一種超低功耗事件驅動型模/數轉換器及其壓縮采樣方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及模/數轉換器領域，特別涉及一種超低功耗事件驅動型模/數轉換器 及其壓縮采樣方法。
【背景技術】
[0002] 在絕大多數電路系統中，模/數轉換器是最為關鍵的一個模塊，因為其采樣方式 以及采樣精度將決定接下來的采樣樣本的傳輸、存儲以及處理等。在一些特別的應用中，如 無人區的傳感器、植入生物體內的傳感器等。這一類應用的電子設備絕大部分由電池供電， 且其電池更換過程人工成本極大，甚至不可更換。因此，采樣超低功耗的模/數轉換器以及 被檢測信號進行壓縮采樣將極大延長整個網絡壽命從而降低系統成本。
[0003]在傳統設計中，等時間間隔時鐘驅動的模/數轉換器的采樣率由奈奎斯特采樣頻 率決定，見圖1。而由信號的時頻分析可知，大自然的絕大部分信號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。如若對輸入信號不加區分的均采用 奈奎斯特采樣頻率進行采樣會浪費大量系統能量。尤其在輸入信號的靜息期遠大于活躍 期，這一浪費現象更為嚴重。因此這一采樣方式不適用于超低功耗系統的應用設計。
[0004] 結合信號本身的特征，為了實現超低功耗系統，研宄者提出由事件驅動的采樣 (Event-DrivenSampling)，可以實現低于奈奎斯特采樣率的采樣。其基本思想如圖2所 示，當輸入信號變化超過預設閾值（即輸入信號觸發事件），系統通過記錄觸發時間的時刻 以及觸發閾值對輸入信號進行采樣。其輸出樣本由一系列的觸發時刻及觸發時刻所對應的 閾值共同確定。在輸入信號靜息期（輸入信號變化不劇烈時），采樣樣本較少，當信號處于 活躍期（輸入信號變化換劇烈時）采樣樣本較多。這一采樣系統通過減少在均勻采樣中的 冗余采樣樣本量所帶來的一系列系統功耗開銷來降低整個系統功耗，進而實現超低功耗 系統。
[0005] 事實上，上世紀60年代托莫維奇（Tomovic)和貝奇（Bekey)等人就提出事件驅 動型的采樣策略。然而，由于當時半導體行業發展和市場應用需求等諸多因素，這一采樣 方法未被重視起來。近年，超低功耗系統大量的應用需求，使得這一采樣策略成為研宄 熱點。哥倫比亞大學著名教授揚尼斯（YannisTsividis)、美國塔夫茨大學孫庫斯爾教授 (Sonkusale)、荷蘭的瑟金教授（Serdijn)等多個國際頂尖科研團隊都針對這一采樣方法 進行了廣泛研宄，并取得了諸多成果。
[0006] 事件驅動型超低功耗模數轉換器及其壓縮采樣方法為實現超低功耗系統開辟了 全新途徑。然而這一技術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 隊提出的采樣方法：當輸入信號Vin穿越采樣上界VH(下界VJ時，輸入信號被下拉（上提） 至閾值中界VM的位置生成預處理信號V"。隨后預處理信號會繼續跟隨輸入信號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。通過記錄預處理 信號￥"穿過閾值的時間，及閾值類型，即可得到一組由離散時間點及該時間點處所對應信 號電壓的事件驅動型采樣序列。然而，在其提出的采樣算法中并未考慮信號中混有噪聲這 一極為常見的情況。當輸入信號混有噪聲，每當信號觸碰到某一個預設閾值邊界，以閾值上 界％為例，預處理信號將會被下拉至閾值中界VM，然而信號中的噪聲將會極有可能再多次 觸碰到閾值中界VM，產生大量無用采樣脈沖！K如此一來系統將不得不為一由噪聲導致的 無用樣本的采樣、存儲、傳輸、處理等浪費大量能量。
【發明內容】
[0007] 本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種超低功耗事件驅動型模/數轉 換器及其壓縮采樣方法，采用遲滯采樣方法將噪聲帶來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系統帶來的功耗。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的：
