多通道換能器設(shè)備和其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及多通道換能器設(shè)備，且更具體地涉及當(dāng)高增益信號飽和時將低增益信 號映射到高增益信號上以形成混合信號并且平滑地轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲盘柕亩嗤ǖ罁Q能器設(shè)備 及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 設(shè)備關(guān)于檢測或感測它們周圍環(huán)境正變得更敏感和更精確。為了檢測高動態(tài)范圍 的信號，這些設(shè)備包括具有不同靈敏度的多個采集通道（例如具有不同靈敏度的多個傳感 器）。單個采集通道的范圍太有限而無法檢測可檢測信號的完整范圍。
[0003] 包括多于一個采集通道的設(shè)備，諸如低靈敏度采集通道和高靈敏度采集通道，在 日常電子產(chǎn)品中正變得更加普通。例如，蜂窩電話、游戲控制器、和其它移動設(shè)備并入了麥 克風(fēng)、陀螺儀、或配置為感測寬范圍輸入信號的其它基于換能器的設(shè)備（例如光學(xué)設(shè)備）。
[0004] 作為示例，為了感測這個寬范圍信號，麥克風(fēng)可在單個封裝中包括多個膜或多個 麥克風(fēng)，其中一個具有低靈敏度且另一個具有高靈敏度。作為另一示例，具有相對大靈敏度 范圍的單個傳感器（例如麥克風(fēng)膜）可提供作為分別實現(xiàn)不同放大因子的兩個不同采集鏈 的輸入。這樣可以導(dǎo)致似乎具有不同靈敏度的兩個或更多采集通道的設(shè)備。
[0005] 大體上，低靈敏度采集通道使得能夠檢測環(huán)境信號的強部分（高振幅），但是不能 很好地處理信號的弱部分（低振幅）。高靈敏度采集通道使得能夠檢測信號的弱部分（低 振幅），但是不能很好地處理信號的強部分。
[0006] 在具有多個采集通道的當(dāng)前設(shè)備中，控制電路同時采集來自兩個通道的不同靈敏 度的輸出信號，并通過在高靈敏度和低靈敏度信號之間直接切換來適應(yīng)信號強度。
[0007] 然而，這種切換在輸出信號中造成了不需要的不連續(xù)。特別地，當(dāng)在高和低靈敏度 信號之間切換時可能會有延遲。作為另一示例，當(dāng)切換發(fā)生時，在與高和低靈敏度信號分別 關(guān)聯(lián)的本底噪聲之間的差異可以是可辨別的（例如，通過在雙通道麥克風(fēng)設(shè)備的通道之間 切換的輸出信號的監(jiān)聽器）。此外，用于增益的控制電路在信號處理的鏈中經(jīng)常被布置成遠(yuǎn) 離傳感器，且未能補償傳感器的固有限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開涉及當(dāng)高增益信號飽和時將低增益信號映射到高增益信號上以形成混合 信號并且平滑地轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌闲盘柕亩嗤ǖ罁Q能器設(shè)備和其操作方法。多通道換能器設(shè)備可 具有不同靈敏度的至少兩個采集模塊。采集模塊可并行檢測施加于設(shè)備的外力，并分別輸 出對應(yīng)于不同靈敏度的信號。設(shè)備處理不同靈敏度的信號中的至少兩個信號，以確定多個 映射參數(shù)。設(shè)備使用映射參數(shù)來生成表示映射到較高靈敏度信號的較低靈敏度信號的混合 信號。設(shè)備輸出采集信號中的一個或多個采集信號和混合信號的加權(quán)平均，其中加權(quán)依賴 于例如操作模式和其它因素。因為混合信號從較高靈敏度信號生成，從較高靈敏度信號到 混合信號的轉(zhuǎn)變平滑且沒有不連續(xù)。
【附圖說明】
[0009] 本公開的前述和其它的特征和優(yōu)點將會更容易地理解，因為當(dāng)結(jié)合附圖考慮時， 它們從以下【具體實施方式】變得更好理解。
[0010] 圖1A是根據(jù)本公開的示例實施例的設(shè)備的真正雙通道換能器組件和信號處理級 的框圖；
