一种事件触发型模数转换器和一种医疗电子设备

技术领域

本发明涉及生物医学电路领域，尤其涉及一种事件触发型模数转换器和一种医疗电子设备。

背景技术

生物信号基本上有着低频、低速、易受到噪声干扰等特性。随着高龄化社会的到来，医疗电子的使用逐渐的普及化。许多医用电子产品往往都是将经过数字化的生物信号来做特性萃取与算法分析，来判断人们的生理状况。其中最重要的功能模块是模拟数字转换器(ADC)。目前实现ADC功能包括两大类：Nyquist rate ADC和Level Crossing ADC。

目前由于Nyquist rate ADC是在固定时间间隔采样，所以导致其功耗较高，而对于医疗电子设备来说，功耗是一个非常关键的性能指标，功耗的降低是设计者追求的目标。因此，Level Crossing ADC更广泛的被应用于医疗电子设备中。

但Level Crossing ADC为事件触发型的ADC，因此其只能在生物信号的信号电压超过参考电压范围时，才会对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，而在生物信号的信号电压未超过参考电压范围时，不会对生物信号进行采样，这就导致其最终模数转换的结果与实际的生物信号偏差较高，模数转换结果的准确度较低。

发明内容

本发明提供一种事件触发型模数转换器和一种医疗电子设备，提高了LevelCrossing ADC模数转换结果的准确度。

本发明实施例第一方面提供一种事件触发型模数转换器，所述模数转换器包括：粗量化电路、细量化电路；

所述粗量化电路对第一生物信号进行量化，得到所述第一生物信号对应的第一码值，所述第一码值表征所述第一生物信号中事件触发时间的集合；

所述细量化电路对第二生物信号进行量化，得到所述第二生物信号对应的第二码值，所述第二码值表征所述第二生物信号中事件触发时间的集合；

其中，所述第一生物信号为信号电压超过参考电压范围的生物信号；

所述第二生物信号为信号电压未超过参考电压范围的生物信号；

所述第一码值与所述第二码值的和值即为所述模数转换器量化的结果。

可选地，所述细量化电路包括：电压时间转换单元、n-bit计数器；

所述电压时间转换单元将所述参考电压范围转换成时间信号，输出至所述n-bit计数器；

所述n-bit计数器对所述时间信号进行计数，得到所述第二码值。

可选地，所述电压时间转换单元包括：开关、电容、第三比较器以及电流源；

所述开关的第一端接收所述第二生物信号的当前电压值；

所述开关的第二端与所述电容的第一端、所述第三比较器的反相端以及所述电流源分别连接；

所述第三比较器的同相端接收所述参考电压范围的上限值；

所述第三比较器的输出端与所述n-bit计数器连接；

所述电容的第二端接地。

可选地，所述粗量化电路包括：第一比较器、第二比较器、控制单元、上下数计数器以及参考电压单元；

所述第一比较器的同相端和所述第二比较器的反相端均接收所述第一生物信号的当前电压值；

所述第一比较器的反相端与所述参考电压单元的第一端连接；

所述第二比较器的同相端与所述参考电压单元的第二端连接；

所述控制单元与所述第一比较器的输出端、所述第二比较器的输出端以及所述上下数计数器分别连接；

所述上下数计数器与所述参考电压单元的第三端连接。

可选地，所述控制单元包括：环形振荡器、延迟单元、或门、与非门以及非门；

所述或门的第一输入端与所述第一比较器的输出端连接；

所述或门的第二输入端与所述第二比较器的输出端连接；

所述或门的输出端与所述延迟单元的第一端连接；

所述延迟单元的第二端与所述与非门的第一输入端连接；

所述与非门的输出端与所述非门的输入端、所述环形振荡器的第一端分别连接；

所述环形振荡器的第二端与所述与非门的第二输入端连接；

所述非门的输出端输出粗量化时钟信号。

可选地，所述开关受控于细量化时钟信号；

当所述细量化时钟信号为高电平时，所述开关闭合，所述电容对所述第二生物信号的当前电压值进行采样；

当所述细量化时钟信号为低电平时，所述开关断开，所述电流源对所述电容进行充电，使得所述第三比较器的反相端的电压升高；

当所述第三比较器的反相端的电压大于所述参考电压范围的上限值，所述第三比较器输出高电平；

所述n-bit计数器对所述开关断开至所述第三比较器输出高电平的区间进行计数，得到所述第二码值。

可选地，所述细量化时钟信号由主时钟信号产生，所述细量化时钟信号与所述粗量化时钟信号互斥；

当所述粗量化时钟信号产生时，所述主时钟信号不产生所述细量化时钟信号。

可选地，所述环形振荡器的延迟时间远大于所述延迟单元的延迟时间；

当所述第一生物信号的当前电压值大于所述参考电压范围的上限值，所述第一比较器的输出端为高电平，所述第二比较器的输出端为低电平，所述非门的输出端产生所述粗量化时钟信号并输出；

