一種超低功耗事件驅(qū)動(dòng)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其壓縮采樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，特別涉及一種超低功耗事件驅(qū)動(dòng)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 及其壓縮采樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在絕大多數(shù)電路系統(tǒng)中，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是最為關(guān)鍵的一個(gè)模塊，因?yàn)槠洳蓸臃绞?以及采樣精度將決定接下來(lái)的采樣樣本的傳輸、存儲(chǔ)以及處理等。在一些特別的應(yīng)用中，如 無(wú)人區(qū)的傳感器、植入生物體內(nèi)的傳感器等。這一類應(yīng)用的電子設(shè)備絕大部分由電池供電， 且其電池更換過(guò)程人工成本極大，甚至不可更換。因此，采樣超低功耗的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及 被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣將極大延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命從而降低系統(tǒng)成本。
[0003]在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，等時(shí)間間隔時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率由奈奎斯特采樣頻 率決定，見圖1。而由信號(hào)的時(shí)頻分析可知，大自然的絕大部分信號(hào)存在活躍期以及靜息期 的。而奈奎斯特采樣率是由活躍期的最大頻率決定的。如若對(duì)輸入信號(hào)不加區(qū)分的均采用 奈奎斯特采樣頻率進(jìn)行采樣會(huì)浪費(fèi)大量系統(tǒng)能量。尤其在輸入信號(hào)的靜息期遠(yuǎn)大于活躍 期，這一浪費(fèi)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此這一采樣方式不適用于超低功耗系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
[0004] 結(jié)合信號(hào)本身的特征，為了實(shí)現(xiàn)超低功耗系統(tǒng)，研宄者提出由事件驅(qū)動(dòng)的采樣 (Event-DrivenSampling)，可以實(shí)現(xiàn)低于奈奎斯特采樣率的采樣。其基本思想如圖2所 示，當(dāng)輸入信號(hào)變化超過(guò)預(yù)設(shè)閾值（即輸入信號(hào)觸發(fā)事件），系統(tǒng)通過(guò)記錄觸發(fā)時(shí)間的時(shí)刻 以及觸發(fā)閾值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。其輸出樣本由一系列的觸發(fā)時(shí)刻及觸發(fā)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的 閾值共同確定。在輸入信號(hào)靜息期（輸入信號(hào)變化不劇烈時(shí)），采樣樣本較少，當(dāng)信號(hào)處于 活躍期（輸入信號(hào)變化換劇烈時(shí)）采樣樣本較多。這一采樣系統(tǒng)通過(guò)減少在均勻采樣中的 冗余采樣樣本量所帶來(lái)的一系列系統(tǒng)功耗開銷來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超低功耗 系統(tǒng)。
[0005] 事實(shí)上，上世紀(jì)60年代托莫維奇（Tomovic)和貝奇（Bekey)等人就提出事件驅(qū) 動(dòng)型的采樣策略。然而，由于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)應(yīng)用需求等諸多因素，這一采樣 方法未被重視起來(lái)。近年，超低功耗系統(tǒng)大量的應(yīng)用需求，使得這一采樣策略成為研宄 熱點(diǎn)。哥倫比亞大學(xué)著名教授揚(yáng)尼斯（YannisTsividis)、美國(guó)塔夫茨大學(xué)孫庫(kù)斯?fàn)柦淌?(Sonkusale)、荷蘭的瑟金教授（Serdijn)等多個(gè)國(guó)際頂尖科研團(tuán)隊(duì)都針對(duì)這一采樣方法 進(jìn)行了廣泛研宄，并取得了諸多成果。
