專利名稱：采用同步檢測(cè)和相關(guān)采樣的測(cè)定方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)弱信號(hào)的電路，其參考電平一方面是未知的，而另一方面易發(fā)生大的波動(dòng)。
可以預(yù)見的常規(guī)應(yīng)用如下通過(guò)光發(fā)射單元和光敏單元測(cè)量光所通過(guò)介質(zhì)的光透射或反射系數(shù)，或者測(cè)量該透射或反射系數(shù)的變化。當(dāng)存在發(fā)光度未知和變化的環(huán)境照明時(shí)，或者甚至是比由光發(fā)射單元產(chǎn)生的照明強(qiáng)度更大的環(huán)境照明時(shí)，可以理解該檢測(cè)并非易事。
為了克服這個(gè)缺陷，可進(jìn)行同步檢測(cè)光發(fā)射單元發(fā)射周期光脈沖并且在發(fā)射期間觀察由光敏單元接收的信號(hào)；此外，在兩個(gè)不同時(shí)間，也就是剛好在脈沖開始前和剛好在脈沖結(jié)束前進(jìn)行差分檢測(cè)。測(cè)量信號(hào)之差隨后將代表照度的增加，特別是由光發(fā)射單元產(chǎn)生并且已通過(guò)待測(cè)介質(zhì)的光所導(dǎo)致的照度的增加。
當(dāng)通過(guò)采樣-保持測(cè)量信號(hào)時(shí)，差分測(cè)量被稱為“相關(guān)二次采樣”。當(dāng)來(lái)自該測(cè)量、以模擬形式(這是對(duì)于光敏單元的情況)獲得的信號(hào)不得不通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字值時(shí)，特別利用了采樣-保持。在這種情況下，采樣-保持被設(shè)計(jì)成直接進(jìn)行差分測(cè)量，換句話說(shuō)，它直接產(chǎn)生電壓值，該電壓值表示剛好在脈沖開始和剛好在脈沖結(jié)束前進(jìn)行的測(cè)量之差，而不是照明的每個(gè)測(cè)量值。


圖1顯示了能夠進(jìn)行這種直接差分測(cè)量的采樣-保持的示意性電路圖的例子。輸入端E接收測(cè)量信號(hào)Ve(例如由光敏單元產(chǎn)生的信號(hào))，其與參考電平Vr相等，表示未知的環(huán)境照明，它在無(wú)光脈沖時(shí)存在。輸入端E被連接到輸入電容器Ce1的第一端，電容器Ce1的第二端可以通過(guò)開關(guān)K1連接到地，或者通過(guò)開關(guān)K′1連接到運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端(-)。具有高增益和高輸入阻抗的運(yùn)算放大器使其同相輸入端(+)連接到地，并且它的兩個(gè)輸入端被認(rèn)為是虛擬地電位。積分電容器Cs1被連接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端S之間。開關(guān)K″1容許積分放大器Cs1被短路，以便周期性地使其放電。
在剛好于光發(fā)射單元發(fā)射光脈沖之前結(jié)束的復(fù)位階段H1，在開關(guān)K′1打開的同時(shí)開關(guān)K1和K″1被閉合。因此，輸入電容器Ce1剛好在光脈沖之前充電到存在于輸入端的參考電壓Ve＝Vr；積分電容器Cs1完全被放電。隨后，在復(fù)位階段之后的采樣階段H2期間，開關(guān)K1和K″1打開而開關(guān)K′1閉合。在該階段H2期間發(fā)射光脈沖。采樣階段在光脈沖結(jié)束前結(jié)束，但是僅僅是當(dāng)來(lái)自光電單元的信號(hào)穩(wěn)定時(shí)。然后，輸入端E處的電壓Ve是Vm，其由于光脈沖的原因而不同于Vr。
由于電容器Ce1和Cs1的相連接和相隔離電極上的電荷守恒(總電荷Ce1Vr)，電荷在電容器Ce1和電容器Cs1之間被分開，并且由于放大器的反相輸入端的電平保持為虛擬地，輸出端S所采用的電平為Vs＝-Ce1(Vm-Vr)/Cs1。
因此，如果Ce1和Cs1相等，則該輸出電平Vs等于-(Vm-Vr)，或者如果不是這種情況則正比于-(Vm-Vr)。
輸出電平Vs在保持階段(在采樣階段H2結(jié)束后，此時(shí)所有的開關(guān)K1、K′1、K″1都打開)基本上被維持；保持其數(shù)值直到下一階段H1的該電平由于其正比于Vm-Vr而能夠用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；它直接表示由光脈沖引起的信號(hào)差，與環(huán)境光的水平無(wú)關(guān)。
圖2顯示了相應(yīng)于圖1的電路工作的信號(hào)時(shí)序圖-線a代表周期光脈沖發(fā)射時(shí)間間隔；-線b代表光敏單元檢測(cè)的信號(hào)；由剛好在光脈沖前的環(huán)境光而使信號(hào)電平Ve＝Vr；在光脈沖結(jié)束時(shí)測(cè)量的信號(hào)Vm代表環(huán)境照明和光脈沖所引起照明的增加；-線c代表開關(guān)K1和K″1的控制階段，相應(yīng)于復(fù)位階段H1；其持續(xù)時(shí)間例如為與光脈沖的時(shí)間相同，但在光脈沖開始前的時(shí)間T0處開始并且剛好在光脈沖結(jié)束前的時(shí)間T1處結(jié)束；-線d代表控制開關(guān)K′1的采樣信號(hào)H2；它剛好在復(fù)位信號(hào)H1結(jié)束后開始并且剛好在光脈沖結(jié)束前的時(shí)間T2處結(jié)束；其持續(xù)時(shí)間為光脈沖的持續(xù)時(shí)間；-最后，線e代表輸出電壓Vs的反轉(zhuǎn)-Vs，其在階段H1(復(fù)位)期間變?yōu)榱悴⑶以陔A段H2(采樣)期間數(shù)值為Vm-Vr，隨后保持該數(shù)值直到后面的測(cè)量(保持)。
