用於確定信號的頻率或周期的方法
2023-07-17 15:12:06 2
專利名稱：用於確定信號的頻率或周期的方法
用於確定信號的頻率或周期的方法
背景技術：
本發明一般涉及用於確定信號的頻率或周期的方法，並且更具體地涉及用於為信號的時序邊沿確定時間戳的方法。重複(或周期性)信號的頻率(f)能夠根據在特定時間間隔⑴期間出現的該信號的循環數量(M)來定義。有幾種用於確定信號的頻率的已知方法，信號的頻率也稱為頻率計數。兩個基本類型的頻率計數是直接計數和倒數計數。直接計數器對已知時間間隔(例如，1秒)的信號循環的數量(M)進行計數。如果時間間隔等於一秒(t = Is)，則頻率表示為每秒的循環數量或循環數量赫茲(Hz)。另一方面，不對信號循環的數量進行計數以確定頻率(f)，倒數計數器確定信號的周期(T)，這能通過測量完成單個信號循環的時間間隔(t)來確定(T = t)。一旦信號的周期已確定，則該信號的頻率能夠通過倒置周期(f = 1/T)以計算每秒信號循環的數量或信號循環數量Hz來確定。備選的是，不是測量完成單個信號循環的時間間隔，而是通過測量完成已知數量的信號循環(M)的時間間隔(tM)，並將該時間間隔除以信號循環的數量(T = tM/M)，能夠確定周期。同樣地，該信號的頻率能夠通過計算周期的倒數來確定(f = 1/T = M/tM)。相應地，為確定時間間隔，倒數計數要求確定信號循環的開始和下一信號循環或某一其它已知信號循環(例如，每10個信號循環)的開始，並將時間戳與那些事件的每個相關聯。這些信號循環開始時間的時間戳能夠根據計時器時鐘信號(例如，計時器時鐘循環100)的時鐘循環數量的計數、或相當於計時器時鐘循環計數的時間(即，具有IOOns的計時器時鐘周期的計時器時鐘信號的計時器時鐘循環100相當於IOms的時間(100個計時器時鐘循環乘以IOOns/計時器時鐘循環))來提供。如果時間戳根據計時器時鐘循環的數量來提供，則在信號循環期間出現的計時器時鐘循環的數量能夠乘以計時器時鐘周期以確定時間間隔。如果時間戳提供為相當於計時器時鐘循環計數的時間，則時間間隔能夠通過從第二時間戳減去第一時間戳來確定。給定對計時器時鐘循環計數的此依賴性時，常規倒數計數器的準確度依賴於計時器時鐘的速度。例如，如果計時器時鐘正在IOMHz操作(即， 計時器時鐘循環每IOOns出現)，則倒數計數器的解析度是100ns。計時器時鐘速度與結果解析度之間的此相關通過在t = 0開始的以下說明性示例來解釋。假設在計時器時鐘循環計數等於001時，在t = 95ns檢測到信號循環的第一信號時序邊沿(例如，開始信號循環的特定上升邊沿或下降邊沿)。由於計時器時鐘循環計數在第一計時器時鐘周期期間從t = Ons到IOOns等於001 (即，直至第二計時器時鐘循環在 IOOns出現)，而無論在此第一計時器時鐘周期內何時檢測到第一信號時序邊沿，因此，計時器時鐘循環計數將等於001。現在假設在計時器時鐘循環計數等於005時在時間=405ns 檢測到第二信號時序邊沿。同樣地，由於計時器時鐘循環計數在第五計時器時鐘周期期間從t = 400η到500ns等於005，而無論在此第五計時器時鐘周期期間何時檢測到信號的第二信號時序邊沿，因此，計時器計數器將等於005。相應地，在此示例中，倒數計數器已經用計時器計數或相當於計時器計數的時間(即，001的計時器計數相當於IOOns的時間，並且005的計時器計數相當於500ns的時間)來為第一和第二信號時序邊沿加上時間戳。為了確定信號的此單個循環的時間間隔(或周期(T))，從第二時間戳(500ns或計時器時鐘循環005)減去第一時間戳(100ns或計時器時鐘循環001)以提供400ns的時間間隔。單個信號循環的此時間間隔相當於2. 5MHz的頻率。然而，如此示例中所示，信號循環的實際時間間隔(從95ns到405ns)只是310ns而不是400ns，這表示確定的時間間隔 (400ns = 2. 50MHz)與實際時間間隔(310ns = 3. 23MHZ)之間90ns的誤差。