当所述第一生物信号的当前电压值小于所述参考电压范围的下限值，所述第一比较器的输出端为低电平，所述第二比较器的输出端为高电平，所述非门的输出端产生所述粗量化时钟信号并输出；

当所述第一生物信号的当前电压值在预设时间内持续变化，且电压值持续大于所述参考电压范围的上限值，则所述预设时间内，所述第一比较器的输出端持续为高电平，所述第二比较器的输出端持续为低电平，触发所述环形振荡器和所述延迟单元开始振荡，所述非门的输出端产生多余的粗量化时钟信号并输出，使得所述参考电压范围变化跟上所述第一生物信号的当前电压值；

当所述第一生物信号的当前电压值在预设时间内持续变化，且电压值持续小于所述参考电压范围的下限值，则所述预设时间内，所述第一比较器的输出端持续为低电平，所述第二比较器的输出端持续为高电平，触发所述环形振荡器和所述延迟单元开始振荡，所述非门的输出端产生多余的粗量化时钟信号并输出，使得所述参考电压范围变化跟上所述第一生物信号的当前电压值。

可选地，所述环形振荡器的延迟时间范围包括：几百纳秒至几微秒；

所述延迟单元的延迟时间范围包括：几百皮秒至几纳秒。

本发明实施例第二方面提供一种医疗电子设备，所述医疗电子设备包括：如第一方面任一所述的模数转换器。

本发明提供的事件触发型模数转换器，粗量化电路对超过参考电压范围的生物信号进行量化，得到其对应的第一码值；细量化电路对未超过参考电压范围的生物信号进行量化，得到其对应的第二码值，两个码值各表征了各自对应生物信号中事件触发时间的集合，因此，两个码值的和值即为模数转换器量化的结果。

本发明的事件触发型ADC，不但在生物信号的信号电压超过参考电压范围时，对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，而且在生物信号的信号电压未超过参考电压范围时，也对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，这就使得ADC最终模数转换的结果与实际的生物信号偏差极小，模数转换结果的准确度较高。本发明的事件触发型ADC具有较高的实用性价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种优选的事件触发型模数转换器的粗量化电路结构示意图；

图2是本发明实施例中一种优选的事件触发型模数转换器的细量化电路的结构示意图；

图3是本发明实施例中控制单元CL的结构示意图；

图4是本发明实施例中中电压时间转换单元VTC的结构示意图；

图5是本发明实施例中，细量化时钟信号Fine_CK的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的事件触发型模数转换器包括：粗量化电路、细量化电路；粗量化电路对第一生物信号进行量化，得到第一生物信号对应的第一码值，所谓第一生物信号即为信号电压超过参考电压范围的生物信号，而第一码值表征第一生物信号中事件触发时间的集合。

细量化电路对第二生物信号进行量化，得到第二生物信号对应的第二码值，所谓第二生物信号为信号电压未超过参考电压范围的生物信号，第二码值表征第二生物信号中事件触发时间的集合；第一码值与第二码值的和值即为事件触发型ADC量化的结果。

本发明实施例的事件触发型ADC，不但在生物信号的信号电压超过参考电压范围时，对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，而且在生物信号的信号电压未超过参考电压范围时，也对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，这就使得事件触发型ADC最终模数转换的结果与实际的生物信号偏差极小，模数转换结果的准确度较高。

参照图1，示出了本发明实施例中一种优选的事件触发型模数转换器的粗量化电路结构示意图，参照图2，示出了本发明实施例中一种优选的事件触发型模数转换器的细量化电路的结构示意图。结合图1和图2，粗量化电路包括：第一比较器UA1、第二比较器UA2、控制单元CL、上下数计数器U/D以及参考电压单元RG；细量化电路包括：电压时间转换单元VTC和n-bit计数器GN，其中，n-bit计数器GN实质上等同于时间数字转换单元TDC。