這種與同步測(cè)量相關(guān)的相關(guān)雙采樣方法產(chǎn)生了極好的效果。
存在其它類型的或多或少?gòu)?fù)雜些的采樣器，其能夠進(jìn)行相關(guān)雙采樣操作。圖3顯示了現(xiàn)有技術(shù)的一種特別簡(jiǎn)單的采樣器，圖4顯示了一種實(shí)現(xiàn)相同的相關(guān)二次采樣功能的差分型采樣-保持，但是基于差分應(yīng)用信號(hào)Ve，該信號(hào)代表以地為參照的兩個(gè)電壓Vep和Ven之差。
本發(fā)明觀察到在一些應(yīng)用中，這種采用同步檢測(cè)和相關(guān)二次采樣的測(cè)量方法并不令人滿意。這些應(yīng)用是那些其中測(cè)量信號(hào)的參考電平(例如代表環(huán)境照明的電平Vr)不足夠穩(wěn)定。事實(shí)上，該方法假定參考電平在信號(hào)H2的開始和結(jié)束之間未發(fā)生改變。
然而，信號(hào)H2的持續(xù)時(shí)間不能減少可低于最小時(shí)間。它必須至少足夠長(zhǎng)，以便測(cè)量信號(hào)在光脈沖開始后具有用于穩(wěn)定的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間與光敏單元和所有電路的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，其容許電壓Ve在采樣-保持的輸入端建立。
典型地，H2的持續(xù)時(shí)間可以為30微秒。但是，如果參考電平Vr具有在該期間發(fā)生明顯變化的時(shí)間，則差分測(cè)量將受誤差的影響，這是由于它采納了在脈沖期間的時(shí)間T2處獲得的電平Vm與被視為在脈沖開始前的時(shí)間T1處的參考電平V1之間的差值，而不是相同時(shí)刻的差值。
在這里可預(yù)見的特別重要的一種應(yīng)用中，已經(jīng)注意到在同步測(cè)量的短脈沖持續(xù)期間環(huán)境照明的變化可能會(huì)引起顯著的測(cè)量誤差，使該應(yīng)用在某些情況下為不可操作的。這種應(yīng)用是測(cè)量車輛擋風(fēng)玻璃上的雨，目的是引起擋風(fēng)玻璃刮雨器自動(dòng)掃動(dòng)。通過(guò)光電單元(可見光或紅外光)進(jìn)行檢測(cè)，其根據(jù)是否存在雨而檢測(cè)擋風(fēng)玻璃反射系數(shù)的改變。反射的變化引起測(cè)量信號(hào)電平的小變化，其中，這些變化可能比由環(huán)境照明引起的信號(hào)弱一千倍。然而，環(huán)境照明容易改變，即變化越多車輛速度越快(經(jīng)過(guò)橋下、樹下等)。在30微妙內(nèi)的變化是非常顯著的，并引起測(cè)量誤差，其可以掩蓋希望測(cè)量的反射系數(shù)的變化?？梢詼y(cè)量到雨的存在，盡管這只是測(cè)量誤差的結(jié)果。
基于這個(gè)原因，本發(fā)明為該檢測(cè)提供一種測(cè)量方法和裝置，該檢測(cè)與測(cè)量脈沖同步，這種方法和這種裝置使由參考電平變化而引起的測(cè)量誤差最小化。這種方法和這種裝置可以被用在前述應(yīng)用中，也可用在可能出現(xiàn)參考電平(不存在脈沖時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)電平)顯著快速變化的其它應(yīng)用中?！安捎猛綑z測(cè)的測(cè)量方法”被理解為這樣一種測(cè)量方法，即，為了確定待測(cè)參數(shù)值，與引起該信號(hào)臨時(shí)增大的短測(cè)量脈沖同步地檢測(cè)待測(cè)信號(hào)值。因此，為了測(cè)量環(huán)境光環(huán)境中的光反射或透射系數(shù)，發(fā)射短的光脈沖并且在該發(fā)射期間測(cè)量反射或透射的信號(hào)。
為了部分補(bǔ)償變化的影響，在測(cè)量信號(hào)的參考電平的測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的采用同步檢測(cè)的測(cè)量方法在于在采樣-保持中進(jìn)行-在測(cè)量脈沖剛好開始前的時(shí)間T1和測(cè)量脈沖剛好結(jié)束前的時(shí)間T2之間進(jìn)行第一相關(guān)雙采樣，該雙采樣提供了被認(rèn)為是與脈沖開始前的參考電平VI相關(guān)的信號(hào)測(cè)量值Vm；-并且在時(shí)間T2和測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3之間進(jìn)行第二相關(guān)雙采樣，該第二次采樣提供了被認(rèn)為是與脈沖結(jié)束后存在的參考電平V3相關(guān)的信號(hào)測(cè)量值Vm的表示；-以及建立來(lái)自兩次測(cè)量的信號(hào)電平之間的差值，該差值表示信號(hào)值Vm，其被認(rèn)為是與介于時(shí)間T1和T3之間的參考電平相關(guān)。
