起图1所述现有技术中 增益调节级的作用。因此，只要信号A中所检测到的第一峰值大于在时间峰值跟踪器300被阻塞期间发生的信号A的最大幅值的1/2模拟信号A就能提供足尺数字输出而不用考虑信号A的幅值。

在本实施例中，峰值跟踪器电路300响应幅值-换算-控制电路302而工作，电路302监视峰值检测电路。峰值跟踪器300可以包括例如：模拟采样和保持电路或数字计数器和数/模转换器以提供代表以监视模拟信号A幅值的信号，同时电路300还用于识别什么时候峰值的幅值被达到。响应峰值跟踪器300识别一个峰值，电路302阻塞峰值跟踪器电路300去跟踪新的峰值，并在峰值跟踪器电路被阻塞时保持所表示的信号恒定。所表示的信号作为参考电位Vref被输出给电平移动器100和将Vref/2输出给RADC    200。电路302还保证使能峰值跟踪器电路300以获得新的峰值，例如通过使采样和保持电路断电或复位数字计数器来响应予选事件的发生。控制电路302可以被插入一个诸如微机的微控制装置中。

参见图3A，电平移动器100使用相对DC的参考信号Vref将模拟信号A的动态范围移到适于ADC 201或RADC 200（统称ADC 200）的范围。电平移动器100最好包括一个电阻分压网络，该网络具有作为输入信号的、分别横穿正配电阻R₁和R₂的模拟信号A和参考信号Vref。该被移动后的信号As是1/2A加1/2 Vref的和并且被输入给ADC 200。例如，对于具有平均为0的±Vs动态范围的模拟信号，该范围被移到Vref/2的中心点，而这一点对于具有单一电源的模/数转换器等讲是非常有用的。这是通过使1/2输入信号和1/2参考信号Vref相加来完成的。对于另外一个例子，若模拟波形第一个 被检测的峰值是Vs，那么，峰值跟踪器电路300确定Vref是否等于Vs，然后，ADC    200的输出范围陈列于下表：

所传感的模拟输入信号    到ADC的输入As    从ADC的输出

幅值A    （8位装置）

+2Vs (Vref)/2 +Vs＝Vref FF Hex（足尺）

+Vs (Vref)/2 + (Vs)/2 ＝3/4 Vref Cφ

0 (Vref)/2 +0＝1/2 Vref 8φ （中点）

-Vs (Vref)/2 - (Vs)/2 ＝1/4 Vref 4φ

-2Vs (Vref)/2 -Vs＝φ φφ

可取的是，依据本发明，若第一检测的峰幅值是有关动态范围最大幅值的1/2，那么整个模拟动态范围、正的和负的都能以足尺比例进行转换而不降低分辨率。若第一检测的峰值大于最大峰值的1/2，尽管不是以足尺比例分辨率，整个的模拟信号仍然可以被转换而不降低分辨率。另一方面，若第一检测的峰值小于最大幅值的1/2，那么当它处于足尺极限以外时，至少有某些峰幅值信号数据将被ADC    200所箝位。然而，通过选择予定的事件、该事件使得峰值跟踪器300占据相对短的时间间隔或使得发生足尺或0数字输出、和通过选择处于超过模/数转换采样速率的时钟速率上的参考信号Vref，可以使分辨率的损失最小化。

因此，本发明对于把相应于一系列磁性墨水字符的一系列模拟信号进行转换是特别有用的，其中，在任意一个磁打印字符中的第一传感峰值可能是最大幅度峰值或最大幅度峰值的1/2。

本发明对于转换包含有在类似传感条件下所获得的幅度调制信息的模拟数据的时间间隔是特别有用的，它可以使得在不同幅度信号所提供的条件下获得不同的时间间隔、术语“幅度调制信息”意味着包括一些波形，这些波形包含有与时间间隔内脉冲的相对幅度以及两脉冲间间隔有关的信息。