此誤差能夠通過使用更快的計時器時鐘來降低，該時鐘將降低計時器時鐘周期和提高解析度。例如，如果計時器時鐘當時正在20MHz而不是IOMHz操作(即，每個計時器時鐘循環具有50ns而不是IOOns的周期)，則在計時器時鐘循環計數等於相當於IOOns的時間的002 (第二計時器時鐘循環)時在t = 95ns檢測到第一信號時序邊沿，而在計時器時鐘循環計數等於相當於450ns的時間的009時在時間=405ns檢測到第二信號時序邊沿。 這將提供350ns的確定時間間隔(7個計時器時鐘循環乘以計時器時鐘周期(即，50ns))， 從而將降低確定的時間間隔(350ns = 2. 86MHz)與實際時間間隔(310ns = 3. 23MHZ)之間的誤差。雖然增大計時器時鐘的速度提高了倒數計數器的解析度，但這也增大了功耗和從而導致的系統熱生成。在要求電池電力或不能有效地消散另外熱量的系統中，計時器時鐘速度的此類增大可能不是一種選擇。此外，計時器時鐘的大量增大要求補充的電子器件具有在這些更高速度操作的容量，這能夠增加系統的成本。給定增大計時器時鐘的速度以提高倒數計數器的解析度的缺點的情況下，其它系統已尋求通過使用延遲線來提高系統解析度而不必增大計時器時鐘的速度。然而，在這些系統中，延遲線附連到一般以比正在測量的信號更大得多的速度操作的計時器時鐘。相應地，雖然這些延遲線系統稍微消除了增大計時器時鐘速度而將要求的功耗，但在計時器時鐘速度操作的裝置的數量中要求的增大仍導致功耗、熱生成和成本的增大。將有利的是，顯著提高倒數計數器的解析度而不必顯著增大計時器時鐘速度或功
^^ O
發明內容
公開了用於為信號時序邊沿確定時間戳以便在例如用於確定信號的頻率的倒數計數器中使用的方法，包括以下步驟將信號輸入抽頭延遲線(tapped delay line)，在每個延遲線抽頭的輸出產生多個延遲線抽頭信號。在一個實施例中，在檢測信號時序邊沿並確定對應於在信號時序邊沿或下一個時鐘時序邊沿的計時器時鐘循環計數的初始時間值後，監視延遲線抽頭信號以確定要對初始值進行的分數校正時間值調整，以計及信號時序邊沿與下一個時鐘時序邊沿之間的延遲來確定時間戳。在另一個實施例中，在檢測信號時序邊沿後，對應於在延遲線抽頭信號時序邊沿的計時器時鐘循環計數的多個延遲線計時器時鐘循環計數的平均值用於確定時間戳。
圖1是本發明的一個實施例中使用延遲線鎖存器(latch)的五級倒數計數器的框圖。
圖2是本發明的另一實施例中使用延遲線鎖存器的四級倒數計數器的框圖。圖3是示範時序圖。圖4是本發明的另一實施例中的使用多個計時器計數器捕捉寄存器的四級倒數計數器的框圖。
具體實施例方式本文公開了用於確定異 步信號200的頻率(f)或周期(Ts)的方法。在本發明的這些實施例的每個中，倒數計數器用於提供更高解析度以便為信號時序邊沿確定更準確的時間戳(TS)。圖1和2示出能夠用於使用帶有多級抽頭延遲線10的延遲線鎖存器20來實踐本發明的倒數計數器1、2的框圖，串聯的每個延遲線抽頭(即，第一延遲線抽頭11、第二延遲線抽頭12、第三延遲線抽頭13、第四延遲線抽頭14及第五延遲線抽頭15)按照小於計時器時鐘周期(Te)的延遲線抽頭時延(例如，相等的時延用於每個或不同的時延用於每個)將信號200延遲。如將展示的，倒數計數器1、2能根據用於抽頭延遲線10的延遲線抽頭的數量(N)和狀態(S)，將用於確定信號200的頻率(f)或周期(Ts)的解析度在計時器時鐘信號300提供的解析度上提高某個倍數(R)。例如，為了將帶有解析度為IOOns的IOMHz的計時器時鐘速度的常規倒數計數器的解析度提高期望的解析度提高倍數5 (F = 5)(即，相當於具有解析度為20ns的50MHz的計時器時鐘速度的常規倒數計數器)，能夠提供具有如圖1所示串聯的五個延遲線抽頭(N =F)或如圖2所示串聯的至少四個延遲線抽頭(N = F-1)的抽頭延遲線10。用於每個延遲的延遲線抽頭時延(tD)能夠等於計時器時鐘信號300的周期(T。)除以期望的解析度提高倍數(tD = Tc/F)以提供沿多級抽頭延遲線10的延遲線抽頭時延，這些時延是計時器時鐘周期(Te)的整數因數。在期望的解析度提高倍數5的情況下使用IOMHz計時器時鐘信號的示例(Tc= 100ns)，每個的延遲線抽頭時延(tD)將為20ns。備選的是，用於每個延遲的延遲線抽頭時延(tD)無需相等或者是計時器時鐘周期(T。)的整數因數，而是能夠是計時器時鐘周期(Te)的某些其它已知細分。技術人員將理解，帶有不同數量的級和狀態及不同延遲線抽頭時延的實施例能夠與本發明一起使用，並且在本發明的範圍和精神內。