時(shí)間間隔T3-T2優(yōu)選基本上等于T2-T1；由兩次測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)電平之差表示信號(hào)值Vm，其與參考電平V1和V3之間的平均值相關(guān)。
將能夠理解，如果以相同方式進(jìn)行相關(guān)雙采樣的兩次操作(主要是沒(méi)有符號(hào)或增益改變)，并且如果它們給出了電平差值Vm-V1和V3-Vm的各自表示，則僅簡(jiǎn)單地采用兩次采樣結(jié)果之差將產(chǎn)生有用的信號(hào)電平，其等于2[Vm-(V3+V1)/2]，而不是[Vm-(V3+1)/2]；實(shí)際尋找的信號(hào)將因此是所發(fā)現(xiàn)差值的一半。由于采樣-保持電路的輸出信號(hào)從原理上說(shuō)是數(shù)字化的，所以被2除可以在數(shù)字化后進(jìn)行，如果需要的話，盡管它不是不可或缺的。然而，如果需要的話，模擬電路的某些特征也可以被采用，而不改變本發(fā)明的原理，以便直接獲得所需的數(shù)值[Vm-(V3+V1)/2]，例如電容分開，或者很簡(jiǎn)單地，選擇具有輸入電容器兩倍數(shù)值的積分電容器等。
在與測(cè)量脈沖同步的檢測(cè)中，該測(cè)量脈沖使待測(cè)信號(hào)短暫增大，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置包括至少一個(gè)采樣-保持和開關(guān)部件，該開關(guān)部件與測(cè)量脈沖同步，以便通過(guò)所述采樣-保持進(jìn)行下面的工作-在測(cè)量脈沖剛好開始前的時(shí)間T1和測(cè)量脈沖剛好結(jié)束前的時(shí)間T2之間進(jìn)行第一相關(guān)雙采樣，該雙采樣提供了被認(rèn)為是與脈沖開始前的參考電平VI相關(guān)的信號(hào)測(cè)量值Vm；-并且在時(shí)間T2和測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3之間進(jìn)行第二相關(guān)雙采樣(優(yōu)選T3-T2＝T2-T1)，該第二采樣提供了被認(rèn)為是與脈沖結(jié)束后存在的參考電平V3相關(guān)的信號(hào)測(cè)量值Vm表示；-該測(cè)量裝置包括用于建立來(lái)自兩次測(cè)量的信號(hào)電平之差的部件，該差值表示信號(hào)值Vm，其被認(rèn)為是與介于時(shí)間T1和T3之間的參考電平有關(guān)。
在一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，兩個(gè)采樣-保持將被用于建立電壓電平V1-Vm和Vm-V3，并且減法器將被放置在采樣器的輸出端，以求差值。
在另一個(gè)實(shí)施例中，將使用差分型采樣-保持，以避免測(cè)量信號(hào)以地為參照。根據(jù)本發(fā)明，該差分型采樣-保持將包括第一運(yùn)算放大器和第二運(yùn)算放大器，每一個(gè)都與位于各放大器輸入端上游的第一和第二輸入電容器相連，并且還與連接在放大器輸入端和輸出端之間的積分電容器相連，連接到第一輸入電容器的采樣器的信號(hào)輸入端與連接到第二輸入電容器的信號(hào)輸入端交叉(crossed)；開關(guān)部件包括-用于使采樣-保持作為相關(guān)雙采樣-保持而工作的部件，利用積分電容器和第一輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第一輸入電容器上施加代表時(shí)間T1處的參考電平V1的差分輸入電壓V1p-V1n，并隨后施加代表時(shí)間T2處的測(cè)量信號(hào)Vm的差分輸入電壓Vmp-Vmn而實(shí)現(xiàn)；-用于使差分型采樣-保持作為相關(guān)雙采樣-保持而工作的部件，利用積分電容器和第二輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第二輸入電容器上施加代表時(shí)間T2處的有用信號(hào)的相反數(shù)-Vm的差分輸入電壓Vmn-Vmp，并隨后施加代表時(shí)間T3處的參考信號(hào)的相反數(shù)-V3的差分輸入電壓V3n-V3p而實(shí)現(xiàn)。
這樣形成的差分型采樣-保持電路作為三重(triple)采樣器工作，其與有用的信號(hào)測(cè)量電平以及分別在測(cè)量脈沖前后獲得的兩個(gè)參考電平相關(guān)，并且它直接進(jìn)行差值運(yùn)算Vm-(V3+V1)/2，以差分形式給出該差值本身(因此，不相對(duì)于地做參考)。將注意到，差分型采樣-保持的運(yùn)算放大器可以裝有或不裝有用于周期性地使積分電容器放電的開關(guān)。如果裝有這種開關(guān)，則該開關(guān)在從T1到T2的時(shí)間間隔內(nèi)閉合，以確保電容器上的電荷復(fù)位到零。否則(不通過(guò)短路使積分電容器復(fù)位到零)，提供另一個(gè)部件，用于周期性地向積分電容器施加代表有用的輸出信號(hào)的平均值的相反數(shù)的電荷。當(dāng)有用的輸出信號(hào)在任何情況下都將通過(guò)低通濾波器在被使用前進(jìn)行濾波時(shí)，顯然應(yīng)用這種最后的方案，這是由于該平均值(濾波器的輸出)隨后將是可用的。
