采用Σ-Δ调制技术的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法与流程

采用
σ-δ
调制技术的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法
技术领域
1.本发明涉及一种采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器，特别是涉及一种模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法，其可以使σ-δ调制器产生的一位数据流通过光信道后被准确地恢复。


背景技术：

2.光电耦合组件是以光作为媒介来传输电信号的一种电路组件，其功能是提供输入电路及输出电路之间的电气隔离，在需要时可以使电信号通过电气隔离层的方式传送。
3.图1显示传统的采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器(optical isolated amplifier)的电路方框图。模拟输入信号经过σ-δ调制器转换成为高速串行的一位的数据流(one bit data stream)，它由逻辑“1”电位和逻辑“0”电位构成，数据流中逻辑“1”的密度与输入模拟信号幅度成正比，然后数据流经编码器进行编码，经过编码的数据流驱动光源，将编码的数据信号变为光信号，然后通过光学检测和光放大电路将光信号转换为数据流，然后通过译码器还原为一位的数据流，然后通过数字模拟转换器转换为模拟信号。由于模拟信号的幅度和一位数据流中，逻辑“1”电位的密度成正比，通过译码器后精确地恢复一位流在光隔离放大器设计中变得至关重要。如图1所示，传统的采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器10包括一调制器11、一编码器12、一光源13、一光传感器14以及一译码器15。调制器11为模拟数字调制器，可以将输入的模拟信号转换为一位的数字信号，编码器12电连接调制器11，其接收数字信号，并编码数字信号，光源13电连接编码器12，接收编码的数字信号，并以编码的数字信号驱动光源13输出光信号。光传感器14感测光信号，并将光信号转换为数字信号，译码器15电连接光传感器14，接收数字信号，并译码输出模拟信号。
4.然而，在传统的采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器10中，模拟输入信号经过σ-δ调制器转换成为高速串行的一位的数据流，这种高速的数据流通过由光驱动器、光源、光检测器和光放大器等电路构成的光信道时，会发生脉冲形变，上升沿和下降沿等的改变。如果采用传统的编码、译码方法，无法精确地在译码后，恢复σ-δ调制器产生的一位流。图2显示传统的采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器的波形示意图，如图2所示，调制器11的数字信号21会通过编码器12转换为编码数字信号22，编码器12输出的编码数字信号22脉冲宽度不同于译码器11的输出信号23，也就是说数据流中逻辑“1”的密度发生了变化，译码后的一位流的这些变化，经过σ-δ数模转换器，转化回模拟信号后，转化为光隔离放大器的失调电压增加(vos)、信噪比降低或线性降低等问题。
5.而且，不同信号脉冲宽度在通过由光源驱动器、光传感器构成的光通道时会有不同的信号变形，例如不同的脉冲上升沿、不同的脉冲下降沿或不同的延时，因此通过译码器所得到的新的一位数据流会与σ-δ调制器生成的一位数据流有差异。我们知道模拟输入信号经过σ-δ调制器转换成为一位数据流，这种数据流中“1”的密度与输入模拟信号幅度成正比。因此，脉冲的形变、上升沿和下降沿等的改变，会导致通过光通道的数据流中“1”的
密度发生变化，这种变化在经过σ-δ数模转换器后，转化为光隔离放大器的失调电压增加(vos)、信噪比降低或线性降低等问题。
6.故存在一种需求，如何通过电路设计，在仿真光耦隔离放大器中使σ-δ调制器产生的一位的数据流通过光信道后可以被精确地恢复。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种编码和译码的方法，这种编码器和译码器，可以使σ-δ调制器产生的一位流通过光通道后可以被精确地恢复。
