專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備和電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本實用新型涉及模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換設(shè)備和電子裝置。
背景技術(shù)：
AD轉(zhuǎn)換器所使用的采樣方法大致分成利用奈奎斯特(Nyquist)頻率執(zhí)行采樣的類型和利用比奈奎斯特頻率高的頻率執(zhí)行采樣的過采樣型。過采樣型旨在即使使用低分辨率的AD轉(zhuǎn)換器也能提高分辨率。作為當(dāng)前常用的采樣方法之一，例示了 Σ - Δ (sigma-delta)型米樣。過采樣型AD轉(zhuǎn)換器通過對利用比奈奎斯特頻率高的采樣率進(jìn)行采樣得到的多個 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行平均，來獲得輸出碼的中間值。該中間值是利用各種技術(shù)所獲得的。用于獲得中間值的原始形式利用白噪聲作為抖動噪聲。用于獲得中間值的原理如下當(dāng)來自AD轉(zhuǎn)換器的每次轉(zhuǎn)換的輸出均因受到噪聲影響而取不同的值時(即，當(dāng)輸出保持閃爍(flicking)時)，可以通過對多個AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行平均來獲得來自AD轉(zhuǎn)換器的輸出碼的中間值。該原理的前提如下引起閃爍的噪聲的平均值為0，針對AD轉(zhuǎn)換器的分辨率的噪聲水平的有效值為1/3 LSB (Least Significant Bit，最低有效位) 幾個LSB，并且噪聲的帶寬充分寬以致可以在每次采樣時獲得不同的結(jié)果。專利文獻(xiàn)I :日本特開2010-11906然而，由于低分辨率的AD轉(zhuǎn)換器的噪聲水平遠(yuǎn)低于AD轉(zhuǎn)換器的ILSB的大小，因此這種AD轉(zhuǎn)換器經(jīng)常難以獲得過采樣的效果。從技術(shù)上以及成本上均難以按預(yù)期且穩(wěn)定地生成具有適當(dāng)帶寬的白噪聲。電阻的熱噪聲被廣泛理解為白噪聲的例子。將噪聲電壓Vn 表示為vn = (4kTRAf)1/2(k :Boltzmann常數(shù),T :溫度,R :電阻，Af :噪聲帶寬)。即使R = 1ΜΩ、T = 300Κ并且Af= 1MHz，要獲得的噪聲電壓也最高為O. 13mVrms。當(dāng)10位的AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為OV 3V時，該10位的AD轉(zhuǎn)換器的分辨率約為3mV/LSB。結(jié)果，為了實用的目的，應(yīng)當(dāng)將熱噪聲放大幾十倍。白噪聲的頻帶應(yīng)當(dāng)充分高于信號頻率。如果利用了包括噪聲放大用的運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路，則需要與該運(yùn)算放大器的增益相對應(yīng)的高頻響應(yīng)特性。此外，為了利用熱噪聲作為采樣用的白噪聲，運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲需要特別低。與放置在AD轉(zhuǎn)換器之前的用于處理原始信號的一般的緩沖放大器相比，滿足這種要求的運(yùn)算放大器的性能要好很多并且更加昂貴。此外，實際的電阻元件不僅生成理論熱噪聲，還生成大的Ι/f噪聲，熱噪聲的噪聲水平可能根據(jù)溫度而變化，并且環(huán)境噪聲可能疊加到熱噪聲上。因此，難以按預(yù)期且穩(wěn)定地生成大量噪聲。可以采用與白噪聲相似的齊納(Zener) 二極管的噪聲作為采樣噪聲。然而，齊納二極管存在以下問題齊納二極管消耗大量的電流，其個體間差異大，并且其溫度特性比電阻的溫度特性差。在另一問題中，在進(jìn)行利用抖動噪聲的過采樣時，為了提高采樣的分辨率，需要根據(jù)位數(shù)來增加采樣數(shù)量。與利用抖動噪聲的過采樣相比較，作為另一種過采樣的Σ -Δ型采樣縮短了采樣用的測量時間，但Σ -Δ型采樣需要大量復(fù)雜的數(shù)字處理。Σ -Δ型采樣由于如今的微型化技術(shù)而得到普及。然而，Σ-△型采樣專用的半導(dǎo)體制品仍然昂貴。如果利用軟件來執(zhí)行利用半導(dǎo)體制品的硬件所執(zhí)行的數(shù)字處理，則僅可以處理頻率比時鐘頻率的幾十分之一低的信號。因此，難以以高頻率執(zhí)行Σ -Λ型采樣。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型的目的是提供能夠利用簡化的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行高精度AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換設(shè)備。