兩個(gè)運(yùn)算放大器可以被帶有兩個(gè)差分輸入端和兩個(gè)差分輸出端的信號(hào)差分放大器取代。在這種情況下，電路的結(jié)構(gòu)可以用如下方式重新形成差分型采樣-保持電路包括具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端的差分放大器，每個(gè)輸入端都與放置在該輸入端上游的第一和第二輸入電容器相連，并且還與連接在該輸入端和放大器的相應(yīng)輸出端之間的積分電容器相連，連接到第一輸入電容器的采樣器的信號(hào)輸入端與連接到第二輸入電容器的信號(hào)輸入端交叉；開關(guān)部件包括-用于使采樣-保持作為相關(guān)雙采樣-保持而工作的部件，使用積分電容器和第一輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第一輸入電容器上施加代表時(shí)間T1處的參考信號(hào)V1的差分輸入電壓V1p-V1n，并隨后施加代表時(shí)間T2處的測(cè)量信號(hào)Vm的差分輸入電壓Vmp-Vmn而實(shí)現(xiàn)；-用于使差分型采樣-保持作為相關(guān)雙采樣器而工作的部件，使用積分電容器和第二輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第二輸入電容器上施加代表時(shí)間T2處的有用信號(hào)的相反數(shù)-Vm的差分輸入電壓Vmn-Vmp，并隨后施加代表時(shí)間T3處的參考信號(hào)的相反數(shù)-V3的差分輸入電壓V3n-V3p而實(shí)現(xiàn)。
該限定應(yīng)當(dāng)被視為與采用兩個(gè)分開的運(yùn)算放大器的限定等價(jià)。
通過(guò)閱讀以下的詳細(xì)說(shuō)明并參照附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)將會(huì)顯而易見，其中已經(jīng)描述的圖1-4顯示了傳統(tǒng)的有用信號(hào)測(cè)量，當(dāng)存在未知的參考電平時(shí)，采用同步檢測(cè)和相關(guān)雙采樣；圖5顯示了本發(fā)明的示意性電路圖；圖6顯示了與圖5相應(yīng)的時(shí)序圖7顯示了本發(fā)明的差分型實(shí)施例，具有雙采樣-保持電路常見的兩個(gè)運(yùn)算放大器；圖8顯示了另一個(gè)差分實(shí)施例，其不具有用于使積分電容器零點(diǎn)復(fù)位的開關(guān)；以及圖9顯示了本發(fā)明用于測(cè)量擋風(fēng)玻璃上的雨的一種應(yīng)用。
在圖5中，有兩個(gè)采樣-保持電路ECH1和ECH2，用于接受同一個(gè)相同的輸入信號(hào)Ve。該輸入信號(hào)是由同步測(cè)量模式下測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)，換句話說(shuō)，如上所解釋的，由測(cè)量脈沖產(chǎn)生的信號(hào)容許有用測(cè)量信號(hào)被疊加到未知的參考電平上。兩個(gè)采樣-保持電路以相關(guān)雙采樣模式進(jìn)行工作，但是工作在不同的時(shí)間間隔內(nèi)。
第一采樣器ECH1以復(fù)位階段H1、采樣階段H2和保持階段進(jìn)行工作，該復(fù)位階段H1在時(shí)間T0開始并剛好在測(cè)量脈沖開始前的T1處結(jié)束，采樣階段H2在時(shí)間T1開始并剛好在測(cè)量脈沖結(jié)束前的時(shí)間T2處結(jié)束，保持階段在采樣階段之后。該第一采樣器產(chǎn)生正比于-(Vm-V1)的輸出電壓Vs，其中，V1是Ve在時(shí)間T1處的數(shù)值(脈沖前的參考值)，而Vm是Ve在時(shí)間T2處的數(shù)值(在脈沖期間的測(cè)量值)。時(shí)間T1-T0優(yōu)選等于測(cè)量脈沖的持續(xù)時(shí)間，時(shí)間T2-T1也一樣。
第二采樣器ECH2以復(fù)位階段和采樣階段進(jìn)行工作，復(fù)位階段剛好在測(cè)量脈沖結(jié)束前結(jié)束，而采樣階段在復(fù)位階段結(jié)束時(shí)開始，并在測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3處結(jié)束。優(yōu)選地，復(fù)位階段與階段H2相符(開始于T1，結(jié)束于T2)；采樣階段H3開始于時(shí)間T2并結(jié)束于時(shí)間T3，這是優(yōu)選的方案，從而使階段H3的持續(xù)時(shí)間與階段H2的持續(xù)時(shí)間相等。采樣階段H3結(jié)束后隨之是保持階段。該保持階段包括至少與第一采樣器的保持階段同時(shí)的某持續(xù)時(shí)間。公共部分從時(shí)間T3開始工作，直到下一個(gè)復(fù)位階段(時(shí)間T′0)。在該階段期間，第二采樣器產(chǎn)生正比于Vm-V3的電壓，其中，V3為Ve在時(shí)間T3處的數(shù)值，換句話說(shuō)，是測(cè)量脈沖后的參考值。