8.为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法，模拟光耦隔离放大器包括一编码器、一光源驱动器，一光源、一光传感器与一译码器，编码和译码方法包括：当一输入数字信号产生输入脉冲上升沿或与输入脉冲下降沿时，通过编码器产生具有预定脉冲宽度的一第一脉冲，预定脉冲宽度为调制器时钟的10％到25％，以保障第一脉冲可以有效地通过光通道；输出具有多个第一脉冲的一编码信号至光源驱动器；根据编码信号的多个第一脉冲，通过光源驱动器，驱动所述光源，输出一编码光信号；通过光传感器感测编码光信号以产生一感测信号，且感测信号具有对应编码信号的多个第一脉冲的多个第二脉冲；根据具有多个第二脉冲的感测信号，通过译码器复制出编码器的输入数字信号。
9.本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法，其能通过在编码器设置双边沿触发信号产生器以及在译码器中设置上升沿触发信号译码器的技术方案，以提升光耦隔离放大器的输出信号准确性，减少光隔离放大器的失调电压(vos)，增加信噪比，改善模拟光隔离放大器的线性性
10.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
11.图1显示传统的光耦隔离放大器的电路方框图。
12.图2显示传统的光耦隔离放大器的波形示意图。
13.图3为本发明的光耦隔离放大器的方框图。
14.图4为本发明模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法的流程图。
15.图5为本发明光耦隔离放大器的波形示意图。
16.图6为本发明实施例的译码器的电路示意图。
17.图7为本发明实施例的编码器的电路示意图。
具体实施方式
18.以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种
修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
19.应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
20.为了解释清楚，在一些情况下，本技术可被呈现为包括包含功能块的独立功能块，包含装置、装置组件、软件中实施的方法中的步骤或路由，或硬件及软件的组合。
21.实施根据这些公开方法的装置可以包括硬件、固件及/或软件，且可以采取任何各种形体。这种形体的典型例子包括笔记本电脑、智能电话、小型个人计算机、个人数字助理等等。本文描述的功能也可以实施于外围设备或内置卡。通过进一步举例，这种功能也可以实施在不同芯片或在单个装置上执行的不同程序的电路板。
22.该指令、用于传送这样的指令的介质、用于执行其的计算资源或用于支持这样的计算资源的其他结构，是为用于提供在这些公开中所述的功能的手段。
23.本发明实施例
24.图3为本发明的模拟光耦隔离放大器的方框图，图4为本发明采用σ-δ调制技术的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法的流程图，图5为本发明的模拟光耦隔离放大器的波形示意图。如图3所示，本发明的模拟光耦隔离放大器30，其至少包括：一调制器31、一编码器32、一光源驱动器33、光源34、一光传感器35、一译码器36、一数字模拟转换器37以及一低通滤波器38。
25.请参阅图3、图4以及图5，在步骤s401中，通过调制器31将输入模拟信号sia转换为输入数字信号si。调制器31优选为积分-微分调制器，或称为sigma-delta(σ-δ)调制器或脉冲密度(pulse density modulation，pdm)调制器。积分-微分调制器是一种数字模拟转换的电路，可以将模拟信号转换为数字信号，也就是说将模拟信号取样转换为一位的数字信号，其优点在于可以对噪声进行整型并对量化噪声进行有效的抑制，具有较高的信噪比(snr)，由微分器、积分器构成的δσ调制电路，会因其微分特性而对量化噪声(quantization noise)产生一种高通滤波的效果。有关于积分-微分调制器的原理为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。在本发明的优选实施例中，输入信号为一种输入模拟信号sia，输入模拟信号sia传输至调制器31，调制器31将输入模拟信号sia转换为输入一位的数字信号si。