参看图4和图5，依据本发明的装置的一个最佳实施例包括一个电平移动电路100，比例尺模/数转换器电路（“RADC”）200，和一个峰值跟踪器电路300。如图示，该实施例还包括一个数据收发器电路400和一个微机500。

电平移动电路100分别具有用于接收待被转换的模拟信号A的输入110和120以及来自峰值跟踪器电路300的参考信号Vref。当一个移动模拟信号As输入给用于转换的ADC电路200时，它是由电平移动电路100在输出结点140上提供的。通过将模拟信号的动态范围电位转换成ADC电路可以测量的范围，电平移动器电路予处理可以是双极性信号的模拟信号以用于模/数转换。输入信号A和Vref分别通过电阻115和125，并在输出结点140处相加、电阻115和125最好是10K欧姆电阻。所产生的输出信号AS则是A/2与Vref/2的和。它具有以Vref/2为中心的动态电位范围并因此而提供一个中心点，该中心点将随着参考参数Vref的改变而改变。

ADC电路200将为信号As提供数/模转换。ADC 200最好包括一个比例尺模/数转换器（“RADC”）装置U₂₄，该装置包括作为输入的待被转换的移动模拟信号As和参考信号电位。这样，模拟信号到数字信号的转换就是根据该模拟信号和参考电位输入之间的关系 进行的。随后，参考信号以传统方式提供RADC U₂₄动态范围的中心点，并相对于移动信号As建立RADC U₂₄的最大和最小输入范围以响应参考信号。

可取的是，RADC U₂₄是一种8位ADC装置，例如是由加利福尼亚、三塔克拉拉的国家半导体公司（National Sem′conductor Corporation，Santa Clara，California）所制造的ADC 0804模块。在该最佳实施例中，RADC U₂₄使用如图5所示由生产者所提供的端子约定构型和工作。在这方面，端子11-18通过数据总线MICRAD-BUS向微机500提供8位数字字输出D，该输出是根据端子9上所输入的参考信号Vref/2，由端子6上所输入的模拟信号As转换来的。在该实施例中，移动的电平必须具有正的动态电位范围，且RADC U₂₄端子7上的输入V-与端子8上输入的地一起保持在地电位。应当理解，在另一个实施例中，信号As应当利用保持在地电位的端子6上的V+输入传递给端子7上的V-输入，或者可以使用另一种双极性RADC装置以使得移动的电平具有零电位中心点。

端子4上的输入端CLK接收最好是1.1MHz的时钟信号。在ADC    0804    RADC装置中，端子2上的输入端RD和端子3上的WR必须保持在低电位以采样和转换某个值。因此，这些输入端受到用于接收来自微机500的信号MRD_LO的公共结点的约束。这提供了一个逻辑低信号以使能RADC    U24去采样，并将信号As转换成其相应的二进制值。另外，端子1上的输入端CS从微机500接收一个CS-8000信号，该信号是一个芯片选择信号，它寻址RADC-U24，以建立一个转换字的目标。

峰值跟踪器电路（“PTC”）为输入信号A的波形提供采样，锁住峰值电位，并利用该峰值电位去建立相应的换算。参看图4和图5，PTC    300包括比较器310，逻辑控制电路320、触发器330、计数器340、数/模转换器（“DAC”）350、缓冲放大器360和362以及如图5所示和这里所讨论的各种电阻和二极管。

