模擬信號的時域微分比較的方法和裝置的製作方法

2023-08-07 01:55:16

專利名稱：模擬信號的時域微分比較的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及模擬信號，並且更具體而言，本發明涉及處理模擬信號。
背景技術：
傳統的比較器在模擬信號的瞬時值和參考值之間做比較。時域微分
(time-differential)模擬比較器將在當前時間間隔中採集的模擬信號的值與在過去時間間隔中採集的相同模擬信號的值進行比較。這在一些電子電路應用中可以用於獲知對於電路，在相當長的一段時間中，緩慢變化的量是否已經改變了很多。
電子電路一般使用被優化用於高速工作，對在非常短的時間內發生的事件作出響應的部件。這些電路通常用在控制要花很長時間作出響應的緩慢變化的過程的應用中。例如，控制大型機械系統從而控制工業過程的微型電路的部件一般被縮放以與在數微秒的時間段中發生的事件一起操作。這些電路常常必須對在若千秒、分鐘或小時的時間段中發生的事件作出響應。通過增加電路的大小來匹配應用的緩慢響應是不實際的。
允許小的快速電路與慢的模擬過程一起工作的普通技術將模擬信息轉換為數字形式，並且隨後將數字信息存儲在存儲器中。快速電路在暫停狀態等待，或者執行其它任務，直到經過了在模擬信息中可能要發生改變的足夠的時間為止。隨後，當前的模擬信息被轉換為數字形式，並與已經被存儲在存儲器中的過去的模擬信息進行比較。這種技術對於在它們的控制電路中使用模數轉換器、數字存儲器和數字處理器的大型系統是很正常的。而這種技術通常對於在它們的控制電路中不需要模數轉換和數字存儲器的簡單的低成本系統是不實際的。
一種利用與傳統比較器一起使用的採樣保持電路、將模擬信息作為模擬值存儲的替代技術，在涉及較長的時間間隔時，尤其是希望在集成電路中封裝控制功能時，也是不實際的，這是因為這種替代技術的使用一般涉及大的電容器以及接近漏電流值的非常小的電流。

發明內容
本發明的一個技術方案提供了一種時域微分模擬比較器，其包括以下部件具有響應於模擬輸入的頻率的變頻信號的源；計數電路，該計數電路被耦合以對所述變頻信號的周期計數，其中，所述計數電路被耦合以在第一時間間隔期間沿第一方向計數，並且被耦合以在第二時間間隔期間沿與所述第一方向相反的第二方向計數，所述第二時間間隔在所述第一時間間隔結束之後發生；定時電路，該定時電路被耦合到所述計數電路，其中，所述第一時間間隔和所述第二時間間隔由所述定時電路確定；以及評估電路，該評估電路被耦合到所述計數電路和所述定時電路，其中，所述評估電路在所述第二時間間隔結束之後對所述變頻信號的周期的計數作出響應。
本發明的另一技術方案提供了一種執行模擬信號的時域微分比較的方法，其包括以下步驟生成重複信號，該重複信號所具有的頻率響應於所
述模擬信號而變化；響應於所述重複信號的周期，在第一時間間隔期間沿第一方向計數；響應於所述重複信號的周期，在第二時間間隔期間沿第二方向計數；以及在所述第二時間間隔結束之後，評估對所述重複信號的周期的計數。
本發明的又一技術方案提供了一種時域微分模擬比較器，其包括以下部件具有響應於模擬輸入的頻率的變頻信號的源；計數電路，該計數電路被耦合以對所述變頻信號的周期計數，其中，所述計數電路被耦合以在第一時間間隔期間沿第一方向計數，並且被耦合以在第二時間間隔期間沿與所述第一方向相反的第二方向計數，所述第二時間間隔在所述第一時間間隔結束之後發生；以及評估電路，該評估電路被耦合到所述計數電路，其中，所述評估電路在所述第二時間間隔結束之後對所述變頻信號的周期的計數作出響應。


參考附圖來描述本發明的非限制性和非完全列舉式的實施例，其中，在所有的各種視圖中，除了另外指定之外，相似的標號指代相似的部分。
圖1一般地示出了根據本發明的教導的實現模擬信號的時域微分比較的裝置的框圖的一個示例。
圖2示出了根據本發明的教導的實現模擬信號的時域微分比較的示例裝置的三個信號的代表性波形。
圖3示出了圖示出根據本發明的教導的用於執行模擬信號的時域微分比較的示例方法的流程圖。
具體實施例方式
公開了根據本發明的與實現模擬信號的時域微分比較有關的示例。在下面的描述中，闡述了多個具體細節，以便於提供對本發明的透徹理解。然而，本領域的技術人員將清楚，具體細節不是必須被用來實現本發明。在其它實例中，沒有詳細描述公知的資料或方法以避免模糊本發明。
