信号处理电路和信号处理装置的制作方法-j9九游会真人

信号处理电路和信号处理装置
1.本公开内容涉及信号处理电路以及具有这样的信号处理电路的信号处理装置。
2.本专利申请要求德国专利申请10 2021 104 980.6的优先权，该德国专利申请的公开内容通过引用并入本文。


背景技术：

3.各种传感器提供电压信号或电流信号作为相应的传感器信号。为了在数字域中处理这样的传感器信号，希望提供适用于传感器信号类型(即电压信号或电流信号)的模数转换器adc。
4.例如，用于光电体积描记术ppg的传感器通常提供电流信号，而心电图ecg测量是基于电压执行的。为此，用于这样的应用的常规信号处理提供用于处理所述ppg信号的一个adc和用于处理ecg信号的另一个adc。如果要处理另一个基于电流的传感器信号，则必须共享用于ppg的adc，或者必须提供另一个基于电流的adc。


技术实现要素：

5.要实现的目的是提供用于处理基于电流的传感器信号和基于电压的传感器信号的改进的处理构思。
6.这一目的是通过独立权利要求的主题实现的。改进的构思的实施方式和改进在从属权利要求中被限定。
7.改进的处理构思基于以下思想：在不提供专用的第二基于电流的adc的情况下并行(例如同时)处理两个基于电流的传感器信号。代替地，电流传感器信号之一被转换到电压域中，并且基于电压的adc被用于处理所述信号，该基于电压的adc通常被设置用于处理基于电压的传感器信号。为此，第一选择单元被设置用于选择两个电流传感器信号并将这两个电流传感器信号路由至相应的adc。此外，第二选择单元被设置用于选择是将基于电压的传感器信号还是将被转换到电压域中的电流信号路由至基于电压的adc。两个adc的输出可以在公共数字处理块中被处理。
8.例如，根据改进的处理构思的一种信号处理电路包括：用于接收第一传感器电流的第一电流传感器输入端、用于接收第二传感器电流的第二电流传感器输入端以及用于接收传感器电压的电压传感器输入端。第一选择单元包括耦接至第一电流传感器输入端的第一电流输入端和耦接至第二电流传感器输入端的第二电流输入端。第一选择单元被配置成：基于第一选择信号来选择第一电流输入端和第二电流输入端中的一个作为要连接至第一电流输出端的第一所选输入端，并且选择第一电流输入端和第二电流输入端中的一个(例如另一个)作为要连接至第二电流输出端的第二所选输入端。
9.第二选择单元包括第一电压输入端、第二电压输入端以及电压输出端。第一电压输入端耦接至电压传感器输入端。第二选择单元被配置成基于第二选择信号来将第一电压输入端和第二电压输入端中的一个连接至电压输出端。
10.信号处理电路还包括：耦接至第一电流输出端的电流模数转换器adc、耦接至电压
输出端的电压adc以及耦接至电流adc和电压adc的相应输出端的数字处理块。电流-电压转换器耦接在第一选择单元的第二电流输出端与第二选择单元的第二电压输入端之间。
11.这样的信号处理电路允许在至少两种配置中进行可选择的操作。例如，在第一配置中，在第一电流输入端和第二电流输入端处接收的电流信号之一用电流adc进行处理，而在电压传感器输入端处的电压信号用电压adc进行处理，其中电流adc和电压adc的数字输出都用数字处理块进行处理。
12.在第二配置中，电流传感器信号中的一个用电流adc进行处理，而另一个电流传感器信号在用电流-电压转换器转换成电压后用电压adc进行处理。这允许信号处理电路的灵活操作。
13.例如，第一选择单元提供从第一所选输入端到第一电流输出端以及从第二所选输入端到第二电流输出端的两条电流路径。因此，第一选择单元被配置成同时从第一所选输入端向第一电流输出端以及从第二所选输入端向第二电流输出端提供相应的电流。同时存在的电流路径允许两个电流信号同时被转换到数字域，使得在相应的数字电流样本之间不会出现时间延迟。
14.例如，信号处理电路被配置成具有连接至第一电流传感器输入端和第二电流传感器输入端的光电二极管。因此，可以同时处理两个不同的光电信号，从而允许对相应光电二极管信号进行组合评估。
15.在各种实施方式中，电流adc和电压adc中的至少一个包括δ-σ调制器。例如，具有δ-σ调制器的adc允许使用噪声整形来改善相应的转换结果。