比较器310被用于将模拟信号A和参考电压Vref/2进行比较，并在Vref/2的值等于或大于逻辑信号A时提供一个逻辑输出，反之，则提供另外的逻辑输出。一个适当的比较器就是可从国家半导体公司得到的LM    393型，该型是一种正峰值比较器。输入信号A和Vref/2分别通过输入电阻314和316传送给比较器310的端子5和6。每一个输入电阻314和316具有10K欧姆阻值。二极管312用于将双极性模拟信号A的那些低于地电位太多，例如-0.2--0.3的电位箝位掉。这种负电位可能引起比较器310中的某些不稳定。二极管312最好是IN270型二极管，该型二极管可以从宜利诺斯，斯坎姆伯格的莫托罗拉公司（Motorola    Inc.，Schacemberg，Illinois）获得，其阳极保持在地电位，其阴极受比较器310输入端子6的约束。比较器310端子7上的输出与例如是+5V的电位Vcc相加，并通过10K欧姆电阻318提供一个+5V的逻辑高电平输出，和响应比较器310适当地逻辑输出提供一个大约0V的逻辑低电平输出。

比较器310的输出被提供给逻辑控制电路322的输入。逻辑控制电路包括两个NAND（与非）门322和324。NAND门322最好是得自哈里斯半导体公司（Harris.Semiconductor）的74    HCT32型电路，该门具有来自比较器310输出的、端子9上的一个输入端和来自微机 500、端子10上的输入信号：峰值检测使能信号PEAK_DET_EN。NAND门322的输出传送给与非门324的一个输入端。与非门324最好是得自莫托罗拉公司（Motorola，Inc）的74HC42型电路，该与非门具有来自与非门322的输出、端子9上的一个输入端和一个来自触发器330的Q输出端、端子8上所输入的反馈信号。与非门324的输出被传送给触发器330。

触发器330最好是得自莫托罗拉公司的74HC74型电路，它具有如下的输入端，在端子3上是2.2MHz的时钟信号;在端子2上是来自与非门324的输出。触发器330端子4和5上的置位和复位输入端通常受到一个电位Vcc、例如+5V的限制。触发器330端子5上的Q输出被用于去控制增量计数器340，并如所述反馈给与非门324。

计数器340被构型成一种上计数器，并和DAC    350共用以提供相应于所传感模拟峰值信号的参考信号Vref。在该实施例中，计数器340最好是一个74HC4040型装置，它具有在端子11上作为输入的复位信号PEAK_DET_RS，该信号来自微机500，还具有在端子10上的计数输入，该输入来自触发器330的输出。计数器340端子2-7、9和13的输出提供8位数字计数，该数字计数器DAC    350转换成一个模拟计数信号Vref。DAC    350被以传统形式构成，其数字计数通过68K欧姆电阻进行传递并利用32K欧姆电阻相加，其最低有效位也通过68K欧姆电阻受到地电位的约束。

转换后的模拟计数信号Vref接下来被馈送给缓冲放大器360的非反相输入端，该缓冲放大器的输出就是参考信号Vref。放大器360最好是得自国家半导体公司的LM1458型放大器，它的输出被反 馈给其反相输入端。

参考信号Vref被传送给电平移动器100的输入端，还通过包括电阻364和365的分压网络进行传送。电阻365受地电位的约束。每个电阻的阻值为10K欧姆，且在结点369处提供参考信号Vref/2。

如前所述，参考信号Vref/2跨过二极管366和367传送给ADC200和比较器310。为箝制信号Vref/2不过于远离+5V和不过低于地电位而提供了二极管366和367。在本实施例中，二极管366和367最好是得自莫托罗拉公司的传统IN4004型装置。这样，其阴极被连接到+5V电压Vcc和其阳极被连接到放大器362输出端上的二极管366将箝制信号Vref/2低于约5.5-5.6V。同样的，其阳极接地电位、阴极接Vref/2的二极管367将箝制Vref/2高于约-.5--.6V电压。在该实施例中应当注意，模拟信号A被期望具有±5V动态范围，且峰值跟踪器电路仅传递那个信号正的部分。另外，还假设低于±0.1V的信号代表噪声和无效数据，并随后被以传统方式抑制或过滤掉了。因此，一个本专业技术领域内的技术人员可以调节电路参数以处理其它所期望动态范围的模拟信号。