根據(jù)本實用新型的方面，一種AD轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括偏移信號生成部，被配置為生成大小彼此不同的η個偏移信號(η是大于I的自然數(shù))；合成部，被配置為順次將η個所述偏移信號和模擬輸入信號合成為η個第一信號；AD轉(zhuǎn)換部,被配置為執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換以將η個所述第一信號轉(zhuǎn)換成η個第二信號；以及信號處理部，被配置為將η個所述第二信號處理成數(shù)字輸出信號，其中，所述偏移信號生成部被配置為生成η個所述偏移信號，以使得當(dāng)使 η個所述偏移信號根據(jù)大小排列時，相鄰的所述偏移信號之間的差均不等于所述AD轉(zhuǎn)換部的最小分辨率的自然數(shù)倍。在本實施例中，由于第一信號是通過合成η個偏移信號和模擬輸入信號所生成的，因此根據(jù)這些偏移信號的大小，一些結(jié)果可能超過最小分辨率而另一些結(jié)果可能低于最小分辨率。η個第二信號包括比最小分辨率更加精確的信息。結(jié)果，可以通過基于第二信號生成數(shù)字輸出信號來提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。特別地，由于當(dāng)使η個偏移信號根據(jù)大小排列時、相鄰的偏移信號之間的差均被設(shè)置為不等于AD轉(zhuǎn)換部的最小分辨率的自然數(shù)倍，因此可以有效地提聞分辨率。在本申請中，術(shù)語“合成”不僅包括“相加”還包括“相減”。優(yōu)選地，所述偏移信號生成部可以被配置為生成η個所述偏移信號，以使得當(dāng)使η 個所述偏移信號根據(jù)大小排列時，相鄰的所述偏移信號之間的差彼此相等，并且所述差小于所述最小分辨率。在這種情況下，η個偏移信號等間距地彼此分離，并且各個差小于最小分辨率。結(jié)果，可以通過合成這些偏移信號和模擬輸入信號來提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。更優(yōu)選地，所述偏移信號生成部可以被配置為生成η個所述偏移信號，以使得η個所述偏移信號中的最小值和最大值之間的差等于或大于所述AD轉(zhuǎn)換部的最小分辨率。在這種情況下，對于任意大小的輸入信號，η個第一信號中的至少一個超過最小分辨率，以使得η個第二信號中的至少一個取與其它的第二信號不同的值。結(jié)果，可以進(jìn)一步提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。優(yōu)選地，所述信號處理部可以被配置為計算η個所述第二信號的平均值以生成所述數(shù)字輸出信號。優(yōu)選地，所述模擬輸入信號可以是按固定間隔重復(fù)的交流信號，所述交流信號的一個周期可以與所述間隔相對應(yīng)，所述AD轉(zhuǎn)換部可以與所述交流信號同步地執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換， 所述AD轉(zhuǎn)換設(shè)備還可以包括偏移信號控制部，所述偏移信號控制部被配置為控制所述偏移信號生成部，從而按所述交流信號的間隔來切換η個所述偏移信號，以及所述信號處理部可以將所述交流信號的各間隔的相同相位處的η個所述第二信號處理成所述數(shù)字輸出信號。當(dāng)在交流信號為按固 定間隔重復(fù)的交流信號的情況下、與該交流信號的間隔(周期)同步地在每個周期的多個相位點處對該交流信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時，應(yīng)當(dāng)在該交流信號的相同相位點處進(jìn)行η個偏移信號和該交流信號的合成。在本實施例中，可以通過按該交流信號的間隔切換偏移信號來減少切換次數(shù)。優(yōu)選地，所述模擬輸入信號可以是按固定間隔重復(fù)的交流信號，所述交流信號的一個周期可以與所述間隔相對應(yīng)，所述AD轉(zhuǎn)換設(shè)備可以被配置為基于所述交流信號的η ·ρ 個間隔(P是大于I的自然數(shù))生成所述數(shù)字輸出信號，所述AD轉(zhuǎn)換部可以與所述交流信號同步地執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，所述AD轉(zhuǎn)換設(shè)備還可以包括偏移信號控制部，所述偏移信號控制部被配置為控制所述偏移信號生成部，從而按所述交流信號的P個間隔來切換η個所述偏移信號，以及所述信號處理部將所述交流信號的各間隔的相同相位處的η ·ρ個所述第二信號處理成所述數(shù)字輸出信號。在本實施例中，可以通過按P個間隔切換偏移信號來大幅減少切換次數(shù)。結(jié)果，可以大幅縮短AD轉(zhuǎn)換所需的時間。