[0006] 事件驅(qū)動(dòng)型超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其壓縮采樣方法為實(shí)現(xiàn)超低功耗系統(tǒng)開辟了 全新途徑。然而這一技術(shù)目前處于剛起步階段，其中存在很多問題。例如圖3瑟金教授團(tuán) 隊(duì)提出的采樣方法：當(dāng)輸入信號(hào)Vin穿越采樣上界VH(下界VJ時(shí)，輸入信號(hào)被下拉（上提） 至閾值中界VM的位置生成預(yù)處理信號(hào)V"。隨后預(yù)處理信號(hào)會(huì)繼續(xù)跟隨輸入信號(hào)Vin 的變化而變化。直到再次觸碰閾值上界VH、中界VM或者下界八其中一個(gè)。通過(guò)記錄預(yù)處理 信號(hào)￥"穿過(guò)閾值的時(shí)間，及閾值類型，即可得到一組由離散時(shí)間點(diǎn)及該時(shí)間點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)信 號(hào)電壓的事件驅(qū)動(dòng)型采樣序列。然而，在其提出的采樣算法中并未考慮信號(hào)中混有噪聲這 一極為常見的情況。當(dāng)輸入信號(hào)混有噪聲，每當(dāng)信號(hào)觸碰到某一個(gè)預(yù)設(shè)閾值邊界，以閾值上 界％為例，預(yù)處理信號(hào)將會(huì)被下拉至閾值中界VM，然而信號(hào)中的噪聲將會(huì)極有可能再多次 觸碰到閾值中界VM，產(chǎn)生大量無(wú)用采樣脈沖！K如此一來(lái)系統(tǒng)將不得不為一由噪聲導(dǎo)致的 無(wú)用樣本的采樣、存儲(chǔ)、傳輸、處理等浪費(fèi)大量能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種超低功耗事件驅(qū)動(dòng)型模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器及其壓縮采樣方法，采用遲滯采樣方法將噪聲帶來(lái)的虛假采樣樣本減小至最低，從而 降低虛假采樣樣本給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的功耗。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 本發(fā)明提供一種超低功耗事件驅(qū)動(dòng)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括：
[0010] 非均勻lbit數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊：用于接收待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)，并將所述模擬輸 入信號(hào)轉(zhuǎn)換為位于閾值上下界之間的預(yù)處理信號(hào)；還用于接收控制邏輯的反饋控制信號(hào)， 將所述預(yù)處理信號(hào)上拉至閾值近上界或下拉至閾值近下界；
[0011] 區(qū)域比較器：用于對(duì)所述預(yù)處理信號(hào)和所述閾值近上界進(jìn)行比較和/或?qū)λ鲱A(yù) 處理信號(hào)和所述閾值近下界進(jìn)行比較，輸出區(qū)域指示信號(hào)；
[0012] 采樣比較器：用于接收所述區(qū)域指示信號(hào)，并判斷所述預(yù)處理信號(hào)是否穿越出閾 值上下界之間的區(qū)域，如穿越出，輸出采樣脈沖信號(hào)；
[0013] 控制邏輯：用于接收所述區(qū)域指示信號(hào)和采樣脈沖信號(hào)，輸出反饋控制信號(hào)給所 述非均勻lbit數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。
[0014] 本發(fā)明采用遲滯采樣方法，即當(dāng)預(yù)處理信號(hào)觸碰閾值上界時(shí)，將其下拉至閾值近 下界（靠近閾值下界）；當(dāng)預(yù)處理信號(hào)觸碰閾值下界時(shí)，將其上拉至閾值近上界（靠近閾值 上界），而非直接上拉（下拉）至閾值上界（閾值下界），有效去除了輸入信號(hào)中所夾雜的 噪聲帶來(lái)的虛假采樣，進(jìn)一步節(jié)約了系統(tǒng)功耗。