本发明实施例中，优选的粗量化电路结构可以为：第一比较器UA1的同相端和第二比较器UA2的反相端均接收第一生物信号的当前电压值V

本发明实施例中的两个比较器均使用了带有迟滞(Hysteresis)功能的结构，原因是为了防止带有噪声的输入信号穿越参考电压范围V

具体工作时，当输入信号(即第一生物信号的当前电压值V

上述粗量化电路中，当第一生物信号的脉冲到来时，由于其是高频信号，可能出现参考电压单元RG产生的window跟随不上第一生物信号的变化，为了克服这一问题，发明人创造性的提出了全新的控制单元CL。参照图3，示出了本发明实施例中控制单元CL的结构示意图，该控制单元CL包括：

环形振荡器delay1、延迟单元delay2、或门or、与非门nand以及非门not；或门or的第一输入端与第一比较器UA1的输出端连接；或门or的第二输入端与第二比较器UA2的输出端连接；或门or的输出端与延迟单元delay2的第一端连接；延迟单元delay2的第二端与与非门nand的第一输入端连接；与非门nand的输出端与非门not的输入端、环形振荡器delay1的第一端分别连接；环形振荡器delay1的第二端与与非门nand的第二输入端连接；非门not的输出端输出粗量化时钟信号Coarse_CK。

本发明实施例中，环形振荡器delay1实质上可以由多个延迟单元组合而成，其作用是使得其延迟时间远大于延迟单元delay2的延迟时间，因此在图示上使用了delay1和delay2来区别。其中，环形振荡器delay1的延迟时间范围包括：几百纳秒(ns)至几微秒(us)，即，纳秒级至微秒级；延迟单元delay2的延迟时间范围包括：几百皮秒(ps)至几纳秒(ns)，即，皮秒级至纳秒级。这样使得B点信号的变化远远慢于A点信号的变化。

假若第一生物信号的变化不陡峭，那么当第一生物信号的当前电压值V

可以理解的是，当第一生物信号的当前电压值V

假若第一生物信号的变化陡峭，那么第一生物信号的当前电压值V

通过上述方式，本发明实施例的粗量化电路就可以对第一生物信号进行准确的量化，得到准确度很高的第一码值，实现模数转换。

本发明实施例中，优选的细量化电路结构可以包括：电压时间转换单元VTC和n-bit计数器GN。电压时间转换单元VTC将参考电压范围转换成时间信号，输出至n-bit计数器GN；n-bit计数器GN对时间信号进行计数，得到第二码值。

具体的，参照图4，示出了本发明实施例中电压时间转换单元VTC的结构示意图，电压时间转换单元VTC包括：开关S1、电容C、第三比较器UA3以及电流源I；开关S1的第一端接收第二生物信号的当前电压值V

开关S1的第二端与电容C的第一端、第三比较器UA3的反相端以及电流源I分别连接；第三比较器UA3的同相端接收参考电压范围的上限值V

本发明实施例中，开关S1受控于细量化时钟信号Fine_CK；当细量化时钟信号Fine_CK为高电平时，开关S1闭合，电容C对第二生物信号的当前电压值V

参照图5，示出了本发明实施例中，细量化时钟信号Fine_CK的结构原理图，细量化时钟信号Fine_CK基于主时钟信号MCK产生，借由一个计数器G

基于上述事件触发型模数转换器，本发明实施例还提供一种医疗电子设备，所述医疗电子设备包括：如上任一所述的模数转换器。

通过上述实施例，本发明的事件触发型模数转换器，粗量化电路对超过参考电压范围的生物信号进行量化，得到其对应的第一码值；细量化电路对未超过参考电压范围的生物信号进行量化，得到其对应的第二码值，两个码值各表征了各自对应生物信号中事件触发时间的集合，因此，两个码值的和值即为模数转换器量化的结果。

本发明的事件触发型ADC，不但在生物信号的信号电压超过参考电压范围时，对生物信号进行采样，进而量化得到对应的数字码值，并且重新设计了控制单元的逻辑，在生物信号的变化陡峭时，控制单元产生多余的粗量化时钟信号Coarse_CK并输出至上下计数器U/D，从而使得参考电压范围的变化跟上生物信号的当前电压值的变化，对生物信号进行准确的量化。在生物信号的信号电压未超过参考电压范围时，也对生物信号进行采样，电压时间转换单元将参考电压范围转换成时间信号，输出至n-bit计数器；n-bit计数器对时间信号进行计数，进而量化得到对应的数字码值，最后综合粗量化电路和细量化电路的码值得到最终的模数转换结果，这就使得ADC最终模数转换的结果与实际的生物信号偏差极小，模数转换结果的准确度较高。本发明的事件触发型ADC具有较高的实用性价值。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。