在整個本說明書中提到的"一個實施例"、"實施例"或"一個示例"意指結合實施例所描述的特定特徵、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施例或示例中。因此，在整個本說明書的各個地方出現的短語"在一個實施例中"、"在實施例中"、"在一個示例中"或"在示例中"不一定都指相同的實施例。特定特徵、結構或特性例如可以在一個或多個實施例或示例中被組合成為任何合適的組合和/或子組合。而且，特定特徵、結構或特性可以被包括在集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能的其它合適的部件中。另外，應當理解，這裡所提供的附圖是用於針對本領域技術人員的說明的目的，並且附圖不一定按比例繪製。
圖1示出了一般地根據本發明的教導的實現模擬信號的時域微分比較
的裝置的框圖的一個示例。如圖所示，變頻(variable frequency)信號源105被耦合以接收模擬輸入135。模擬輸入135可以是電信號或諸如溫度或海拔高度之類的外部參數。在示例中，變頻信號源105的頻率響應可以是線性的或非線性的，並且來自變頻信號源105的信號110的頻率可以響應於模擬輸入135的值的增加而增大或減小，只要當模擬輸入135在感興趣的範圍內增加時信號110的頻率一直增加或一直減小。
從模擬輸入135接收的模擬信號可以是電信號或電路的部件的內部參數(intrinsic parameter)。該部件可以是變頻信號源105的部件或不同電路的部件。在一個示例中，電路的部件被包括在集成電路中。在一個示例中，內部參數是變頻信號源105中的熱變(temperature-dependent)電阻器的電阻值。因此，在這個示例中，內部參數對溫度作出響應。
在一個示例中，計數電路115對變頻信號源105的周期計數。定時電路155確定計數電路115何時計數，以及各個計數是增加還是減小計數電路115的累計值。如在示例中所示的，定時電路155接收開始比較150命令以執行對在模擬輸入135處接收的模擬信號的比較。定時電路155可選擇地可以提供可選模式選擇信號165，在一個示例中，該可選模式選擇信號165是一個激勵(stimulus)，該激勵作為用於對該激勵之前和該激勵之後的模擬信號進行比較的一個參考。在一個示例中，該激勵是可能會影響在模擬輸入135接收的模擬信號的值的一個改變。在一個示例中，該激勵在定時器接收到開始比較150命令之後發生。因此，該激勵是用於比較模擬信號的兩個值的參考時間，這是因為將該激勵之後的模擬信號的值與該激勵之前的模擬信號的值進行比較。
在一個示例中是雙向計數器、有時稱作加減計數器的計數電路115從變頻信號源105接收重複信號110。計數電路115將計數值作為可能包括多個數字比特的串行或並行數字計數信號120發送。來自定時電路155的向上計數信號140和向下計數信號145確定計數電路115如何對來自變頻信號源105的信號110的重複周期作出響應。計數電路115針對來自變頻源105的信號110的每個周期可以增加計數值、減小計數值或者讓計數不改變。
如在示例中所示的，從定時電路155接收向上計數信號140和向下計數信號145。在一個示例中，定時電路155響應於開始比較信號150而啟
8動一個定時序列。在定時序列期間，定時電路155可以設置(assert)向上計數信號140、向下計數信號145、可選模式選擇信號165和定時完成信號160。當完成定時序列時，定時電路155設置定時完成信號160。將在下面的圖2中詳述定時這些信號的一個示例。在其中未提供可選模式選擇信號165的一個示例中，也不包括定時電路155，並且從外部源向計數電路115和評估電路125提供向上計數信號140、向下計數信號145和定時完成信號160。
如在圖示出的示例中所示的，評估電路125接收數字計數信號120和定時完成信號160以產生判決(decision)信號130。判決信號130被耦合以根據本發明的教導對模擬輸入135的比較結果產生所希望的響應。例如，如果比較結果是不希望的，則判決信號130可以引導對在模擬信號中產生了改變的激勵的反向(reversal)。如果比較結果是希望的或無關緊要的，則判決信號130可以不採取動作。