[0015] 較佳地，所述非均勻lbit數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊采用電荷共享機(jī)制將所述預(yù)處理信號(hào)上 拉至閾值近上界或下拉至閾值近下界；采用電荷共享機(jī)制進(jìn)一步簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。
[0016] 較佳地，所述閾值上界與所述閾值近上界的電壓差以及所述閾值下界與所述閾值 近下界的電壓差為所述待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)所夾雜噪聲電壓的標(biāo)準(zhǔn)差的三倍；所述閾值 上界與所述閾值近下界的電壓差以及所述閾值下界與所述閾值近上界的電壓差為預(yù)設(shè)的 最低有效位電壓（即系統(tǒng)的最小分辨率）。模擬輸入信號(hào)中所夾雜的噪聲通常屬于高斯白 噪聲，其概率分布滿足高斯分布，當(dāng)閾值上界與閾值近上界（閾值下界與閾值近下界）之 間的電壓差取值為三倍噪聲標(biāo)準(zhǔn)差電壓時(shí)，其虛假采樣發(fā)生率可以降低至零倍噪聲標(biāo)準(zhǔn)差 電壓的1%，即可以極大降低虛假采樣；轉(zhuǎn)換器的分辨率由具體應(yīng)用需求決定，較高的分辨 率獲得的樣本所還原出信號(hào)的信噪比更高，但其系統(tǒng)功耗以及數(shù)據(jù)量也會(huì)相應(yīng)增加；同理， 較低的分辨率雖然在還原時(shí)的信噪比不高，但其功耗以及數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，在滿足系統(tǒng)功 耗以及信噪比的前提下，據(jù)此設(shè)計(jì)出的最低有效位可以保證一定的系統(tǒng)功耗前提下獲得較 好的信噪比。
[0017] 較佳地，所述非均勻lbit數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊與所述采樣比較器之間通過(guò)三選二開關(guān) 相連；所述三選二開關(guān)用于將所述閾值上界和所述預(yù)處理信號(hào)輸入到所述采樣比較器的兩 個(gè)輸入端或?qū)⑺鲩撝迪陆绾退鲱A(yù)處理信號(hào)輸入到所述采樣比較器的兩個(gè)輸入端。
[0018] 較佳地，所述閾值近上界和所述閾值近下界通過(guò)二選一開關(guān)連接到所述區(qū)域比較 器的一輸入端；所述二選一開關(guān)用于將所述閾值近上界或所述閾值近下界輸入到所述區(qū)域 比較器的一輸入端。
[0019] 本發(fā)明還提供一種超低功耗事件驅(qū)動(dòng)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的壓縮采樣方法，其包括以 下步驟：
[0020] S11 :將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為位于閾值上下界之間的預(yù)處理信號(hào)；
[0021] S12:將所述預(yù)處理信號(hào)與閾值近上界以及閾值近下界進(jìn)行比較，判斷預(yù)處理信號(hào) 所在的區(qū)域，輸出區(qū)域指示信號(hào)；
[0022] S13:根據(jù)區(qū)域指示信號(hào)，將所述預(yù)處理信號(hào)以及所述閾值下界輸出，或者將所述 預(yù)處理信號(hào)以及所述閾值上界輸出；同時(shí)將所述預(yù)處理信號(hào)以及所述閾值近下界輸出，或 將所述預(yù)處理信號(hào)以及所述閾值近上界輸出；
[0023] S14:將所述預(yù)處理信號(hào)和所述閾值上界進(jìn)行比較或者將所述預(yù)處理信號(hào)和所述 閾值下界進(jìn)行比較，判斷是否進(jìn)行采樣動(dòng)作觸發(fā)，是則轉(zhuǎn)入步驟S15,否則重復(fù)步驟S14 ;
[0024] S15 :觸發(fā)采樣動(dòng)作，產(chǎn)生采樣脈沖信號(hào)；
[0025] S16:根據(jù)所述采樣脈沖信號(hào)和所述區(qū)域指示信號(hào)將所述預(yù)處理信號(hào)下拉至所述 閾值近下界或上拉至所述閾值近上界。
[0026] 較佳地，所述步驟S12具體為：將所述預(yù)處理信號(hào)與閾值近下界進(jìn)行比較，當(dāng)所 述預(yù)處理信號(hào)小于所述閾值近下界時(shí)，輸出電平由低電平變?yōu)楦唠娖交蛴筛唠娖阶優(yōu)榈碗?平，當(dāng)所述預(yù)處理信號(hào)大于所述閾值近下界時(shí)，將所述預(yù)處理信號(hào)與所述閾值近上界進(jìn)行 比較，當(dāng)所述預(yù)處理信號(hào)小于閾值