16.电流-电压转换器可以用提供这样的功能的各种类型的电路来实现。例如，电流-电压转换器包括跨阻放大器，该跨阻放大器例如以在其反馈路径中至少具有电阻元件的运算放大器为主要组成。
17.在一些实现方式中，信号处理电路还包括连接至第一电流输出端或第二电流输出端的至少一个偏移电流源。这包括将单独的偏移电流源连接至第一电流输出端和第二电流输出端中的每一个。因此，相应电流传感器信号中的电流偏移可以用相应偏移电流来补偿。特别地，在模数转换之前，偏移电流与传感器电流组合。
18.在各种实施方式中，数字处理块包括缓冲元件，该缓冲元件用于缓冲由电流adc和电压adc提供的数字值。例如，缓冲元件被实现为先进先出fifo元件。存储在缓冲元件中的值可以直接在数字处理块中被处理，或者在连接至数字处理块的单独处理器或其他实体中被处理。为此，数字处理块可以包括相应的接口。
19.改进的处理构思并不限于确切地两个电流传感器输入端(这仍然将是个选项)，而是还可以包括三个或更多个电流传感器输入端。在这样的实现方式中，第一选择单元可以在任何可用的电流传感器输入端之间进行选择。
20.例如，信号处理电路还包括用于接收至少一个另外的传感器电流的至少一个另外的电流传感器输入端。在这样的配置中，第一选择单元被配置成：基于第一选择信号来选择第一电流输入端、第二电流输入端和至少一个另外的电流输入端中的一个作为第一所选输入端，并且选择第一电流输入端、第二电流输入端和至少一个另外的电流输入端中的一个特别是另一个作为第二所选输入端。
21.虽然选择两个不同的输入端是合理的应用，但不应排除相同的电流输入端可以连
接至第一电流输出端和第二电流输出端两者。
22.类似地，第二选择单元可以包括另外的电压输入端，该另外的电压输入端可以连接至外部电压输入端或内部电压端子以允许各种其他测量。
23.根据上述实现方式之一的信号处理电路可以例如在各种类型的信号处理装置中使用。例如，根据改进的处理构思的一种信号处理装置包括：根据上述实施方式之一的信号处理电路、连接至第一传感器输入端的第一光敏元件、连接至第二电流传感器输入端的第二光敏元件、以及连接至电压传感器输入端的用于提供至少一个传感器电压的传感器元件。例如，光敏元件被实现为一个或更多个光电二极管。
24.因此，这样的信号处理装置能够并行处理两个光敏元件或者对光敏元件之一与提供传感器电压的传感器元件一起进行处理。
25.例如，传感器元件包括用于心电图ecg测量的至少两个电极。信号处理装置还包括连接在电压传感器输入端与第一电压输入端之间的处理块。例如，这样的处理块包括用于泄漏补偿和/或导联脱落检测的元件和/或用于处理相应电压信号的放大器。因此，提供给第二选择单元并且如果被选择则提供给电压adc的电压信号实现待评估的ecg信号。
26.因此，信号处理装置支持与光电流之一并行地或作为一个或更多个光电流的替代来处理ecg信号。
27.在各种实现方式中，第一光敏元件和第二光敏元件适用于以下配置中的至少一种：
[0028]-第一光敏元件和第二光敏元件被配置用于光电体积描记术ppg；
[0029]-第一光敏元件被配置用于ppg，以及第二光敏元件被配置用于检测氧饱和度；
[0030]-第一光敏元件被配置用于ppg，以及第二光敏元件被配置用于环境光检测。
[0031]
在第一光敏元件和第二光敏元件都被配置用于ppg的情况下，例如可以执行多波长ppg测量，从而提高ppg结果的质量和/或允许改进的应用。
[0032]
其中第一光敏元件被配置用于ppg以及第二光敏元件被配置用于检测氧饱和度的配置使得能够并行测量和评估两种类型的测量信号。
[0033]
在一个光敏元件被配置用于ppg以及另一个光敏元件被配置用于环境光检测的情况下，可以通过结合相应地对同时测量的环境光信号进行补偿来提高ppg信号的测量质量，该环境光信号被包括在ppg测量中，但是恶化了ppg测量。
[0034]
如以上所讨论的，如果有两个以上的电流传感器输入端可用，例如三个或四个电流传感器输入端可用，则相应的具体配置的光敏元件可以连接至这些输入端，从而允许可选择的配置(例如来自上述配置之一)。此外，ecg信号或其他基于电压的信号的可选择测量仍然是可能的。
[0035]
在各种实现方式中，信号处理装置可以被实现为可穿戴装置，例如智能手表或腕带或眼镜等。信号处理装置还可以被实现为传感器贴片，例如使用某种粘合剂将信号处理装置固定到人或动物的皮肤。