以下將參考附圖說明根據(jù)本實用新型的實施例。在這些附圖中圖I是示出根據(jù)本實用新型第一實施例的AD轉(zhuǎn)換設(shè)備的框圖。圖2示出AD轉(zhuǎn)換操作的概要。圖3是示出根據(jù)第二實施例的身體測量設(shè)備的框圖。圖4是示出身體測量設(shè)備的外觀的平面圖。圖5是示出身體測量設(shè)備的操作的流程圖。圖6示出AD轉(zhuǎn)換操作的概要。圖7是示出身體測量設(shè)備所測量出的電阻成分和電抗成分的誤差的圖形。圖8是示出在不進(jìn)行與偏移信號相加的情況下電阻成分和電抗成分的誤差的圖形。圖9示出根據(jù)變形例的AD轉(zhuǎn)換操作的概要。
具體實施方式
第一實施例圖I是示出根據(jù)本實用新型的實施例的AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I的框圖。向AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I 提供模擬輸入信號Cin。AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I輸出數(shù)字輸出信號Cwt。AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I包括偏移信號生成部20和偏移信號控制部10。偏移信號生成部20生成η (η是大于I的自然數(shù))個偏移信號δ k(k是O η-i的整數(shù))。偏移信號控制部10控制偏移信號生成部20以根據(jù)預(yù)定規(guī)則切換η個偏移信號δ k。AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I還包括偏移信號相加部30、AD轉(zhuǎn)換部40和信號處理部50。偏移信號相加部30通過將η個偏移信號δ k分別與模擬輸入信號Cin相加,來生成η個第一信號 SI。AD轉(zhuǎn)換部40執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，以將η個第一信號SI轉(zhuǎn)換成η個第二信號S2。信號處理部50將η個第二信號S2處理成數(shù)字輸出信號Ctjut。AD轉(zhuǎn)換部40可以生成10位的第二信號S2。對各個第一信號SI進(jìn)行量化。即， 將各個第一信號SI與利用21°等分全刻度范圍(FSR)的離散值進(jìn)行比較，以近似為最接近的離散值。FSR/21CI( = 1LSB)是最小分辨率(與量化分辨率同義)。第一信號SI的小于 ILSB的大小是檢測不到的，并將成為量化誤差。最小分辨率越小，AD轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度和AD轉(zhuǎn)換器的成本越高。在本實施例中，可以通過使用偏移信號Sk來實質(zhì)上提高最小分辨率。η個偏移信號δ,的大小彼此不同。選擇各個大小，以使得當(dāng)使η個偏移信號Sk 根據(jù)大小排列時，相鄰的偏移信號Sk之間的差均不等于最小分辨率(ILSB)的自然數(shù)倍。 在本實施例中，對各個大小進(jìn)行設(shè)置，以使得當(dāng)使η個偏移信號據(jù)大小排列時，相鄰的偏移信號Sk之間的差彼此相等并且這些差小于最小分辨率。“相鄰的偏移信號Sk之間
的差彼此相等”表示η個偏移信號δ,被配置成當(dāng)SpS1.....δη_2和Siri按升序排列
時，δ η-1- δη-2 = δ η-2- δ n-3 = · · · = 5 2~ 5 I = δ f δ O。將模擬輸入信號Cin和偏移信號δ k相加得到第一信號SI。假定在以下例子中,模擬輸入信號Cin小于AD轉(zhuǎn)換部40的最小分辨率。當(dāng)將模擬輸入信號Cin直接提供給AD轉(zhuǎn)換部40時,第二信號S2取值O。另一方面，已相加有偏移信號δ k的第一信號SI根據(jù)模擬輸入信號Cin和偏移信號3,的大小而可能偶爾超過最小分辨率。當(dāng)已分別相加有η個偏移信號S k之一的η個第一信號SI中的大部分超過最小分辨率并使得第二信號S2的大部分取值I時，意味著模擬輸入信號Cin接近于最小分辨率。當(dāng)η個第一信號SI的大部分沒有超過最小分辨率并使得第二信號S2的大部分取值O時，意味著模擬輸入信號Cin遠(yuǎn)離最小分辨率并且小。即，可以根據(jù)η個第二信號S2中取值I的數(shù)量來計算模擬輸入信號Cin 的大小。信號處理部50計算η個第二信號S2的平均值以生成數(shù)字輸出信號(；ut。結(jié)果，可以輸出已分配有小于AD轉(zhuǎn)換部40的最小分辨率的離散值的數(shù)字輸出信號Cwt。將參考圖2解釋AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I的操作。在以下例子中，η為5，并且從偏移信號生成部20提供5個偏移信號δ k。AD轉(zhuǎn)換部40的操作可以簡化表示為如下S2 = Round (SI)?！癛ound”是將作為模擬值的第一信號SI四舍五入為最接近整數(shù)的函數(shù)。