26.在步骤s402中，当一输入数字信号si产生输入脉冲上升沿或输入脉冲下降沿时，通过编码器32产生具有多个第一脉冲coded_pulses的一编码信号s，每个第一脉冲coded_pulse具有一预定脉冲宽度。编码器32电连接调制器31，编码器32可用于编码从调制器31传输而来的输入数字信号si。进一步来说，编码器32可检测调制器31产生的输入数字信号si的输入脉冲上升沿(rising edge)或输入脉冲下降沿(falling edge)，并根据输入数字信号si的输入脉冲上升沿或输入脉冲下降沿产生具有预定脉冲宽度的第一脉冲coded_pulses。
27.在步骤s403中，输出具有多个第一脉冲coded_pulses的一编码信号se至光源驱动
器33。详细来说，编码器32优选为一双边缘触发信号编码器，双边缘触发信号编码器接收调制器31的输入数字信号si，根据调制器31的输入数字信号si，双边缘触发信号编码器会在输入数字信号si的输入脉冲上升沿或输入脉冲下降沿发生时，产生具有预定脉冲宽度的第一脉冲coded_pulses。换句话说，当双边缘触发信号编码器检测到调制器31的输入数字信号si的输入脉冲上升沿或输入脉冲下降沿时，即会产生具有预定脉冲宽度的第一脉冲coded_pulses，每个第一脉冲coded_pulses的脉冲宽度相同，而多个具有预定脉冲宽度的第一脉冲coded_pulses组合成编码信号se。
28.在步骤s404中，根据编码信号se的多个第一脉冲coded_pulses，通过光源驱动器33驱动光源34以输出一编码光信号sp。光源驱动器33电连接编码器32与光源34，接收编码器32输出的具有多个第一脉冲coded_pulses的编码信号se，根据具有多个第一脉冲coded_pulses的编码信号se，光源驱动器33可驱动光源34输出编码光信号sp。光源34优选为发光二极管(led)，但在不同实施例，光源34也可以由不同发光体所构成，在此并不局限。光源驱动器33接收从编码器32输出的具有多个第一脉冲coded_pulses的编码信号se以驱动光源34发光，进而输出一编码光信号sp，换句话说，光源34输出的编码光信号sp对应于编码信号se。
29.接着，在步骤s405，通过光传感器35感测编码光信号sp以产生一感测信号s，且感测信号s具有对应编码信号se的多个第一脉冲coded_pulses的多个第二脉冲sensing_pulses。光源驱动器33根据具有多个第一脉冲coded_pulses的编码信号se以驱动光源34产生编码光信号sp后，光传感器35感测编码光信号sp而产生具有失真的多个第二脉冲sensing_pulses的感测信号s，如图5所示，每个第二脉冲sensing_pulses的信号失真大小与每个第一脉冲coded_pulse的脉冲宽度相关。
30.详细来说，光传感器35设置在对应于光源34的位置，也就是说光传感器35的设置位置在光源34的光传递路线上，光传感器35用于感测光源34输出的编码光信号sp以产生一感测信号s。光传感器35所产生的感测信号s具有对应于编码信号se的多个第一脉冲coded_pulses的多个第二脉冲sensing_pulses，每个第二脉冲sensing_pulse的脉冲宽度与第一脉冲coded_pulse的信号宽度相关，通过感测编码光信号sp，光传感器35可通过产生多个第二脉冲sensing_pulse以形成感测信号s。
31.在步骤s406中，根据具有多个第二脉冲sensing_pulse的感测信号s，通过译码器36还原编码器31的输入数字信号si。译码器36电连接光传感器35，用于接收光传感器35所产生感测信号s。根据具有多个第二脉冲sensing_pulse的感测信号s，译码器36还原编码器31的输入数字信号si。进一步来说，译码器36优选为上升沿触发译码器，当译码器36检测每个第二脉冲sensing_pulse的脉冲上升沿，译码器36的输出状态就发生一次改变。举例来说，假设译码器36当前的输出为一高电平(1)，当译码器36检测到第一个第二脉冲sensing_pulse的上升沿时，会改变输出状态为一低电平(0)，而当译码器36检测到第二个第二脉冲sensing_pulse的上升沿时，进而会改变输出状态为一高电平。换句话说，当第一次检测到上升沿时，输出高电平，且维持在高电平，而当第二次检测到上升沿时，会从高电平转变成低电平，反之亦然。因此，当译码器36接收到两个连续的第二脉冲sensing_pulse时，会产生的一输出脉冲，且输出脉冲的脉冲宽度是由两个连续的第二脉冲sensing_pulse的上升沿和他们间的时间间隔决定，输出数字信号so是由多个输出脉冲所组成。由于第一脉冲的脉