再次參照圖1，倒數計數器1具有五級抽頭延遲線10 (N = 5)，而在圖2中，倒數計數器2具有四級抽頭延遲線10 (N = 4)。在倒數計數器1、2的每個中，信號200在抽頭延遲線10的輸入接收，串聯的每個延遲線抽頭根據延遲線抽頭時延(例如，相等的時延)將信號延遲。相應地，並且如圖3的示範時序圖中所示，每個延遲線抽頭的輸出是在時間上按照串聯的前面延遲線抽頭的延遲線抽頭時延之和所延遲的信號200 (例如，第二延遲線抽頭信號212被兩個延遲線抽頭時延11、12延遲，而第三延遲線抽頭信號213被三個延遲線抽頭時延11、12、13延遲)。每個延遲線抽頭的輸出連接到提供抽頭延遲線10的狀態(S)的延遲線鎖存器20。如圖3的示範時序圖所示，除由抽頭延遲線10的輸入來接收外，信號200也連接到計時器計數器捕捉寄存器30，該寄存器持續對來自計時器時鐘信號300的計時器時鐘循環的數量進行計數(例如，對第一計時器時鐘循環(100)、第二計時器時鐘循環(101)等計數)。計時器計數器捕捉寄存器30還持續監視信號200以檢測指示信號循環開始的信號時序邊沿201 (例如，信號200的上升邊沿)。雖然所示實施例檢測信號200的上升邊沿為信號時序邊沿201 (並且計時器時鐘信號300的上升邊沿作為時鐘時序邊沿302)，但技術人員將理解，多種信號時序邊沿(例如，下降邊沿)的檢測在本發明的範圍和精神內。在操作中，信號時序邊沿201的檢測啟動計時器計數器捕捉寄存器30中計時器時鐘的當前計時器時鐘循環計數(Cs)的捕捉。如在圖3的示範時序圖中所示，在計時器計數器捕捉寄存器 30中計時器時鐘循環計數(Cs)是100時在時間tSE檢測到信號時序邊沿201。然而，直至緊隨信號時序邊沿201的時間t。E(檢測到標記計時器時鐘循環開始的計時器時鐘信號300 的下一個時鐘時序邊沿302)，計時器計數器捕捉寄存器30才確實捕捉到並能夠輸出信號時序邊沿201的計時器時鐘循環計數(Cs)。此外，在時間tCE在下一個時鐘時序邊沿302上，延遲線鎖存器20捕捉並能夠輸出抽頭延遲線10的狀態(S)，該狀態由延遲線抽頭的輸出來提供。例如，在圖3的示範時序圖中，在時間1^在下一個時鐘時序邊沿302，延遲線鎖存器20的狀態是10000 (即，來自第一延遲11的第一延遲線抽頭信號211是高(D1 = 1)，而剩餘四個延遲線抽頭信號的該狀態是低(D2 = D3 = D4 = D5 = 0))。如圖3所示，由於第一延遲線抽頭信號時序邊沿221 (即在此示例中是上升邊沿)出現在下一個時鐘時序邊沿302之前，因此，第一延遲線抽頭信號211是高(D1 = 1)，而剩餘延遲線抽頭信號由於其延遲線抽頭信號時序邊沿在下一個時鐘時序邊沿302後出現，因此是低。如將展示的，監視延遲線鎖存器20的狀態(S)允許分數的校正時間值被應用到計時器時鐘循環計數(Cs)或相當於計時器時鐘循環計數(Cs)的時間(在本文中使用術語「對應」和「對應於」時，這兩者均「對應於」計時器時鐘循環計數 (Cs))，以計及在時間tSE檢測到信號時序邊沿201與在時間砧在計時器時鐘信號300的下一個時鐘時序邊沿302實際捕捉計時器時鐘循環計數(Cs)之間的延遲。提高倒數計數器 1、2的解析度的正是這些分數的校正時間值。再次參照圖1，倒數計數器1具有五級抽頭延遲線10 (N = 5)，從而為延遲線鎖存器20提供至少6個可能狀態(S = N+1)。再次使用具有IOMHz計時器時鐘信號300的系統的示例(即，計時器時鐘周期(T。)是100ns)，其具有各個延遲線抽頭時延為tD = 20ns (計時器時鐘周期(Te)的五分之一或計時器時鐘循環的0. 20以提供F = 5的解析度提高倍數)，下面的表1示出延遲線鎖存器20的狀態(S)與在時間tSE檢測到信號時序邊沿201和在時間t。E在時計器時鐘信號300的下一個時鐘時序邊沿302實際捕捉計時器時鐘循環計數(Cs)之間的延遲範圍之間的相關表 權利要求