附图说明
[0036]
下面将借助附图更详细地描述改进的处理构思。具有相同或相似功能的元件在整个附图中具有相同的附图标记。因此，它们的描述不必在下面的附图中重复。
[0037]
在附图中：
[0038]
图1示出了示例信号处理电路的示意图；
[0039]
图2示出了示例信号处理电路的另一示意图；
[0040]
图3a至图3c示出了信号处理装置的各种示例；以及
[0041]
图4a和图4b示出了光敏元件的示例配置。
具体实施方式
[0042]
图1示出了根据改进的处理构思的信号处理电路的示例实现方式。信号处理电路包括：第一电流传感器输入端pd1、第二电流传感器输入端pd2以及另外的电流传感器输入端pd3、pd4、pd5、pd6。此外，可以包括电流参考端子pdref，该电流参考端子pdref可以在内部连接至参考电位端子，如接地端子。第一选择单元sel1具有相应的电流输入端，相应的电流输入端中的第一电流输入端连接至第一电流传感器输入端pd1，第二电流输入端耦接至第二电流传感器输入端pd2，以及另外的电流输入端连接至另外的电流传感器输入端pd3至pd6。第一选择单元sel1具有连接至电流adc iadc的第一电流输出端以及耦接至电流电压转换器tia的第二电流输出端。
[0043]
信号处理电路还包括数字处理块dig，其仅为了更好的概览而示意性地示出。例如，电流adc iadc的输出端耦接至数字处理块dig。
[0044]
信号处理电路还包括电压传感器输入端vin和第二选择单元sel2，第二选择单元sel2包括耦接至电压传感器输入端vin的第一电压输入端和耦接至电流-电压转换器tia的输出端的第二电压输入端。第二选择单元sel2的电压输出端耦接至电压adc vadc，电压adc vadc的输出端耦接至数字处理块dig。
[0045]
包括电流传感器输入端pd1至pd6、电流参考端子pdref、电压传感器输入端vin和电压参考端子vinref的黑色实线例如类似于信号处理电路的边界。
[0046]
图1另外示出了光电二极管的集合作为连接在相应电流传感器输入端pd1至pd6与电流参考端子pdref之间的各种光敏元件的示例。此外，图1示出了连接至电压传感器输入端vin和电压参考端子vinref的传感器元件vs的示意性表示。光敏元件和传感器元件vs可以是包括信号处理电路的信号处理装置的一部分。
[0047]
第一选择单元sel1被配置成选择电流输入端中的一个(例如第一电流输入端和第二电流输入端中的一个)作为将连接至第一电流输出端并因此连接至电流adc iadc的第一所选输入端。此外，第一选择单元sel1被配置成选择其电流输入端(例如第一电流输入端和第二电流输入端)中的一个作为将连接至第二电流输出端并因此连接至电流-电压转换器tia的第二所选输入端。优选地，第一所选输入端和第二所选输入端彼此不同。
[0048]
例如，第一选择单元sel1内的选择基于经由第一选择输入端sin1提供的第一选择信号。例如，第一选择信号由数字处理块dig提供，但也可以由信号处理电路外部的实体提供。
[0049]
第二选择单元被配置成基于可以经由第二选择输入端sia2提供的第二选择信号将第一电压输入端和第二电压输入端中的一个连接至电压输出端。例如，第二选择信号也由数字处理块dig提供，但也可以由信号处理电路外部的实体提供。
[0050]
电流-电压转换器tia被配置成生成与从第一选择单元sel1提供的相应输入电流
相对应的电压。因此，第二选择单元sel2在其输出端处并向电压adc vadc提供相应输入电压中的一个。
[0051]
因此，在信号处理电路的操作期间，待处理的输入信号的各种配置是可用的。
[0052]
例如，在由相应选择信号确定的一种配置中，在电流传感器输入端pd1至pd6(相应地第一选择单元sel1的电流输入端)处提供的电流之一被提供给电流adc iadc，以用于将电流值转换为其数字表示。第二选择单元sel2将由传感器元件vs提供的电压提供给电压adc vadc，以用于生成相应电压值的数字表示。在这样的配置中，可以忽略第一选择单元sel1内的第二所选输入端的选择。例如，在这样的情况下，甚至根本没有选择也是个选项，使得因此没有电流被提供给电流-电压转换器tia。