減法器接收來(lái)自兩個(gè)采樣器的輸出，并在下述的時(shí)間間隔內(nèi)獲得在時(shí)間T3之后在兩個(gè)采樣器的輸出端獲得的保持電壓電平之差，所述時(shí)間間隔由從時(shí)間T3到T′0的時(shí)間段H4或H4之內(nèi)的時(shí)間段進(jìn)行限定。
圖6顯示了來(lái)自圖5的測(cè)量電路的運(yùn)算信號(hào)的時(shí)序圖。
-線a以同步測(cè)量為例的周期性測(cè)量脈沖；-線b由測(cè)量電路檢測(cè)到的信號(hào)Ve；不存在脈沖時(shí)參考信號(hào)電平為Vr，但是Vr隨時(shí)間而改變；Vr剛好在測(cè)量脈沖之前等于V1，在時(shí)間T2時(shí)為V2，在時(shí)間T3時(shí)為V3，但是其電平在這些時(shí)間處不是精確知道的；然而，在時(shí)間T2處，測(cè)量的輸入信號(hào)Ve為Vm，表明了由測(cè)量脈沖引起的參考電平V2和有用電平的增大；-線c相應(yīng)于第一采樣器的復(fù)位階段H1的周期；其持續(xù)時(shí)間優(yōu)選與測(cè)量脈沖相同；它剛好在測(cè)量脈沖開始前的時(shí)間T1處結(jié)束；它開始于時(shí)間T0，從而使得T1-T0優(yōu)選等于測(cè)量脈沖的持續(xù)時(shí)間；-線d采樣信號(hào)H2；它剛好在復(fù)位信號(hào)H1結(jié)束后開始，并剛好在測(cè)量脈沖結(jié)束前的時(shí)間T2處結(jié)束；它的持續(xù)時(shí)間為測(cè)量脈沖的持續(xù)時(shí)間；這也是用于第二采樣器的復(fù)位信號(hào)；-線e第二采樣器的采樣信號(hào)H3；它從T2持續(xù)到T3；時(shí)間T3-T2優(yōu)選等于T2-T1和T1-T0；-線f周期H4(可選的)，使減法器僅在兩個(gè)采樣器的公共保持階段被激活，換句話說(shuō)，在時(shí)間T3后和下一測(cè)量前；以及-線g來(lái)自減法器的輸出Vs，其在時(shí)間間隔H4內(nèi)具有正比于[Vm-(V3+V1)/2]的數(shù)值，并且其可以為零或不為零，或者等于這些間隔之外的先前數(shù)值。
假定(V1+V3)/2可以被視為非常接近于V2，當(dāng)T3-T2等于T2-T1時(shí)情況通常是這樣，則數(shù)值Vs(在因數(shù)2或-2的范圍內(nèi))非常接近于理論值，其可以為Vm-V2。這假定Vr的形狀可以被認(rèn)為在時(shí)間階段T1、T3內(nèi)是近似線性的，而這種假定在許多應(yīng)用中是合理的。
圖7顯示了一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例，其中，所采用的采樣-保持電路是由圖4啟示的差分型采樣-保持電路；在這種情況下，它不必設(shè)置兩個(gè)差分采樣器和一個(gè)減法器以執(zhí)行本發(fā)明。實(shí)際上，僅通過(guò)增加其它帶開關(guān)的電容器，可以采用一單對(duì)運(yùn)算放大器或(以相同的方式的)具有兩個(gè)差分輸入端和兩個(gè)差分輸出端的差分放大器獲得相同的相關(guān)三重采樣功能。因此，圖7的電路圖始于圖4的電路圖或始于具有兩個(gè)運(yùn)算放大器AMPa和AMPb的差分采樣器的另一個(gè)電路圖，運(yùn)算放大器AMPa和AMPb的每一個(gè)都具有輸入電容器Ce1a和Ce1b和積分電容器Csa和Csb，以及容許以相關(guān)二次采樣模式工作的開關(guān)；此外，一對(duì)第二帶開關(guān)的輸入電容器Ce2a和Ce2b被加入到該電路中。代表待測(cè)信號(hào)的差分輸入電壓Ve被施加給那對(duì)第一輸入電容器Ce1a和Ce1b。該電壓Ve的相反數(shù)-Ve被施加給那對(duì)第二輸入電容器，其意味著從輸入端到兩個(gè)電容器的連接為交叉的。
更確切地，待測(cè)的差分電壓Ve由以電路的電子地為參考的兩個(gè)電壓Vep和Ven形成。電壓Vep被施加到與第一運(yùn)算放大器AMPa相連的第一輸入電容器Ce1a，并且它也被施加到與第二運(yùn)算放大器AMPb相連的第二輸入電容器Ce2b；類似地，電壓Ven被施加到第二放大器AMPb的第一輸入電容器Ce1b和第一放大器AMPa的第二輸入電容器Ce2a。
每個(gè)積分電容器都并聯(lián)在與它們分別相連的放大器的輸出端和反相輸入端(對(duì)于AMPa為Csa，對(duì)于AMPb為Csb)之間。放大器的同相輸入端接地。輸出Vsp是放大器AMPb的輸出，輸出Vsn是放大器AMPa的輸出；差分輸出電壓為Vs＝Vsp-Vsn。
圖7的虛線顯示了代表單個(gè)差分放大器的框AMP，表明使用兩個(gè)單端放大器或一個(gè)差分放大器是等價(jià)的。