1.一種用於為信號的信號時序邊沿確定時間戳的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供具有計時器時鐘周期的計時器時鐘信號；(b)將所述信號輸入包括串聯的多個延遲線抽頭的抽頭延遲線中，所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照小於所述計時器時鐘周期的延遲線抽頭時延來延遲所述信號；(c)在所述多個延遲線抽頭的輸出，產生多個延遲線抽頭信號，其中所述延遲線抽頭信號的每個是按照串聯的前面的延遲線抽頭的所述延遲線抽頭時延之和來延遲的所述信號；(d)檢測所述信號時序邊沿；(e)檢測所述信號時序邊沿後的下一個時鐘時序邊沿； (f)確定對應於在所述信號時序邊沿或在所述下一個時鐘時序邊沿的計時器時鐘循環計數的初始時間值；(g)通過確定所述下一個時鐘時序邊沿前出現的延遲線抽頭信號時序邊沿的數量，確定在所述下一個時鐘時序邊沿的所述抽頭延遲線的狀態；(h)基於所述抽頭延遲線的所述狀態來確定分數校正時間值以計及所述信號時序邊沿與所述下一個時鐘邊沿之間的延遲，其中所述分數校正時間值是基於具有在所述下一個時鐘時序邊沿之前出現的延遲線抽頭信號時序邊沿的所述多個延遲線信號的最後信號所經歷的所述延遲線抽頭時延的所述和的所述計時器時鐘周期的分數；以及(i)通過按照所述分數校正時間值調整所述初始時間值，為所述信號時序邊沿確定所述時間戳。
2.如權利要求1所述的方法，還包括以下步驟確定統計上相當大數量的所述時間戳上的所述抽頭延遲線的所述狀態出現的實際數量；確定所述統計上相當大數量的所述時間戳上的相對於所述信號的循環或狀態的總數的所述狀態出現的實際百分比；基於所述延遲線抽頭的理想延遲線抽頭時延，確定所述狀態出現的理想百分比；以及比較所述狀態出現的所述實際百分比和所述狀態出現的所述理想百分比以確定所述延遲線抽頭的至少一個的實際延遲線抽頭時延；其中所述分數校正時間值還基於所述延遲線抽頭的至少一個的所述實際延遲線抽頭時延。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述抽頭延遲線的所述狀態通過監視所述多個延遲線抽頭信號的所有信號來確定。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述抽頭延遲線的所述狀態通過監視少於所有所述多個延遲線抽頭信號來確定。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照相等的延遲線抽頭時延來延遲所述信號。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述相等的延遲線抽頭時延等於所述計時器時鐘周期除以所述延遲線抽頭的數量。
7.如權利要求5所述的方法，其中所述相等的延遲線抽頭時延等於所述計時器時鐘周期除以少於所述延遲線抽頭的數量。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述初始時間值是在所述信號時序邊沿的所述計時器時鐘循環計數乘以所述計時器時鐘周期。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述按照所述分數校正時間值調整所述初始時間值包括組合所述分數校正時間值和所述初始時間值的步驟。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述按照所述分數校正時間值調整所述初始時間值包括從所述初始時間值減去所述分數校正時間值的步驟。
11.一種用於為信號的信號時序邊沿確定時間戳以用於在確定所述信號的頻率或周期中使用的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供具有一個計時器時鐘循環的計時器時鐘周期的計時器時鐘信號；(b)將所述信號輸入包括串聯的多個延遲線抽頭的抽頭延遲線中，所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照小於所述計時器時鐘周期的延遲線抽頭時延來延遲所述信號；(c)在所述多個延遲線抽頭的輸出，產生多個延遲線抽頭信號，其中所述延遲線抽頭信號的每個是按照串聯的前面的延遲線抽頭的所述延遲線抽頭時延之和來延遲的所述信號；(d)檢測所述信號時序邊沿；(e)確定對應於在所述延遲線抽頭信號時序邊沿的計時器時鐘循環計數的多個延遲線計時器時鐘循環計數；以及(f)通過確定所述多個延遲線計時器時鐘循環計數的平均值，為所述信號時序邊沿確定所述時間戳。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照相等的延遲線抽頭時延來延遲所述信號。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述相等的延遲線抽頭時延等於所述計時器時鐘周期除以所述延遲線抽頭的數量。