例如，如果SI = O. 4，則S2取值0，并且如果SI = O. 6，則S2取值I。將偏移信號Sk(k = 0，...，n-1)與模擬輸入信號Cin相加，并且進(jìn)行平均。信號處理部50的計算表示為如下Cout = 1/ηΧ Σ [Round(Cin+ δ k) ] (k = O, · · · , n-1)。當(dāng)Cin等于I. 2并且僅將Cin提供至AD轉(zhuǎn)換部40時，輸出碼將被四舍五入為如下Cout = Round (I. 2) = I. O。換言之，在無偏移信號δ k的情況下，不可能超過AD轉(zhuǎn)換部40的原始分辨率(小數(shù)部分)。假定n= 5 并且 Sk= {-O. 4，-O. 2，0，O. 2，O. 4}，則第一信號 SI 表示為 SI = {0.8, 1，I. 2，I. 4，I. 6}。與5個第一信號SI相對應(yīng)的第二信號S2表示為S2 = {1，1，1，1，2}。信號處理部50執(zhí)行平均值的計算。數(shù)字輸出信號Cwt由以下公式來表示[0050]Cout = (1+1+1+1+2)/5 = I. 2。如上所述，通過將大小與AD轉(zhuǎn)換部40的原始最小分辨率(ILSB)的大小不同的多個偏移信號Sk疊加在模擬輸入信號Cin上，可以獲得比AD轉(zhuǎn)換部40的原始分辨率(整數(shù))高的分辨率(小數(shù))。假定與模擬輸入信號Cinl相對應(yīng)的數(shù)字輸出信號為Ctjutl、并且與模擬輸入信號Cinl 僅相差微小值ε處的輸出(即，Cinl+ ε的輸出)為Crat2,則Ctjutl和Crat2表不為如下Coutl = 1/ηΧ Σ [Round(Cinl+ δ k)]；Cout2 = 1/ηΧ Σ [Round(Cinl+ ε + δ k)]。當(dāng)相鄰的偏移信號之間的差Λ相等(Sk+1-Sk= Δ)時，至少在ε = Δ的情況下，Ctjutl和Crat2彼此不同?？梢詫tjut2表示為如下Cout2 = 1/ηΧ Σ [Round(Cinl+ ε + δ k)]= 1/ηΧ Σ [Round(Cinl+ δ k+1) ] (k = O, · · · , η-1)。將分辨率的最差值表示為如下Cout2-Coutl = 1/ηΧ Σ {Round(Cinl+ δ k+1) -Round(Cinl+ δ k)}= 1/nX {Round(Cinl+ δ n) -Round(Cinl+ δ 0)}= 1/nX {Round(Cinl+ δ 0+n Δ ) -Round(Cinl+ δ 0)}。最后的公式表示分辨率是根據(jù)偏移信號δ k的分布范圍和偏移信號δ k的數(shù)量η 所確定的。為了提高分辨率，優(yōu)選將Λ設(shè)置得小并且將η設(shè)置得大。實際上，AD轉(zhuǎn)換部40 的碼寬度和偏移信號Sk的步幅不一致并且存在誤差。為了提高精度，優(yōu)選將ηΛ調(diào)整為幾個LSB，以使得可以補(bǔ)償該不一致。第二實施例將使用身體測量設(shè)備100作為包括上述的AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I的電子裝置的例子來解
釋第二實施例。
_7] 身體測量設(shè)備的構(gòu)成圖3是示出根據(jù)本實用新型的實施例的身體測量設(shè)備100的構(gòu)成的框圖。身體測量設(shè)備100測量被檢人的生物阻抗和體重，并且通過基于這些測量結(jié)果和預(yù)先輸入的諸如身高、性別和年齡等的個人信息進(jìn)行計算，來計算諸如體脂百分比等的生物信息。身體測量設(shè)備100包括體重秤110、第一存儲部120、第二存儲部130、輸入部150 和顯示器160。這些組件經(jīng)由總線(未示出)連接至微控制器140。微控制器140用作控制整體設(shè)備的控制中心。微控制器140利用從時鐘信號生成電路(未示出)提供的時鐘信號進(jìn)行工作。當(dāng)接通電源開關(guān)(未示出)時，電源電路對各個組件通電。體重秤110測量被檢人的體重并且將體重數(shù)據(jù)經(jīng)由總線輸出至微控制器140。第一存儲部120是諸如R0M(只讀存儲器)等的非易失性存儲器。將用于控制整體設(shè)備的控制程序存儲在第一存儲部120中。微控制器140通過根據(jù)控制程序執(zhí)行預(yù)定計算，生成諸如體脂百分比等的生物信息。第二存儲部130是諸如DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)等的易失性存儲器。第二存儲部130用作微控制器140的工作區(qū)域，并且存儲微控制器執(zhí)行預(yù)定計算時的數(shù)據(jù)。[0072]輸入部150包括各種開關(guān)。被檢人操作這些開關(guān)，可輸入諸如身高、年齡和性別等的信息。顯示器160顯示諸如體重和體脂百分比等的測量結(jié)果以及提示被檢人輸入各種信息的消息。顯示器160可以由液晶顯示裝置構(gòu)成。