輸入電容器全部相同。積分電容器彼此相同并且與輸入電容器成正比例k，其中，k取決于希望在輸出端獲得的電壓電平；如果k＝2，則在所有的開關(guān)都打開的保持階段，在放大器輸出端之間的差分輸出電壓Vs＝Vsp-Vsn等于[Ve-(V3+V1)/2]，其中，V3和V1具有與如上的相同含義，也就是在測(cè)量脈沖前的時(shí)間T1時(shí)和測(cè)量脈沖后的時(shí)間T3時(shí)的參考電壓值(差分)。如果k不等于2，則輸出電壓被k/2除。
開關(guān)控制信號(hào)時(shí)序圖與圖6中的相同，信號(hào)H4除外，其對(duì)于圖7的實(shí)施例不是必要的。
為了進(jìn)行相關(guān)三重采樣，以在時(shí)間T0和T2之間雙采樣并接著在時(shí)間T1和T3之間雙采樣的方式，如同參照?qǐng)D5和6所解釋的，在圖7的電路圖中設(shè)有-開關(guān)K1a和K1b，分別連接在輸入電容器Ce1a或Ce1b和地之間，其在第一雙采樣工作的復(fù)位期間H1(從T0到T1)是閉合的，以便能夠?qū)㈦娙萜鰿e1a充電至電壓V1p(時(shí)間T1時(shí)，輸入信號(hào)為Vep)并將電容器Ce1b充電至電壓V1n(時(shí)間T1時(shí)，輸入信號(hào)為Ven)；-開關(guān)K′1a和K′1b，分別連接在輸入電容器Ce1a或Ce1b和相連放大器(分別為AMPa或AMPb)的反相輸入端之間，這些開關(guān)在時(shí)間段H2(T1和T2之間)是閉合的，以便在時(shí)間間隔T1、T2內(nèi)將電容器Ce1a連接在輸入端Vep和放大器AMPa之間，還將電容器Ce1b連接在輸入端Ven和放大器AMPb之間；-開關(guān)K″1a和K″1b，分別與積分電容器Csa和積分電容器Csb并聯(lián)；-開關(guān)K2a和K2b，分別為電容器Ce2a和Ce2b配置，如同開關(guān)K1a和K1b分別為電容器Ce1a和Ce1b配置；回想到電容器Ce1a接受電壓Vep而電容器Ce1b接受電壓Ven；相反，電容器Ce2b接受Vep而電容器Ce2a接受Ven；開關(guān)K2a和K2b在階段H2閉合，該階段是用于第一雙采樣操作的采樣階段和用于第二雙采樣操作的復(fù)位階段；以及-開關(guān)K2′a和K2′b分別為放大器AMPa和AMPb配置，以及分別為電容器Ce1a和Ce1b配置；分別如同開關(guān)K′1a和K′1b；開關(guān)K′2a和K′2b在階段H3閉合，其是用于第二相關(guān)工作的采樣階段。
在階段H3之后并持續(xù)到開始于時(shí)間T′0的下一個(gè)測(cè)量步驟的保持階段，開關(guān)都打開。
在第一相關(guān)雙采樣工作中，從T0到T2，復(fù)位階段(H1)將積分電容器Csa和Csb上的電荷復(fù)位到零并分別將輸入電壓Vep和Ven施加給Ce1a和Ce1b，輸入電壓Vep和Ven隨后分別等于參考電平V1P和V1n，具有初始差分電平V1＝V1p-V1n。數(shù)值V1p、V1n及其差值V1代表測(cè)量脈沖前的參考電壓電平。隨后，采樣階段在T2處分開，電荷因此在Ce1a和Csa之間的Ce1a上復(fù)位，在與得自于待測(cè)有用信號(hào)的測(cè)量電壓Vep被施加到Ce1a的輸入端的同時(shí)；在放大器AMPa的輸出端，建立輸出電壓Vsn＝-(Vep-V1p)/2，假定積分電容器具有輸入電容器數(shù)值的兩倍。
類似地，在AMPb的輸出端建立電壓Vsp＝-(Ven-V1n)/2。
在同一時(shí)間(時(shí)間T2)，初始電荷被儲(chǔ)存在電容器Ce2a和Ce2b中，這是由于階段H2是第二相關(guān)雙采樣工作的復(fù)位階段。這些電荷為-在Ce2a上為相應(yīng)于電壓Ven的電荷；-在Ce2b上為相應(yīng)于電壓Vep的電荷。
在階段H3中，即第二相關(guān)雙采樣操作的采樣階段，Ce2a上的電荷被分在電容器Ce2a和電容器Csa之間；電容器Ce2b上的電荷被分在電容器Ce2b和電容器Csb之間。同時(shí)，在時(shí)間T3處，施加到Ce2a輸入端的電壓是Ven＝V3n而施加到Ce2b輸入端的電壓是Vep＝V3p。
V3n和V3p是時(shí)間T3時(shí)的輸入電壓，并相應(yīng)于該脈沖后的測(cè)量脈沖之外的參考電平。V3＝V3p-V3n是該時(shí)間T3時(shí)的差分參考電壓。
在放大器AMPa的輸出端，結(jié)果是電壓Vsn＝-(Vep-V1p)/2-(V3n-Ven)/2并且，在放大器AMPb的輸出端，電壓Vsp＝-(Ven-V1n)/2-(V3p-Vep)/2。
接著，AMPa和AMPb之間的差分輸出電壓為Vs＝Vsp-Vsn＝(Vep-Ven)-(V1p-V1n)/2-(V3p-V3n)/2Vs＝Ve-(V1+V3)/2因此，相對(duì)于參考電平(V1+V3)/2獲得了有用信號(hào)Ve的測(cè)量值，其為V1(測(cè)量脈沖前的參考)和V3(該脈沖后的參考)的中點(diǎn)。該中點(diǎn)參考電平為V1和V3的平均值，并代表對(duì)存在于時(shí)間T2處的可能參考電平的非常好的近似，其中，該電平是不可測(cè)量的，假定參考電平的變化可以被認(rèn)為是線性的，并假定T2離T1和T3是等距的。