可取的是，含有峰值跟踪器电路300的电路的响应时间快得足以使控制电路320在大约1微秒的下一个时钟间隔结束以前会阻塞计数器340跟踪峰值的检测。

数据收发器电路（“DTC”）400被用于在微机控制之下向微机500发送数字信息以用作数据总线选通信号，该信号提供了对噪声的抗干扰性。DTC电路400包括与非门410和闭锁电路420。与非门410最好是74HCT32型电路，闭锁电路420最好是74HC245装置，它们 均可得自莫托罗拉公司。作为输入信号，与非门410具有用于读出计数器340状态的芯片选择信号CS    C000和阅读信号MRD    LO，两个信号皆来自微机500。端子2-9被连接到计数器340的输出端子上，以便在被微机500使能时获取数字计数。输出端子11-18被连接到微机500的地址总线以用于相应的处理。

应当注意，在本发明的最佳实施例中，模拟信号的绝对值是不重要的。然而，在需要一个绝对值的本发明的应用中，计数器340处相应于峰幅值的参考信号Vref的数字计数将通过在获得峰值以后选通DTC    400来获得。随后，该数字计数可以被加到已经相对于那个峰值进行了转换的数字输出信号D上，从而通过一个适当的数/模转换构成相当于绝对模拟信号A的数字信号或者重新构成模拟信号A。这对于本专业技术领域以内的人员来讲是一种通常的处理技术。

微机500可以是能够提供信号去使能、寻址和复位各种电路装置的任一种微机。在最佳实施例中，使用了诸如得自Intel公司的8031型微机的8位微机装置。应当理解，通过对电路接口的任一适当调节，可以使用多于或少于8位的大多数其它微机。为运算放大器提供了±12V电源以提供全分辨率。该电源不影响信号Vref的范围。

在最佳实施例中，电路是在由微机500在如下所述的工作级上提供的控制信号控制下工作的。第一级涉及识别一个峰值，第二级涉及相对该峰值连续地转换信号。

模拟信号A被提供给电平移动器100和比较器310。为开始周期 的第一级，计数器340由信号PEAK_DET_RS复位到零。信号MRD_LO、芯片选择信号CS_C000和CS_8000被建立以打开DTC    400和ADC    200。另外，建立信号PEAK_DET_EN并与比较器310的内部输出相结合以使能与非门322。这样，当模拟信号A幅值增加时，以2.2MHz为时钟频率的触发器330将时钟速率除以2，则增量计数器的时钟速率为1.1MHz。这就保证了在下一个电位计数事件以前以较快的时钟速率通过逻辑控制电路来循环计数信号。其结果就是信号峰值能够在计数器被再次增值以前检测出来，从而保证了改进的精度。应当注意，在本实施例中，计数器以某个速率增值，该速率比模拟信号的上升时间快一个数量级。还应注意，时钟要快于用于将模拟信号转换成数字信号的采样速率，从而使得在第一级获取峰值期间内的模拟信号数据的损失最小。

计数器340在来自DAC    350的参考信号Vref/2出现以前将增加计数，直到等于信号A。此时，比较器的输出阻塞触发器330。这就使计数器340被数字计数所闭锁，该数字计数是由DAC    350转换成参考信号Vref的。两倍于模拟信号A所检测峰幅值的参考信号Vref被提供给电平移动器100用于将DC偏压向下移动1/2。当计数器340计数时，微机500通过DTC    400以近似90微秒的时钟速率监视计数中的变化。当计数停止增加时，微机500确定：相当于第一峰值的台阶已经到达，并作出响应，改变信号PEAK_DET_EN去阻塞与非门322。3采样时间延迟器可以被用于使与非门322响应伪峰值的阻塞减少至最小程度。

因此，在予选事件发生以前，第二级中的电路一直工作。在第 二级中，模拟信号A是一个根据前面所获取的第一峰值的计数所移动的电平。重要的是尽管在第一级中仅是正峰值被传感和负峰值被二极管312箝位，正的和负的峰值在第二级中均被移动并被相对于参考信号Vref和Vref/2进行转换。