更具體地，如圖4所示，顯示器160配置在機(jī)架的上部中央。輸入部150包括開關(guān) 151 155。開關(guān)151和152可以用作用于輸入數(shù)值或選擇菜單的上開關(guān)和下開關(guān)。開關(guān) 153和154可以用作用 于確定輸入狀態(tài)的開關(guān)。開關(guān)155可以用作電源開關(guān)。上述的AD轉(zhuǎn)換設(shè)備I包括在身體測量設(shè)備100中。在本實施例中，AD轉(zhuǎn)換部40 嵌入在微控制器140中。偏移信號控制部10和信號處理部50是通過在微控制器140中執(zhí)行預(yù)定程序來實現(xiàn)的。微控制器140包括阻抗計算部60和交流電壓信號生成部70。阻抗計算部60基于從信號處理部50輸出的數(shù)字輸出信號Crat來計算阻抗。交流電壓信號生成部70生成具有50kHz的方波的電壓信號。更具體地，使用微控制器140的定時器功能從端口輸出50kHz的固定電壓方波。在本實施例中，交流電壓信號生成部70嵌入在微控制器140中，當(dāng)然也可以在微控制器140外部生成該交流電壓信號。濾波器3可以包括使50kHz通過的低通濾波器或帶通濾波器，并且去除50kHz的電壓信號的諧波成分。結(jié)果，通過了濾波器3之后，該電壓信號成為正弦波。電壓-電流轉(zhuǎn)換部4將從濾波器3輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。將該電流信號依次提供至串聯(lián)連接的參考阻抗\和生物阻抗Zh。參考阻抗&是已知的，并且生物阻抗 Zh是被檢人的阻抗。身體測量設(shè)備100包括兩個電流電極(CE)5A、5B和兩個電壓電極(VE)6A、6B。如圖4所示，電流電極5A配置在與左足的前部相對應(yīng)的位置處，電極6A配置在與左足的跟部相對應(yīng)的位置處，電極5B配置在與右足的前部相對應(yīng)的位置處，并且電極6B配置在與右足的跟部相對應(yīng)的位置處。信號選擇部7選擇位于參考阻抗&的兩端上的端子Tl和T2，或者選擇用于測量生物阻抗Zh的電壓電極6A和6B。信號接收部8可以包括差分放大器。該差分放大器用作具有高輸入阻抗的電壓緩沖放大器。結(jié)果，當(dāng)信號選擇部7選擇位于參考阻抗&的兩端上的端子Tl和T2時，信號接收部8輸出參考阻抗\的電壓\。另一方面，當(dāng)信號選擇部7選擇電壓電極6A和6B時，信號接收部8輸出生物阻抗Zh的電壓Vh。信號接收部8根據(jù)偏移信號相加部30或AD轉(zhuǎn)換部40的動態(tài)范圍調(diào)整信號大小。將從信號接收部8輸出的交流電壓與(以下所述的)直流偏移信號δ,相加，并且輸入至AD轉(zhuǎn)換部40。偏移信號生成部20由偏移信號控制部10所控制，并且將27個DC 電壓作為偏移信號Sk輸出至偏移信號相加部30。這27個DC電壓的間隔相等。盡管偏移信號生成部20可以包括專用DA轉(zhuǎn)換器，但在本實施例中，偏移信號生成部20包括微控制器140的可控制為具有三態(tài)形式的三個端口、多個電阻和緩沖器。由于這三個端口均可以取分別為高水平狀態(tài)、低水平狀態(tài)或高阻抗?fàn)顟B(tài)的三種狀態(tài)，因此這三個端口可以表現(xiàn)27 種狀態(tài)。結(jié)果，可以生成27個DC電壓作為偏移信號δ k。偏移信號控制部10控制微控制器140的三個端口的狀態(tài)。偏移信號相加部30對從信號接收部8輸入的電壓設(shè)置I倍增益，并且對在偏移信號生成部20中生成的DC電壓設(shè)置增益，以使得27個偏移信號δ k各自相對于相鄰的偏移信號δ k相差1/9LSB。AD轉(zhuǎn)換部40將50kHz的正弦波的每個周期分割成20個部分，并且在20個相位點處進(jìn)行測量。信號處理部50使用AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，獲得在交流電壓的這些相位點處的、分辨率比AD轉(zhuǎn)換部40的原始分辨率高的電壓。阻抗計算部60使用信號處理部50所獲得的高分辨率的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果來計算阻抗。具體地，通過使用20個相位點處的高分辨率的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果執(zhí)行同步檢測，來獲得矢量成分(電阻成分和電抗成分)。對參考阻抗&和生物阻抗Zh這兩者執(zhí)行同步檢測。生物阻抗Zh是通過根據(jù)電壓比較法執(zhí)行表示為以下公式的復(fù)數(shù)運(yùn)算所獲得的Zh = Zr · Vh/Vr。如上所述，計算出生物阻抗Zh。