[0053]
最终，所描述的配置允许对所选择的电流传感器输入端(相应地所选择的光敏元件)和传感器元件vs的传感器信号进行并行处理。
[0054]
在另一配置中，如与在前面描述的配置中一样，电流输入端(相应地电流传感器输入端pd1至pd6)中的一个也在第一选择单元sel1中被选择作为第一所选输入端。然而，在本配置中，第二所选输入端由第一选择信号确定，使得在所选择的输入端处提供的电流从所述第二所选输入端提供给电流电压转换器tia，以用于将该电流转换成对应的电压信号。此外，在第二选择单元sel2中，经由第二选择信号选择被连接至电流电压转换器tia的输出端的第二电压输入端，使得电流电压转换器的输出电压被提供给电压adc vadc。
[0055]
最终，在这种配置中，可以同时对来自在本示例中被实现为光敏元件的两个电流传感器的信号进行处理。
[0056]
具体地，在第一选择单元sel1中，在相应的所选择的输入端与第一电流输出端和第二电流输出端之间建立两个并行电流路径。这避免了对切换输入端以通过单个电流路径提供电流的需要。此外，在第一电流输出端和第二电流输出端处并行提供相应的传感器电流允许经由模数转换器iadc、vadc同时从模拟域转换到数字域，这对于需要相应传感器电流的精确时间关系的应用尤其有益。在这种配置中，来自传感器元件vs的传感器电压被忽略。
[0057]
图2示出了基于图1所示的示例实现方式的示例信号处理电路的另一示意图。因此，在图2的描述中，已经结合图1描述的功能、操作模式等将被省略，并且将主要讨论差异或扩展。
[0058]
例如，电流adc iadc和电压adc vadc包括例如允许对相应输入信号进行噪声整形的δ-σ调制器。然而，在替代实现方式中，仅adc iadc和adc vadc中的一个可以用基于δ-σ调制器的adc来实现。
[0059]
此外，在图2的示例中，电流-电压转换器tia用跨阻放大器实现。如相应块中示意性示出的，跨阻放大器用运算放大器实现，该运算放大器在其反馈路径中具有电阻元件，以用于实际的电流到电压转换。反馈路径连接至运算放大器的反相输入端，该反相输入端还连接至第一选择单元sel1的第二电流输出端。运算放大器的同相输入端连接至参考电位端子。
[0060]
在不脱离本示例中所示的跨阻放大器的示意性方法的情况下，另外的细节可以用跨阻放大器实现。反馈路径中的电阻元件可以是可调节的，例如以用于对跨阻放大器的输入电流与输出电压之间的精确比率进行调谐。
[0061]
在图2的示例实现方式中，第一偏移电流源off1连接至第一电流输出端，以及第二偏移电流源off2连接至第二电流输出端。例如这允许补偿包括在相应传感器信号中的偏移电流，从而改善信号质量。
[0062]
数字处理块dig可以包括缓冲元件，以用于缓冲由adc iadc和adc vadc提供的相应数字值。例如，缓冲器元件被实现为允许例如异步处理或转发缓冲值的先进先出fifo缓冲器。
[0063]
此外，数字处理块dig可以包括用于向另一装置或信号处理电路或信号处理器等提供缓冲值的接口块。例如，接口块被配置成根据i2c和/或spi传输标准工作。
[0064]
在替代实现方式中，数字处理块还可以包括用于直接处理缓冲的数字值的数字信号处理器。
[0065]
在图2的示例实现方式中，传感器元件vs包括至少两个用于ecg测量的电极，这些电极耦接至相应的电极端子ecg_inp、ecg_inn。此外，传感器元件vs耦接至电压参考端子vinref。为了处理(相应地预处理)来自ecg电极的信号，信号处理装置还包括连接在电压传感器输入端vin(相应地电极端子ecg_inp、ecg_inn)与第二选择单元sel2的第一电流输入端之间的处理块vproc。例如，处理块vproc包括用于泄漏补偿和/或导联脱落检测和/或放大相应ecg信号的电路系统。这还可以包括用于向电压参考端子vinref提供相应电位的电路系统。
[0066]
例如，连接在电流传感器输入端pd1至pd6处的光敏元件中的至少两个被配置用于ppg测量。为此，信号处理电路还可以包括用于驱动相应led作为用于ppg测量的光源的电路系统。然而，为了更好地概览，在图2的当前示意性表示中没有示出这样的电路系统。
[0067]