在圖7的電路圖中，開關(guān)K″1a和K″1b被設(shè)置用于在采樣階段H2前周期性地將積分電容器Csa和Csb上的電荷復(fù)位到零。然而，這些開關(guān)是可選的實(shí)際上，可以提供另一個(gè)用于復(fù)位采樣-保持電路的部件。該部件在于通過(guò)帶開關(guān)的電容器將等于來(lái)自差分采樣器的輸出信號(hào)的平均值的相反數(shù)的電壓周期性地重新注入每個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。
在這種情況下，如圖8所示，在運(yùn)算放大器的輸出端布置積分濾波器FL，其接收來(lái)自采樣-保持電路的差分輸出并建立該輸出的平均值。在階段H1和H2內(nèi)，借助于帶開關(guān)的電容器系統(tǒng)，該平均值VM被重新注入到放大器AMPa和放大器AMPb的反相輸入端。
在如下情況下這種方案的優(yōu)點(diǎn)變得很明顯，即，對(duì)在同步測(cè)量模式中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量值進(jìn)行濾波在任何情況下對(duì)于測(cè)量檢測(cè)信號(hào)的平均值是必要的。在這種情況下，積分濾波器在任何情況下都是可用的，并因此優(yōu)選使用它而不是設(shè)置開關(guān)K″1a和K″1b。
圖9顯示了本發(fā)明特別適合的一種示例性應(yīng)用。這就是檢測(cè)車輛擋風(fēng)玻璃PB上的雨，目的是引起擋風(fēng)玻璃刮雨器的運(yùn)動(dòng)。使用了光電單元，其包含例如發(fā)光二極管D1和光電二極管D2。
在電路C1的控制下，發(fā)光二極管D1周期性地發(fā)射光脈沖。檢測(cè)光電二極管D2接收這些經(jīng)過(guò)擋風(fēng)玻璃反射的脈沖，但它也接收環(huán)境光。擋風(fēng)玻璃的反射系數(shù)取決于后者是否接收到雨。由光電二極管D2發(fā)給測(cè)量電路C2的信號(hào)是環(huán)境照明的測(cè)量值，但它在光脈沖期間增大，這是因?yàn)樗鄳?yīng)于環(huán)境照明的增加和由來(lái)自發(fā)光二極管D1發(fā)射到擋風(fēng)玻璃上而反射所提供的附加照明的增加。
根據(jù)本發(fā)明的電路C2為一種如上所述的電路。電路C1(或另一時(shí)序電路)根據(jù)以上解釋的電路圖為電路C2提供控制信號(hào)H1、H2、H3，使得電路C2以與電路C1同步的方式工作。
電路C2產(chǎn)生有用的信號(hào)值，如果需要的話進(jìn)行濾波，其被施加到判定電路C3。判定電路評(píng)價(jià)信號(hào)值并將它們與一個(gè)或多個(gè)閾值進(jìn)行比較，以確定是否存在有雨，并在檢測(cè)到雨的情況下控制擋風(fēng)玻璃刮雨器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)M的激活。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量方法，采用了與測(cè)量脈沖同步的檢測(cè)，其中，為了確定有用信號(hào)的數(shù)值，以與引起待測(cè)信號(hào)短暫增大的短測(cè)量脈沖同步的方式進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于為了部分補(bǔ)償該變化的影響，在待測(cè)信號(hào)的參考電平的脈沖持續(xù)期間，它包括在采樣-保持電路中執(zhí)行的以下步驟-在測(cè)量脈沖剛好開始前的時(shí)間T1和測(cè)量脈沖剛好結(jié)束前的時(shí)間T2之間進(jìn)行第一相關(guān)雙采樣，該雙采樣提供信號(hào)測(cè)量值Vm，其被認(rèn)為與該脈沖開始前的參考電平V1相關(guān)；-并且在時(shí)間T2和測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3之間進(jìn)行第二相關(guān)雙采樣，該第二采樣提供信號(hào)測(cè)量值Vm的表示，其被認(rèn)為與脈沖結(jié)束后存在的參考電平V3相關(guān)；-并建立來(lái)自兩次測(cè)量的信號(hào)電平之差，該差值表示信號(hào)值Vm，其被認(rèn)為與在時(shí)間T1和T3處的參考電平之間中間的參考電平相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于時(shí)間間隔T3-T2基本上等于T2-T1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于時(shí)間間隔T3-T2基本上等于測(cè)量脈沖的持續(xù)時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于時(shí)間間隔T2-T1基本上等于T1-T0。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于時(shí)間間隔T2-T1基本上等于測(cè)量脈沖的持續(xù)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的測(cè)量方法，其特征在于它用于測(cè)量車輛擋風(fēng)玻璃上的雨，所述測(cè)量脈沖是向擋風(fēng)玻璃發(fā)射并被反射的光脈沖，反射的反射系數(shù)取決于擋風(fēng)玻璃上是否有雨。