如所述，低于相当于系统噪声的阈值的信号可以忽略不计。所传感的峰幅值可以和例如相当于系统噪声或其它最小电位的阈值电位相比较以滤掉不希望的模拟信号电平。所以，就依赖那些对相当于有效模拟信号信息来讲可靠的峰值进行转换。这一点最好通过软件程序来实现，该软件程序获得数字计数并将它与所选择的阈值进行比较。它也可以在例如将模拟计数信号和所选择电位进行比较的硬件电路中执行。因此，当愿意时，使能或阻塞跟踪电路，特别是响应比较的上计数器是可以很容易地被加以利用的。进一步，模/数转换器的选通脉冲可以通过确定该峰值是否是与处理相关的有效峰值加以控制，这样，无效的数字数据就不进行处理了。

随然ADC    200在第一和第二级期间被使能，但它通常不被微机500所选通以获取2.2或1.1MHz时钟速率的数字化信号。相反，较慢的选通脉冲或采样速率被用于获取模/数转换所希望的分辨率。最好数字信号仅在第一级结束处和整个第二级的90微秒间隔内获得。选通脉冲的速率应当被增加或减少至适于待被转换的模拟信号的上升和下降时间。

在第二级中电路工作期间的时间周期是根据正在被监视的模拟信号的特性而选择的。例如，若本发明被用于读出数据磁格式的前后关系，那么，当一些以磁性墨水所写的特殊字母数字字符被打印 在银行支票上时，可以假设第一所检测的模拟峰值信号将大于与那个字符有关的最大幅值的1/2。使能PTC    300、并随后将电路从第二级改变为第一级的予选事件可以是一个选定为相当于它读一个字符所占时间的时间间隔。另外的时间间隔可以被用于例如去阅读规定数量的字符或一个文本。

因此，当本发明被构型去传感每个字符的第一峰值和把那个字符的波形图像校正到第一峰值时，就克服了逐文本、逐字符或收发器到文本间隔中信号变化的前述问题。这样，它保证了在一个转换过程中经改进的位分辨率。在该转换过程中，当一个字符被读出并被转换成用于后续处理，例如识别打印在文本上的银行帐目或美元数量信息的数字信号时，转换每一个图像波形。

在该实施例中，所选择的时间间隔可以被选择成字符读出速度的函数。例如，假设字符以每秒120个字符被读出、相当于具有每英寸8个字符的文本以每秒16英寸的速度横向移过磁字符阅读器，那么相当于一个字符的时间周期是每个字符8.33微秒。在本实施例中，ADC    200可以被选通以获取数字信号，该数字信号相当于具有每个字符或约每90微秒具有80个采样分辨率的模拟信号。当字符的速度改变时，时间周期应当增加或减少。

另外，在可能发生的情况下，例如根据两字符间的间距，予定事件可以被选择为传感模拟输入或数字输出二者中最小幅值的函数。

在另一个实施例中，予定事件可以根据最后所获得的峰值参考信号Vref选择为接近ADC    200最大或最小极限的传感的数据信号或转换后数字输出信号的函 数。换句话说，当模/数转换器被限定或即将被限定在其范围的0或足尺端，例如OO或FF输出时，PTC    300可以被使能以获取一个新的峰值和相关的参考信号Vref，因此，模拟信号就可相对于新获取的信号Vref被连续进行转换。

在还有的另外一个实施例中，时间周期相以是例如25-100微秒的时间间隔或高达数秒的任一其它时间间隔，所选的时间间隔应适应模拟信号动态范围中变化的予期速率。当ADC    200足尺范围的两端之一有一个输出时，通过将降低了分辨率的予选时间间隔进行组合改进了后一个实施例。在这个实施例中，信号Vref的周期调节可能会减少限定ADC的频率，从而改善分辨率。