_7] 身體測暈設(shè)備的操作 將參考圖5解釋身體測量設(shè)備100中生成生物阻抗的操作。首先，微控制器140控制信號選擇部7以選擇參考阻抗\或生物阻抗Zh(步驟 S10)。接著，微控制器140執(zhí)行累計處理(步驟S20)。在該累計處理中，微控制器140將 27個偏移信號δ k順次與電壓Nr或電壓Vh相加以生成27個第一信號SI,執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換以將這27個第一信號SI轉(zhuǎn)換成27個第二信號S2，并且對這27個第二信號S2進(jìn)行平均。結(jié)果，可以以超過AD轉(zhuǎn)換部40的最小分辨率的分辨率對電壓\和電壓Vh進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。將具體解釋AD轉(zhuǎn)換操作。假定來自信號接收部8的輸出信號是Vsig、并且從偏移信號生成部20輸出的DC電壓是Λ k (k = 0，. . .，26)，則AD轉(zhuǎn)換結(jié)果Ck表示為如下Ck = Round [A (Vsig+ Δ k) ] (k = O, I, . . . , 26)。“Α”是用于將電壓轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換部40中所使用的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果碼的常數(shù)，并且 “Round”是對從AD轉(zhuǎn)換部40輸出的小于ILSB的值進(jìn)行四舍五入的函數(shù)。假定Csig等于A · Vsig并且31;等于六· Λ k，則以上的公式表示為如下Ck = Round[Csig+ δ k] (k = O, I, . . . ,26)。最終的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果CT是與27個DC電壓相對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果Ck的平均值，并且表示為如下CT = 1/n X Σ [Round (Csig+ δ k) ] (k = 0，1，· · ·，26，η = 27)。在信號處理部50中執(zhí)行該計算。傳統(tǒng)上，總是對來自信號接收部8的輸出信號進(jìn)行四舍五入并且忽略小數(shù)。在本實施例中，可以通過使用具有1/9LSB步幅的多個偏移信號 δ k進(jìn)行平均來獲得分辨率比AD轉(zhuǎn)換部40的原始分辨率高的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了減少計算量，可以使用以下的累計值CT’ CT，= Σ [Round (Csig+ δ k) ] (k = O, I, · · · , 26)。對AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行四次累計以獲得穩(wěn)定的結(jié)果。如上所述，生成了數(shù)字輸出信號。參考圖6，將解釋提供至偏移信號相加部30的正弦波的模擬輸入信號Cin、偏移信號δ k和AD轉(zhuǎn)換部40中一個周期內(nèi)的20個相位點之間的關(guān)系。為了生成27個DC電壓作為偏移信號δ k，偏移信號控制部10控制偏移信號生成部20，從而按模擬輸入信號Cin的周期間隔順次切換27個偏移信號S0J1.....和δ 26。AD轉(zhuǎn)換部40對I個周期內(nèi)的20個相位點P。、P1.....和P19執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)
換部40執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，以將通過將27個偏移信號δ k分別與各相位點處的模擬輸入信號Cin相加所獲得的27個第一信號SI轉(zhuǎn)換成27個第二信號S2，并且信號處理部50計算這27個第二信號S2的平均值。結(jié)果，模擬輸入信號Cin轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號C-。在這種情況下， 獲得I個周期的數(shù)字輸出信號Ctjut需要27個周期的模擬輸入信號Cin。在本實施例中，重復(fù)該處理四次，從而獲得精確的數(shù)字輸出信號(；ut。 當(dāng)模擬輸入信號Cin是按固定間隔重復(fù)的交流信號時，AD轉(zhuǎn)換部40與該交流信號同步地執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，并且偏移信號控制部10控制偏移信號生成部20從而按該交流信號的間隔來切換η個偏移信號δ,。信號處理部50將在該交流信號的各間隔的相同相位處的η 個第二信號S2處理成數(shù)字輸出信號Crat。將再次參考圖5來解釋該操作。在步驟S 20之后，微控制器140執(zhí)行檢測處理 (步驟S30)。具體地，通過在數(shù)字輸出信號Cwt和50kHz的電流信號之間執(zhí)行同步檢測來獲得矢量成分(電阻成分和電抗成分)。