[0009] 本發明提供一種超低功耗事件驅動型模/數轉換器，其包括：
[0010] 非均勻lbit數/模轉換模塊：用于接收待轉換的模擬輸入信號，并將所述模擬輸 入信號轉換為位于閾值上下界之間的預處理信號；還用于接收控制邏輯的反饋控制信號， 將所述預處理信號上拉至閾值近上界或下拉至閾值近下界；
[0011] 區域比較器：用于對所述預處理信號和所述閾值近上界進行比較和/或對所述預 處理信號和所述閾值近下界進行比較，輸出區域指示信號；
[0012] 采樣比較器：用于接收所述區域指示信號，并判斷所述預處理信號是否穿越出閾 值上下界之間的區域，如穿越出，輸出采樣脈沖信號；
[0013] 控制邏輯：用于接收所述區域指示信號和采樣脈沖信號，輸出反饋控制信號給所 述非均勻lbit數/模轉換模塊。
[0014] 本發明采用遲滯采樣方法，即當預處理信號觸碰閾值上界時，將其下拉至閾值近 下界（靠近閾值下界）；當預處理信號觸碰閾值下界時，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中所夾雜的 噪聲帶來的虛假采樣，進一步節約了系統功耗。
[0015] 較佳地，所述非均勻lbit數/模轉換模塊采用電荷共享機制將所述預處理信號上 拉至閾值近上界或下拉至閾值近下界；采用電荷共享機制進一步簡化了轉換器的設計。
[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換的模擬輸入信號所夾雜噪聲電壓的標準差的三倍；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設的 最低有效位電壓（即系統的最小分辨率）。模擬輸入信號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準差電壓時，其虛假采樣發生率可以降低至零倍噪聲標準差 電壓的1%，即可以極大降低虛假采樣；轉換器的分辨率由具體應用需求決定，較高的分辨 率獲得的樣本所還原出信號的信噪比更高，但其系統功耗以及數據量也會相應增加；同理， 較低的分辨率雖然在還原時的信噪比不高，但其功耗以及數據量相對較小，在滿足系統功 耗以及信噪比的前提下，據此設計出的最低有效位可以保證一定的系統功耗前提下獲得較 好的信噪比。
[0017] 較佳地，所述非均勻lbit數/模轉換模塊與所述采樣比較器之間通過三選二開關 相連；所述三選二開關用于將所述閾值上界和所述預處理信號輸入到所述采樣比較器的兩 個輸入端或將所述閾值下界和所述預處理信號輸入到所述采樣比較器的兩個輸入端。
[0018] 較佳地，所述閾值近上界和所述閾值近下界通過二選一開關連接到所述區域比較 器的一輸入端；所述二選一開關用于將所述閾值近上界或所述閾值近下界輸入到所述區域 比較器的一輸入端。
[0019] 本發明還提供一種超低功耗事件驅動型模/數轉換器的壓縮采樣方法，其包括以 下步驟：
[0020] S11 :將待轉換的模擬輸入信號轉換為位于閾值上下界之間的預處理信號；
[0021] S12:將所述預處理信號與閾值近上界以及閾值近下界進行比較，判斷預處理信號 所在的區域，輸出區域指示信號；
[0022] S13:根據區域指示信號，將所述預處理信號以及所述閾值下界輸出，或者將所述 預處理信號以及所述閾值上界輸出；同時將所述預處理信號以及所述閾值近下界輸出，或 將所述預處理信號以及所述閾值近上界輸出；
[0023] S14:將所述預處理信號和所述閾值上界進行比較或者將所述預處理信號和所述 閾值下界進行比較，判斷是否進行采樣動作觸發，是則轉入步驟S15,否則重復步驟S14 ;
[0024] S15 :觸發采樣動作，產生采樣脈沖信號；
[0025] S16:根據所述采樣脈沖信號和所述區域指示信號將所述預處理信號下拉至所述 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：將所述預處理信號與閾值近下界進行比較，當所 述預處理信號小于所述閾值近下界時，輸出電平由低電平變為高電平或由高電平變為低電 平，當所述預處理信號大于所述閾值近下界時，將所述預處理信號與所述閾值近上界進行 比較，當所述預處理信號小于閾值