随然本发明仅叙述了对来自载有以磁性墨水所印刷字符的文本的模拟信号进行转换的前后关系，但应当理解，本发明对于将模拟信号转换成数字信号有广泛的用途。例如，结合了本发明的一种测试仪器可以被用于在传统的数字显示装置上测量和显示模拟信号。通过所获取和显示的一个新参考电压Vref、和可以任意选用地通过监视ADC在OO或FF处被限定的时间以及在那个时间所获取和显示的新信号Vref，该显示可以被周期性地，例如每50-100微秒地被调整。这将保证模拟信号的运行显示处于基本上的实时状态。其它的用途包括例如医疗器械中幅值或脉动模拟信号信息的取得，上述医疗装置可用于检测电子心脏能力。通过光学传感器检测血液流动，和再生所发送的载有幅值调制信息的数据信号。

除非另有说明，所使用的端子约定都是通过制造一个识别装置所确定的。

根据本发明，准备适当的软件用以控制微机去操作所述电路元件相信是本专业技术领域以内技术人员的能力之一。还应当理解，不利用微机而使用适当的和传统的模拟和/或数字电路装置也能完成本发明。例如，在峰值跟踪器电路中，使用模拟采样和保持电路来代替结合图5所述的数字上计数器和数/模转换器。利用与后续处理相关的微机，后一途径简化了数据的读出。

一个本专业以内的技术人员可以理解，本发明可以通过展示了本发明目的但不受其限制的所述实施例以外的其它手段来实现。

Claims (39)

1、一种用于将具有在动态范围以内随时变化幅值的传感模拟信号转换成相应数字信号的装置，其特征在于：

峰值跟踪器电路，用于监视所传感的模拟信号，并提供其幅值相当于所传感模拟信号的传感峰幅值的参考电位；

模/数转换器，具有用于接收一个相当于参考电位的信号的参考输入端和一个模拟信号输入端，以及一个用于根据模拟信号和参考输入信号二者之间的关系将模拟信号转换成数字信号的数字输出端；和

控制电路，响应予选事件的发生，用于使峰值跟踪器电路提供一个其幅值相当于所传感模拟信号的所传感第一峰幅值的参考电位，所传感的第一峰幅值是每一予选事件后首先传感的峰幅值，所以，模/数转换器相对于所提供的相当于所述传感的第一峰幅值的参考电位对每一个所传感的第一峰幅值后所传感的输入模拟信号进行转换。

2、根据权利要求1的装置，其进一步特征在于一个电平移动电路，该电路具有一个用于接收所传感模拟信号的输入端和一个用于提供移动模拟信号的输出端，移动模拟信号具有依参考电位而移动的传感模拟信号的动态范围，其特征还在于移动模拟信号是一个输入给模/数转换器的模拟信号。

3、根据权利要求2的装置，其特征在于，电平移动电路把所传感模拟信号幅值的1/2和参考电位幅值的1/2相加从而提供一个移动的模拟信号。

4、根据权利要求1的装置，其特征在于在模/数转换器中，所传感模拟信号和参考电位之间的关系响应模拟输入幅值等于参考电位而提供足尺数字输出。

5、根据权利要求4的装置，其特征还在于根据参考电位和与所述参考电位相关的数字输出信号，确定所传感模拟信号幅值的装置。

6、根据权利要求4的装置，其特征还在于第二控制电路，该电路使峰值跟踪电路忽略低于所选阈值电位的传感峰幅值。

7、根据权利要求4的装置，其特征在于模/数转换器和模拟输入与参考输入信号间的关系以一个电路为其特征，该电路用于相对于为参考电位幅值1/2的中央点调节传感模拟信号的动态范围，从而将所调节的模拟信号转换成数字信号。