微控制器140根據(jù)上述的電壓比較法執(zhí)行阻抗計算，以計算生物阻抗Zh(步驟S40)。圖7示出本實施例的身體測量設(shè)備100所測量出的電阻成分和電抗成分的誤差。 圖8示出在不進(jìn)行與偏移信號δ,相加的情況下電阻成分和電抗成分的誤差作為比較例子。如這些圖形所示，根據(jù)本實施例，可以大幅減少誤差。特別地，這對于嵌入有AD轉(zhuǎn)換部 40的通用型微控制器而言有效。當(dāng)使用這種微控制器時，可以通過相加微小成分來大幅提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。其它奪形例和改講本實用新型不局限于上述實施例。例如，可以進(jìn)行以下變形。(I)在上述第二實施例中，模擬輸入信號Cin是按固定間隔(周期)重復(fù)的交流信號。當(dāng)生成27個偏移信號31;時，通過按模擬輸入信號Cin的周期間隔切換偏移信號61;來在27個周期內(nèi)切換偏移信號δ,。為了提高準(zhǔn)確度，可以通過將27個周期的組合重復(fù)4次并且對重復(fù)的結(jié)果進(jìn)行平均來獲得I個周期的數(shù)字輸出信號Cwt。在上述實施例中，整體需要將偏移信號Sk切換4X27次。由于需要時間來切換偏移信號S k，因此優(yōu)選切換次數(shù)盡可能少。由于浮動電容和布線電阻，因而從偏移信號生成部20到偏移信號相加部30的傳輸通道等效于低通濾波器。結(jié)果，需要時間來將切換偏移信號Sk的結(jié)果準(zhǔn)確地反映到相加結(jié)果中?？紤]到以上情況，可以如圖9所示切換偏移信號Sk。S卩，假定模擬輸入信號Cin是按固定間隔(周期)重復(fù)的交流信號、并且數(shù)字輸出信號Ctjut是基于為該交流信號的周期的η · P倍(P是大于I的自然數(shù))的間隔所生成的。在圖9所示的例子中，η = 27并且P =4。AD轉(zhuǎn)換部40可以與該交流信號同步地執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換。偏移信號控制部10可以控制偏移信號生成部20，從而按該交流信號的4個周期來切換27個偏移信號δ,。信號處理部
50可以將在該交流信號的相同相位點匕、P1.....和P19處的27X4個第二信號S2處理成
數(shù)字輸出信號c；ut。結(jié)果，可以將切換偏移信號Sk的次數(shù)縮減為27次。(2)在上述實施例中，偏移信號相加部30通過將各個偏移信號δ k與模擬輸入信號Cin相加來生成第一信號SI。另一方面,可以通過從模擬輸入信號Cin減去各個偏移信號 515來生成第一信號SI?？傊?可以通過合成模擬輸入信號Cin和偏移信號Sk來生成第一信號SI。(3)在上述實施例中，η個偏移信號3,的大小彼此不同，并且選擇這η個偏移信號S k，以使得當(dāng)使這η個偏移信號據(jù)大小排列時，相鄰的偏移信號之間的差彼此相等并且這些差小于最小分辨率。另一方面，η個偏移信號Sk的一部分可以與最小分辨率 (ILSB)的自然數(shù)倍相對應(yīng)。η個偏移信號δ k的最小值可以超過最小分辨率(ILSB)。例如，可以將η個偏移信號S k設(shè)置成等差，即Λ = δ k- δ ^，并且假定Λ = O. 2LSB以及η = 5，則δ。= I. I LSB, δ ! = I. 3LSB, δ 2 = I. 5L SB, δ 3 = I. 7LSB, δ 4 = I. 9LSB 以及 δ 5 = 2· 1LSB。與將 η 個偏移信號 δ k 設(shè)置成 δ ο = O. I LSB, δ I = O. 3LSB、δ 2 = O. 5LSB、δ 3 = O. 7LSB、δ 4 = O. 9LSB 和δ5 = I. ILSB的情況相比較，最小的偏移信號δ,可以取較大的值。通常，由于噪聲而難以精確地生成微小電壓。可以通過將η個偏移信號δk的最小值設(shè)置成超過最小分辨率 (ILSB)來容易地生成微小電壓。當(dāng)η個偏移信號δ k的最小值(δ Q = I. 1LSB)和最大值(δ 5 = 2. 1LSB)之間的差與該例子中一樣等于或大于AD轉(zhuǎn)換部40的最小分辨率時，通過將η個偏移信號δ k分別與任何大小的模擬輸入信號Cin相加，第二信號S2至少之一不同于其它的第二信號S2。結(jié)果，可以提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。(4)在上述實施例中，AD轉(zhuǎn)換部40、偏移信號控制部10及信號處理部50均嵌入在微控制器140中，然而，本實用新型不限于此。例如，可以利用硬件而不是通過由微控制器140執(zhí)行預(yù)定程序來實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換部40、偏移信號控制部10及信號處理部50中的任何一個。