[0011] 圖1B是根據(jù)本公開的示例實施例的設(shè)備的表觀雙通道換能器組件和信號處理級 的框圖；
[0012] 圖2是圖1A和圖1B的信號處理級的框圖；
[0013] 圖3是包括根據(jù)本公開的示例實施例的來自高增益通道的信號、來自低增益通道 的信號和形成的混合信號的圖表；
[0014] 圖4A和圖4B包括根據(jù)本公開的示例實施例的低增益通道和高增益通道的圖形信 號范圍表示；
[0015] 圖5是根據(jù)本公開的示例實施例的換能器組件和執(zhí)行并行處理的信號處理級的 框圖；
[0016] 圖6是圖5的信號處理級的增強框圖；
[0017] 圖7是根據(jù)本公開的示例實施例的換能器組件和執(zhí)行順序處理的信號處理級的 框圖；以及
[0018] 圖8是根據(jù)本公開的示例實施例的用于確定映射參數(shù)的最小二乘法優(yōu)化的表示。
【具體實施方式】
[0019] 在以下描述中，闡述了某些具體細(xì)節(jié)以便提供對本公開的各種實施例的透徹理 解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解的是，本公開可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下被實踐。 在其它實例中，與電子部件和信號處理有關(guān)聯(lián)的眾所周知的結(jié)構(gòu)沒有被詳細(xì)描述，以避免 不必要地模糊對本公開的實施例的描述。
[0020] 除非上下文另外要求，貫穿說明書和隨后的權(quán)利要求書，詞語"包括"和它的變體 與"包含"是同義的，并且是包括性的或開放式的（例如不排除附加的、未記載的元件或方 法動作）。
[0021] 貫穿本說明書，對"一個實施例"或"實施例"的引用意指聯(lián)系實施例描述的特定 的特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個實施例中。因此，短語"在一個實施例中"或"在實施例 中"在貫穿本說明書的不同地方的出現(xiàn)不必要全部引用同一個實施例。此外，特定的特征、 結(jié)構(gòu)或特性可以在一個或更多實施例中以任何合適的方式組合。
[0022] 如在本說明書和所附權(quán)利要求中使用的，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該"包括復(fù)數(shù) 的所指對象，除非內(nèi)容清楚地另外指示。還應(yīng)注意的是，術(shù)語"或者"通常在包括"和/或" 的意義上來運用，除非內(nèi)容清楚地另外指示。
[0023] 如在本說明書和所附權(quán)利要求中使用的，"對應(yīng)"和"對應(yīng)的"的使用旨在描述在引 用對象之間的比率或相似度。"對應(yīng)"或其形式之一的使用不應(yīng)被理解為意指確切的形狀或 尺寸。
[0024] 在附圖中，完全相同的引用數(shù)字標(biāo)識相似的元件或動作。附圖中元件的尺寸和相 對位置沒有必要按比例繪制。
[0025] 圖1A是依照本公開實施例形成的系統(tǒng)10的框圖。系統(tǒng)10被配置為通過同時采 集來自多個具有不同靈敏度的換能器的信息來提供寬動態(tài)范圍的信號。系統(tǒng)10包括換能 器組件2,換能器組件2配置為輸出至少兩個通道：高增益通道16和低增益通道14。換能 器組件可以是具有多個同時采集的信號的任何設(shè)備，諸如用于利用圖像穩(wěn)定性的光學(xué)檢測 的設(shè)備、諸如具有可改變的時間偏移的雙核陀螺儀和具有雙核跟蹤和定向的加速計之類的 慣性感測設(shè)備、動圈式麥克風(fēng)和其它MEMS(微機電系統(tǒng)）。
[0026] 圖1A中的換能器組件2包括兩個電容性的傳感器2a、2b，其中第一傳感器2a檢測 來自環(huán)境的信號的弱部分，諸如具有低振幅的信號部分，且第二傳感器2b檢測來自環(huán)境的 信號的強部分，諸如具有高振幅的信號部分。由于換能器組件2的確包括具有不同靈敏度 的兩個不同的傳感器2a和2b，換能器組件2可被命名為"真正"雙通道換能器組件。