冲宽度是一样的，所以当第一脉冲通过光通道时，所产生的第二脉冲的脉冲有非常相近的形变或延迟，这样保证输出数字信号so可以准确地复制编码器31的输入数字信号si。
32.另外，如图6所示，在本发明的优选实施例中，编码器32可以是由一异或门(xor gate)321以及多个延迟单元322所构成。多个延迟单元322可使所输入的信号产生四分之一的频率延迟，调制器31的输出数字信号si传递至第一个延迟单元322的输入端a以及由五个与非门(nand gate)323所组成的异或门321的第一输入端324，而最后一个延迟单元322的输出端yn连接至异或门321的第二输入端325，多个具有预定信号宽度的第一脉冲coded_pulse从异或门321的输出端326输出。通过本发明的编码器32的输入数字信号si的信号上升沿或信号下降沿，产生具有预定信号宽度的第一脉冲coded_pulse。在此需要说明的是，上述的编码器32是由多个延迟单元322以及异或门321所组成，但是在不同实施例，编码器32也可以由不同的逻辑单元所构成，在此并不局限，本领域技术人员可以根据不同需求，设计不同组件所构成的编码器32。本发明的编码器32在产生具有预定信号宽度的第一脉冲coded_pulse后，会输出具有多个第一脉冲coded_pulse的编码信号se。
33.图7为本发明实施例的译码器的电路示意图，如图7所示，进一步来说，译码器35又称为双边缘触发译码器，其是由一d边缘触发触发器(d flip flop)351与一反相器352所构成，多个具有预定信号宽度的第二脉冲sensing_pulse的感测信号s传输至触发器351的频率输入端clk，反相器352的输出端yn电连接触发器351的数据输入端data，反向器352的输入端a连接至触发器351的输出端q，输出数字信号so从触发器351的另一输出端qn输出，通过上述由触发器351与反相器352所组成的译码电路，可译码多个具有相同信号宽度的第二脉冲sensing_pulse以产生一输出信号。另外，在此需要说明的是，在本发明的优选实施例中，双边缘触发译码器是由一个触发器351与一个反相器352所构成，但在不同实施例中，双边缘触发译码器也可以由其他不同逻辑单元所构成，在此并不局限。
34.另外，在本发明的模拟光耦隔离放大器的编码和译码方法中，还可包括通过一数字模拟转换器37，将输出数字信号转换为输出模拟信号，然后通过一低通滤波器(low pass filter)38，过滤输出模拟信号中的噪声。数字模拟转换器37电连接译码器36，接收译码器36的输出数字信号so，并将输出数字信号so转换为输出模拟信号sa，达到还原光耦隔离放大器30最初输入模拟信号sia的目的。在本发明的优选实施例中，数字模拟转换器37的低通滤波器38可以用于过滤在输出数字信号so转换为输出模拟信号sa时所产生的噪声，最后输出噪声较少的输出模拟信号sa。
35.由图5可以明显看出，在本发明的光耦隔离放大器30中，通过在编码器32，可以在输入数字信号si的输入脉冲上升沿或输入脉冲下降沿产生时，输出多个具有预定脉冲宽度的第一脉冲coded_pulse的编码信号se，由此可以准确知道输入数字信号si的信号脉冲开始与结束的时间。同时具有同样脉冲宽度的se经过光通道后，他们经历同样的脉冲形变，同样的上升沿和下降沿，而且通过本发明的电路设计，由于多个具有预定脉冲宽度的第二脉冲可以完整复制多个具有预定脉冲宽度的第一脉冲，即使感测信号s经过光信道后存在延迟和形变，经过本发明的译码后，输出数字信号so可以准确恢复输入时的输入数字信号si，从而改善光隔离放大器的失调电压增加(vos)、信噪比降低或线性降低等问题。
36.本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的光耦隔离放大器，其能通过双边缘触发的信号编码器以及在上缘触发的信号译码器中设置上缘触发信号译码器的技术方
案，以提升光耦隔离放大器的输出信号准确性。
37.以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包括于本发明的权利要求书的保护范围内。