8、根据权利要求4的装置，其特征在于模/数转换器是一个比例尺模/数转换器，且参考输入信号是参考电位的1/2。

9、根据权利要求1的装置，其特征在于峰值跟踪器还以下述为特征：

跟踪电路具有一个使能状态，用于提供其幅值相当于传感模拟信号幅值的参考电位，和一个阻塞状态，用于在阻塞期间，保留参考电位于其幅值上;和

峰值检测器电路，用于确定传感模拟信号达到峰幅值的时间;

和根据峰值模拟信号的检测，控制电路阻塞跟踪电路，从而使参考电位相当于峰模拟幅值，并使能跟踪电路以响应每一个予选事件。

10、根据权利要求9的装置，其特征在于予选事件是从一组正在被阻塞一个予选时间间隔的跟踪电路中选择的，模/数转换器产生足尺数字输出，还产生零数字输出。

11、根据权利要求9的装置，其特征在于跟踪电路还包括采样和保持电路。

12、根据权利要求9的装置，其特征在于跟踪电路还包括根据时钟信号产生数字计数的数字上计数器、用于将数字计数转换成就是参考电位的模拟计数信号的模/数转换器，控制电路使能上计数器增加计数以响应增加的模拟信号幅值和阻塞上计数器停止增加计数以响应峰幅值的发生。

13、根据权利要求12的装置，其特征在于控制电路对用于依据峰幅值的产生阻塞上计数器的第一输入作出响应，对用于在第一峰幅值产生以后阻塞上计数器的第二输入作出响应，对用于依据每个所传感第一峰幅值后面予选事件的每一次发生复位和使能上计数器的第三输入作出响应。

14、根据权利要求13的装置，其特征在于该予选事件是从一组正被阻塞一个予定时间间隔的上计数器中选择的，模/数转换器产生足尺数字输出，还产生零数字输出。

15、根据权利要求12的装置，其特征在于峰值跟踪电路还具有如下特征：

第一电路，用于提供一个模拟计数信号作为参考电位;

第二电路，用于提供该模拟计数信号的1/2给模/数转换器，作为该转换器的参考信号输入;

电平移动器电路，用于将所传感模拟信号幅值的1/2和参考电位的1/2相加，并将其和提供给模拟信号输入。

16、根据权利要求15的装置，其特征在于峰值检测电路包括一个比较器，该比较器用于将所传感模拟信号和1/2模拟计数信号相比较，并确定，当该模拟信号的幅值降到低于1/2模拟计数信号时，产生了峰值。

17、根据权利要求13的装置，其进一步特征在于：

微机，用于根据予选事件的检测控制跟踪电路，并用于控制用来将所传感模拟信号转换成数字信号的模/数转换器;

数据收发器，用于向微机发送数字计数;

第一控制线，用于响应上计数器的阻塞状态使能模/数转换器，从而以采样速率将调节后的模拟信号数字化;

第二控制线，用于响应每个予选事件的发生复位上计数器;和

第三控制线，用于提供控制电路的第一，第二和第三输入。

18、根据权利要求17的装置，其进一步特征在于还包括一种装置，用于当上计数器被阻塞且数字输出信号与所述数字计数相关时，依据该数字计数确定所传感模拟信号的幅值。

19、根据权利要求17的装置，其特征在于控制电路对用于响应低于所选阈值和数字计数保持上计数器被使能的第四输入作出响应。

20、根据权利要求19的装置，其特征在于所选阈值相当于系统噪声电平。

21、根据权利要求1的装置，其特征在于模/数转换器将具有大于或小于参考输入幅值的模拟信号输入进行转换。

22、一种用于通过具有从零到足尺数字输出范围的模/数转换器将具有动态范围内随时变化幅值的模拟信号转换成数字信号的方法，其特征在于包括如下步骤：

（a）传感模拟信号的幅值;

（b）确定予选事件的发生;

（c）检测予选事件发生后所传感模拟信号的第一峰幅值;

（d）提供相当于所检测第一峰幅值的参考电位;