7.一種測(cè)量裝置，采用了與測(cè)量脈沖同步的檢測(cè)，該脈沖可引起待測(cè)信號(hào)的短暫增大，包括至少一個(gè)采樣-保持，其特征在于它包括與測(cè)量脈沖同步的開關(guān)部件，以便通過(guò)所述采樣-保持進(jìn)行工作-在測(cè)量脈沖剛好開始前的時(shí)間T1和測(cè)量脈沖剛好結(jié)束前的時(shí)間T2之間進(jìn)行第一相關(guān)雙采樣，該雙采樣提供信號(hào)測(cè)量值Vm，其被認(rèn)為與該脈沖開始前的參考電平V1相關(guān)；-并且在時(shí)間T2和測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3之間進(jìn)行第二相關(guān)雙采樣(優(yōu)選T3-T2＝T2-T1)，該第二采樣提供信號(hào)測(cè)量值Vm的表示，其被認(rèn)為與脈沖結(jié)束后存在的參考電平V3相關(guān)；-該測(cè)量裝置包括用于建立來(lái)自兩次測(cè)量的信號(hào)電平之差的部件，該差值表示信號(hào)值Vm，其被認(rèn)為與在時(shí)間T1和T3處的參考電平之間中間的參考電平相關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于它包括建立電壓電平V1-Vm和Vm-V3的兩個(gè)采樣-保持(ECH1，ECH2)和在采樣器輸出端的減法器，用于求差值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述采樣-保持是差分型的，并包括具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端的差分放大器(AMPa，AMPb)，每個(gè)輸入端與位于該輸入端上游的第一和第二輸入電容器(Cea1，Cea2；Ceb1，Ceb2)相連，并且也與連接在放大器的該輸入端和相應(yīng)輸出端之間的積分電容器(Csa，Csb)相連，連接到第一輸入電容器的采樣器的信號(hào)輸入端與連接到第二輸入電容器的信號(hào)輸入端交叉；開關(guān)部件包括-用于使采樣-保持作為相關(guān)雙采樣-保持而工作的部件(K1a，K′1a，K1b，K′1b)，該相關(guān)雙采樣器使用積分電容器和第一輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第一輸入電容器上施加代表時(shí)間T1處的參考信號(hào)V1的差分輸入電壓V1p-V1n，并隨后施加代表時(shí)間T2處的測(cè)量信號(hào)Vm的差分輸入電壓Vmp-Vmn實(shí)現(xiàn)；-用于使采樣-保持作為相關(guān)雙采樣器而工作的部件(K2a，K′2a，K2b，K′2b)，該相關(guān)雙采樣器使用積分電容器和第二輸入電容器，通過(guò)開始時(shí)在第二輸入電容器上施加代表時(shí)間T2處的有用信號(hào)的相反數(shù)-Vm的差分輸入電壓Vmn-Vmp，并隨后施加代表時(shí)間T3處的參考信號(hào)的相反數(shù)-V3的差分輸入電壓V3n-V3p實(shí)現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于運(yùn)算放大器配備有用于周期性地使積分電容器放電的開關(guān)(K″1a，K″1b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于提供一種部件(FL)，用于向每個(gè)運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端周期性地施加代表差分采樣器的輸出信號(hào)的平均值的相反數(shù)的電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過(guò)同步檢測(cè)而測(cè)量參考電平未知且易發(fā)生大的波動(dòng)的弱信號(hào)的電路。在測(cè)量脈沖剛好開始前的時(shí)間T1和測(cè)量脈沖剛好結(jié)束前的時(shí)間T2之間進(jìn)行第一相關(guān)雙采樣；之后，在時(shí)間T2和測(cè)量脈沖結(jié)束后的時(shí)間T3之間進(jìn)行第二相關(guān)雙采樣。最后，提取來(lái)自兩次測(cè)量的信號(hào)電平之差，該差值代表信號(hào)值Vm，其被認(rèn)為與時(shí)間T1和T3處的參考電平之間中間的參考電平相關(guān)。應(yīng)用通過(guò)疊加在環(huán)境照明上光脈沖的發(fā)射和所接收光的同步檢測(cè)，對(duì)光通過(guò)介質(zhì)的光透射或反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G11C27/02GK1947020SQ200580012482
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者T·馬森, F·薩爾維 申請(qǐng)人:愛(ài)特梅爾格勒諾布爾公司