14.如權利要求12所述的方法，其中所述相等的延遲線抽頭時延等於所述計時器時鐘周期除以少於所述延遲線抽頭的數量。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述多個所述延遲線計時器時鐘循環計數是在所述延遲線抽頭信號時序邊沿的所述計時器時鐘循環計數乘以所述計時器時鐘周期。
16.一種用於確定信號的頻率的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供具有計時器時鐘周期的計時器時鐘信號；(b)將所述信號輸入包括串聯的多個延遲線抽頭的抽頭延遲線中，所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照小於所述計時器時鐘周期的延遲線抽頭時延來延遲所述信號；(c)在所述多個延遲線抽頭的輸出，產生多個延遲線抽頭信號，其中所述延遲線抽頭信號的每個是按照串聯的前面的延遲線抽頭的所述延遲線抽頭時延之和來延遲的所述信號；(d)檢測第一信號時序邊沿；(e)檢測所述第一信號時序邊沿後的下一個時鐘時序邊沿；(f)確定對應於在所述第一信號時序邊沿或在所述下一個時鐘時序邊沿的計時器時鐘循環計數的第一初始時間值；(g)通過確定所述下一個時鐘時序邊沿前出現的延遲線抽頭信號時序邊沿的數量，確定在所述下一個時鐘時序邊沿的所述抽頭延遲線的狀態；(h)基於所述抽頭延遲線的所述狀態來確定第一分數校正時間值以計及所述第一信號時序邊沿和所述下一個時鐘邊沿之間的延遲，其中所述第一分數校正時間值是基於具有在所述下一個時鐘時序邊沿之前出現的延遲線抽頭信號時序邊沿的所述多個延遲線信號的最後信號所經歷的所述延遲線抽頭時延的所述和的所述計時器時鐘周期的分數；(i) 通過按照所述分數校正時間值調整所述初始時間值，為所述第一信號時序邊沿確定第一時間戳；(j)重複步驟(d)到(i)以便為第二信號時序邊沿確定第二時間戳；(k)確定所述第一時間戳與所述第二時間戳之間的時間間隔；(1)確定對於所述時間間隔期間的信號循環數量的信號循環計數；以及(m)通過將所述信號循環計數除以所述時間間隔，確定所述信號的頻率。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述多個延遲線抽頭的每個抽頭按照相等的延遲線抽頭時延來延遲所述信號。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述第一初始時間值是在所述第一信號時序邊沿的所述計時器時鐘循環計數乘以所述計時器時鐘周期。
19.如權利要求16所述的方法，其中所述按照所述第一分數校正時間值調整所述第一初始時間值包括組合所述第一分數校正時間值和所述第一初始時間值的步驟。
20.如權利要求1所述的方法，其中所述按照所述第一分數校正時間值調整所述第一初始時間值包括從所述第一初始時間值減去所述第一分數校正時間值的步驟。
全文摘要
公開了用於為信號時序邊沿確定時間戳以便在例如用於確定信號的頻率的倒數計數器中使用的方法，包括以下步驟將信號輸入抽頭延遲線，在每個延遲線抽頭的輸出產生多個延遲線抽頭信號。在一個實施例中，在檢測信號時序邊沿並確定對應於在信號時序邊沿或下一個時鐘時序邊沿的計時器時鐘循環計數的初始時間值後，監視延遲線抽頭信號以確定要對該初始值進行的分數校正時間值調整，以計及信號時序邊沿與下一個時鐘時序邊沿之間的延遲來確定時間戳。在另一個實施例中，在檢測信號時序邊沿後，對應於在延遲線抽頭信號時序邊沿的計時器時鐘循環計數的多個延遲線計時器時鐘循環計數的平均值用於確定時間戳。
文檔編號H03K5/13GK102246415SQ200980150092
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月2日 優先權日2008年12月8日
發明者A·哈欽森 申請人:通用電氣公司