（e）根据模拟信号和基准电位间的关系，将予选事件发生后所传感的模拟信号转换成数字信号;和

（h）根据每一个所检测予选事件的发生，重复步骤（c）、（d）和（e）。

23、根据权利要求22的方法，其特征在于还包括如下步骤：

（g）根据参考电位移动所传感模拟信号的动态范围，且步骤（e）还以转换移动的模拟信号为特征。

24、根据权利要求23的方法，其特征在于步骤（g）是以把所传感模拟信号幅值的1/2和所提供参考电位的1/2相加为特征的。

25、根据权利要求22的方法，其特征在于在步骤（e）中，所传感模拟信号和参考电位之间的关系是以把等于所提供参考电位的所传感模拟输入幅值转换成足尺数字输出为特征的。

26、根据权利要求25的方法，其特征在于根据所提供的参考电位确定所传感模拟信号的幅值。

27、根据权利要求22的方法，其中，步骤（d）还以确定所检测的第一峰值是否高于所选择的阈值电位和提供相当于高于所选阈值的所检测第一峰幅值的参考电位为特征。

28、根据权利要求22的方法，其特征还在于步骤（e）还以相对于是所提供参考电位1/2的中央点调节模拟信号的动态范围并把所调节的模拟信号转换成数字信号为特征。

29、根据权利要求23的方法，在该方法中，模/数转换器是一个比例尺模/数转换器，它具有一个参考输入，且步骤（d）还以提供一个其幅值等于所提供参考电位1/2的信号给该参考输入为特征。

30、根据权利要求23的方法，其特征在于予选事件是从一组跟随在一个峰值检测后的予选时间间隔中选择的，模/数转换器产生足尺数字输出，和产生零数字输出。

31、根据权利要求23的方法，其特征在于利用采样和保持电路执行步骤（c）和（d）。

32、根据权利要求23的方法，其特征在于步骤（d）还包括如下特征：

（h）提供一个具有数字计数的上计数器和一个用于将数字计数转换成就是参考电位的模拟计数信号的数/模转换器;

（i）以时钟速率增加上计数器计数以响应模拟信号幅值的增加;

（j）阻塞上计数器增加计数以响应峰幅值的发生;和

（k）将上计数器复位到零，然后重复步骤（i）和（j）以响应一个予选事件。

33、根据权利要求32的方法，其特征在于予选事件是从一组阻塞上计数器以后的予定时间间隔中选择的，模/数转换器产生足尺数字输出和零数字输出。

34、根据权利要求32的方法，其特征在于步骤（d）还具有如下特征：

提供模拟计数信号，作为用于步骤（g）的参考电位;和

提供1/2模拟计数信号，作为用于步骤（e）的参考电位。

35、根据权利要求34的方法，其特征在于步骤（c）还以将所传感的模拟信号和1/2模拟计数相比较并当模拟信号幅值降到低于1/2模拟计数信号时，确定峰值已经发生为特征。

36、根权利要求35的方法，其特征在于步骤（c）还以当一个数字计数和一个模拟计数信号低于相当于有效模拟信号的所选阈值时，确定峰值没有发生为特征。

37、根据权利要求32的方法，其特征还在于：

提供一个微机，用以控制上计数器的复位和模拟信号到数字信号的转换;

提供一个数据收发器，用于向微机发送数字计数;

使能模/数转换器，以跟在上计数器被阻塞后的第一采样频率将经调节和移动的模拟信号数字化;

以第二采样频率监视模拟计数信号;和

阻塞上计数器，以响应所传感的模拟计数信号在所选定的时间周期内不增加。

38、根据权利要求37的方法，其特征还在于当上计数器被阻塞时，根据数字计数提供所传感模拟信号幅值的一个数字表示，且模/数转换器的数字输出对那个数字计数作出响应。

39、根据权利要求22的方法，其特征还在于步骤（e）以转换具有大于或小于参考电位幅值的模拟信号输入为特征。

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