權(quán)利要求1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括 偏移信號生成部，被配置為生成大小彼此不同的η個偏移信號，其中η是大于I的自然數(shù)； 合成部，被配置為將η個所述偏移信號順次和模擬輸入信號合成為η個第一信號； 模數(shù)轉(zhuǎn)換部，被配置為執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以將η個所述第一信號轉(zhuǎn)換成η個第二信號；以及 信號處理部，被配置為將η個所述第二信號處理成數(shù)字輸出信號， 其中，所述偏移信號生成部被配置為生成η個所述偏移信號，以使得當(dāng)使η個所述偏移信號根據(jù)大小排列時，相鄰的所述偏移信號之間的差均不等于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部的最小分辨率的自然數(shù)倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述偏移信號生成部被配置為生成η個所述偏移信號，以使得當(dāng)使η個所述偏移信號根據(jù)大小排列時，相鄰的所述偏移信號之間的差彼此相等，并且所述差小于所述最小分辨率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述偏移信號生成部被配置為生成η個所述偏移信號，以使得η個所述偏移信號中的最小值和最大值之間的差等于或大于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部的最小分辨率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述信號處理部被配置為計算η個所述第二信號的平均值以生成所述數(shù)字輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于， 所述模擬輸入信號是按固定間隔重復(fù)的交流信號， 所述交流信號的一個周期與所述間隔相對應(yīng)， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部與所述交流信號同步地執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備還包括偏移信號控制部，所述偏移信號控制部被配置為控制所述偏移信號生成部，從而按所述交流信號的間隔來切換所述η個偏移信號，以及 所述信號處理部將所述交流信號的各間隔的相同相位處的η個所述第二信號處理成所述數(shù)字輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于， 所述模擬輸入信號是按固定間隔重復(fù)的交流信號， 所述交流信號的一個周期與所述間隔相對應(yīng)， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備被配置為基于所述交流信號的η ·ρ個間隔生成所述數(shù)字輸出信號，其中P是大于I的自然數(shù)， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部與所述交流信號同步地執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備還包括偏移信號控制部，所述偏移信號控制部被配置為控制所述偏移信號生成部，從而按所述交流信號的P個間隔來切換所述η個偏移信號，以及 所述信號處理部將所述交流信號的各間隔的相同相位處的η · P個所述第二信號處理成所述數(shù)字輸出信號。
7.一種電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備。
專利摘要本實用新型涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備和電子裝置。所述模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換設(shè)備包括偏移信號生成部，被配置為生成大小彼此不同的n個偏移信號(n是大于1的自然數(shù))；偏移信號控制部，被配置為控制所述偏移信號生成部；合成部，被配置為將所述n個偏移信號順次和模擬輸入信號合成為n個第一信號；AD轉(zhuǎn)換部，被配置為執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換以將n個所述第一信號轉(zhuǎn)換成n個第二信號；以及信號處理部，被配置為計算n個所述第二信號的平均值以生成數(shù)字輸出信號。其中，當(dāng)使n個所述偏移信號根據(jù)大小排列時，相鄰的所述偏移信號之間的差均不等于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部的最小分辨率的自然數(shù)倍。
文檔編號H03M1/12GK202364202SQ201120243420
公開日2012年8月1日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者中田雅人 申請人:株式會社百利達(dá)