参考结合图1给出的不同可能的配置的说明，具有连接的被配置用于ppg测量的相应光敏元件的图2的信号处理电路允许并行地选择性处理两个ppg通道，其中一个通道通过电流adc iadc被处理，以及另一个通道通过跨阻放大器和电压adc vadc被处理。例如，这允许可以提高ppg质量的多通道ppg处理。
[0068]
在另一个配置中，一个ppg通道与ecg信号并行地被处理。
[0069]
如先前所讨论的，信号处理电路与相应的传感器一起可以形成信号处理装置。虽然这样的信号处理装置的确切实现方式不应在下文中受到限制，但图3a、图3b和图3c示出了这样的信号处理装置的各种示例。例如，图3a和图3b示出了信号处理装置被实现为可穿戴装置(如图3a中的智能手表和图3b中的腕带)的示例。例如，腕带包括传感器区域sar，该传感器区域sar携载光敏元件和/或电压传感器元件vs(例如ecg电极)中的至少一个。此处未示出的另一种实现方式是作为眼镜特别是智能眼镜的信号处理装置的实现方式。
[0070]
图3c示出了作为传感器贴片的信号处理装置的实现方式，其中传感器区域sar通过某种粘合剂(例如创可贴)固定到人或动物的皮肤。
[0071]
尽管有ppg，可连接至信号处理电路的光敏元件中的一个或更多个可以被配置用于检测氧饱和度(例如外周氧饱和度spo2)和/或环境光。例如，环境光检测可以用于补偿来自ppg配置的光敏元件的信号中的环境光影响。
[0072]
在本说明书的意义上，光敏元件不仅可以是单个光电二极管或其他单个装置，还可以包括这样的装置的组，这些组例如并行地提供其相应的光电流以提高信号质量和/或强度。因此，若干光电二极管或其他装置可以布置在组中，这些组一起将其相应的光电流各
自提供给电流传感器输入端pd1至pd6中的一个。
[0073]
图4a和图4b示出了光敏元件特别是布置在多个组中的光电二极管的示例配置。
[0074]
例如，图4a示出了在该示例中以十字形布置的第一组光电二极管gr1和第二组光电二极管gr2。例如，每组的光电二极管被配置用于ppg测量，使得利用信号处理电路，可以在并行执行ecg测量时选择可能具有更高信号质量或更好信号强度的组中的任一个，或者可以并行处理两组gr1、gr2的信号。
[0075]
图4b示出了类似的示例配置，在该配置中两个光电二极管集合被布置成两组gr1、gr2，并且被布置成十字形。例如，其中一组的光电二极管设置有绿色波长滤波器，而另一组的光电二极管设置有针对红光/红外光的波长滤波器，使得ppg和氧饱和度确定(例如用于外周氧饱和度spo2)都是可能的。
[0076]
第二选择单元可以包括另外的电压输入端，可以用第二选择信号来选择该另外的电压输入端作为要提供给电压adc的输出电压。例如，可以存在另外的传感器输入端以及/或者可以测量信号处理装置的内部电压。
[0077]
应当理解，本公开内容不限于所公开的实施方式以及上文已经特别示出和描述的内容。相反，在单独的从属权利要求书或说明书中列举的特征可以有利地被组合。此外，本公开内容的范围包括那些变化和修改，这些变化和修改对于本领域技术人员来说是明显的，并且落入所附权利要求书的精神之内。在权利要求书或说明书中使用的术语“包括”不排除对应特征或过程的其他元件或步骤。在术语“一”或“一个”与特征结合使用的情况下，它们不排除多个这样的特征。此外，权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
[0078]
附图标记列表
[0079]
pd1至pd6 电流传感器输入端
[0080]
pdref 电流参考端子
[0081]
vin 电压传感器输入端
[0082]
vinref 参考电压端子
[0083]
vs 传感器元件
[0084]
sel1、sel2 选择单元
[0085]
sin1、sin2 选择输入端
[0086]
iadc 电流adc
[0087]
vadc 电压adc
[0088]
dig 数字处理块
[0089]
tia 电流-电压转换器
[0090]
off1、off2 偏移电流源
[0091]
fifo 缓冲元件
[0092]
ifc 接口块ib
[0093]
ecg_inp、ecg_inn 电极端子
[0094]
vproc 处理块
[0095]
sar 传感器面积
[0096]
gr1、gr2 组