[0027] 由于不同的靈敏度，不同的放大因子可應(yīng)用于由電容性傳感器2a、2b輸出的信 號。然而，在一些實施方式中，相同的放大因子分別應(yīng)用于由傳感器2a、2b輸出的信號。
[0028] 這些電容性傳感器2a、2b可以是許多不同類型的電容性傳感器中的任何一種，諸 如具有不同靈敏度的在分離封裝中的兩個分離的麥克風(fēng)、具有包括在單個封裝中的兩個膜 的麥克風(fēng)、或者在單個封裝或分離封裝中的兩個光學(xué)傳感器或兩個陀螺儀。傳感器2a、2b 被配置為具有不同的靈敏度，并行地接收和輸出信號，從而同時采集信號。
[0029] 傳感器2a、2b檢測來自環(huán)境的同樣的信號，但是用兩個不同的采集鏈同時進(jìn)行處 理。例如，傳感器檢測同樣的加速度，但是具有不同的精確度或動態(tài)范圍。備選地，傳感器 是用不同靈敏度或動態(tài)范圍來檢測同樣的聲音的麥克風(fēng)。
[0030] 每個傳感器與相應(yīng)處理級3a和3b(共同指示為3)耦合，處理級3a和3b被分別 配置為接收來自對應(yīng)傳感器2a、2b的檢測量，并輸出指示傳感器的輸入的電檢測信號。傳 感器可以是數(shù)字或模擬傳感器。傳感器二者都接收同樣的模擬信號。在一些實施方式中， 由于在傳感器之間靈敏度的不同，不同的放大因子被應(yīng)用于每個傳感器的輸出。
[0031] 第一傳感器2a與第一處理級3a的組合可被稱為第一采集模塊4a。第二傳感器 2b與第二處理級3b的組合可被稱為第二采集模塊4b。第一和第二采集模塊4a、4b被配置 為并行地操作，以同時獲得關(guān)于系統(tǒng)10在其中操作的環(huán)境的信息。
[0032] 在圖1A所示的實施例中，第一處理級3a與第一傳感器2a(高靈敏度傳感器）耦 合，并且被配置為輸出高增益信號16,這也是高增益通道16。第一處理級3a從第一傳感器 接收模擬信號，由于第一傳感器被配置為高度靈敏，該模擬信號通常會是低振幅信號。第一 處理級3a然后會處理低振幅信號以輸出高增益信號16。第一處理級3a可包括模擬-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器8a和放大器（未不出）。
[0033] 類似地，第二處理級3b與第二傳感器2b耦合，并配置為輸出低增益信號14,這可 被稱為低增益通道14。第二傳感器2b有能力檢測信號的強部分，這與第一傳感器2a對信 號的弱部分的檢測平衡。由于第一傳感器2a有能力檢測信號的弱部分，第一傳感器很難準(zhǔn) 確和精確地檢測信號的強部分。為了增加換能器組件2的動態(tài)范圍，第二傳感器2b有能力 檢測信號的強部分，但是很難準(zhǔn)確和精確地檢測信號的弱部分。第二處理級3b將低增益應(yīng) 用于信號的強部分以輸出低增益信號14。第二處理級3b可包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器8b和放 大器（未不出）。
[0034] 在一些實施方式中，第一和第二處理級3a、3b可包括同樣的部件，其中唯一的差 異是放大因子。具體地，每個處理級3a、3b可包括同樣的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器8a、8b。例如轉(zhuǎn) 換器二者都可以是10位轉(zhuǎn)換器或12位轉(zhuǎn)換器。此外，在一些實施方式中，傳感器2a、2b是 數(shù)字傳感器且不要求如圖1A所示的隨后的ADC轉(zhuǎn)換。
[0035] 在一些實施方式中，第一ADC8a和第二ADC8b二者都是12位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 第一ADC8a和第二ADC8b被配置為接收來自傳感器2a、2b的模擬信號并輸出12位數(shù)字 信號。
[0036] ADC8a、8b取樣模擬信號，并在每個樣本提供模擬信號振幅的數(shù)字表示。每個樣本 與確定模擬信號段的振幅有關(guān)聯(lián)。通過ADC得到的樣本是相等順序的模擬信號段，其中每 個樣本是一個段。ADC分析模擬信號段，并輸出表示段的振幅的數(shù)字值。轉(zhuǎn)換涉及輸入信號