圖2示出了根據本發明的教導的來自圖1中示出的時域微分模擬比較器的一個示例的三個信號的代表性時間關係200。圖2中圖示出的示例示出了由定時電路155生成的可選模式選擇信號165，其被用來在時間間隔TB 220和時間間隔TA 240之間改變外部參數，該外部參數的改變激發了模擬輸入135中的改變。在圖2所示的示例中，時間間隔TB在模擬輸入135中的改變之前到來，而時間間隔TA在模擬輸入135中的改變之後到來。
在一個示例中，圖2所示的模擬輸入135可以是表示諸如開關(switched mode)電源之類的電子電路的溫度的電信號。在另一示例中，模擬輸入135可以是對機動車輛的燃料消耗的指示。在又一示例中，圖2中所示的模擬輸入135可以表示來自機動車輛的發動機的廢氣濃度。在涉及電源的示例中，可選模式選擇信號165可以用於改變電源的模式以提高電源的效率。在涉及機動車輛的示例中，可選模式選擇信號165可以改變將發動機耦合到機動車的車輪的傳動齒輪齒數比(gear ratio oftransmission)。在這些示例中，比較的目的可以是確定齒輪齒數比的改變是否引起在模擬輸入135中的所希望的改變。在這些示例中，判決信號130可以用來指示保持在現在的齒輪齒數比較好還是選擇一個不同的齒輪
9齒數比較好。在一個簡單示例中，評估電路125僅僅指示在時間間隔TA 240的結尾處來自雙向計數器的計數是否大於零。當然，應該理解，上述 示例僅僅是被提供來用於說明的目的的示例，並且可以根據本發明的教導 而利用其它的應用。
再次參考圖2所示的示例，在時刻t。 210處為定時電路155設置啟動 了一個定時事件序列(如將要被討論的)的開始比較信號150，同時在時 刻t。210處，可選模式選擇信號165處於低的狀態以選擇第一模式。在時 刻t。 210處，定時電路155啟動計數電路115以在時間間隔Tb220期同沿 第一方向對信號IIO的周期進行計數。在時間間隔TB220的結尾處，計數 電路115已經計數了 Ns個變頻信號源105的周期，並且定時電路155暫停 計數器達暫停時間間隔Tp230的時間段。在暫停時間間隔Tp 230期間，可 選模式選擇信號165從低的狀態改變為指示第二模式的選擇的高的狀態。
在圖2所示的示例中，模擬輸入135利用幅值的降低來對模式的改變 作出響應。變頻信號源105通過改變信號110的頻率來對模擬輸入135的 改變作出響應。隨後，定時電路155使得計數電路115在時間間隔TA240 期間沿與第一方向相反的第二方向對來自變頻信號源105的信號110的周 期進行計數。在時間間隔TA240的結尾處，計數電路115已經計數了 NA 個來自變頻信號源105的信號的周期，並且合量(resultant)數字計數120 是Ne和NA之間的差異。因此，根據本發明的教導，時間間隔TA240的結 尾處的合量數字計數120將指示在暫停時間間隔Tp 230之後的模擬輸入 135如何不同於暫停時間間隔TP 230之前的模擬輸入135。
雖然時間間隔TB220可以不同於時間間隔TA240以在結果中獲得所希 望的偏差，但是在大多數示例中，暫停時間間隔Tp 230之前的時間間隔 TB220等於暫停時間間隔Tp 230之後的時間間隔TA240。暫停時間間隔TP 230 —般足夠長以用於模式的改變和參數的穩定。在一些示例中，暫停時 間間隔Tp 230可以僅僅是計數電路115改變方向所需要的時間。因此，在 一些示例中，暫停時間間隔Tp 230基本上可以是零。在其它示例中，暫停 時間間隔Tp 230基本上可以長於時間間隔1\240和時間間隔TB220。在其 它示例中，可以通過暫停變頻信號源105而非禁止計數電路115而獲得暫停時間間隔Tp。
在一個示例中，定時電路155可以是響應於來自具有基本上固定的頻 率的振蕩器的定時信息的數字時間間隔計數器。在另一個示例中，定時電 路155可以是模擬定時器，例如是將電容器充電和放電以在所希望的時間 間隔內達到電壓閾值的模擬計數器。
圖3是根據本發明的教導圖示出了一種使用圖1所示出的示例中的元 件對模擬信號進行時域微分比較的示例方法的流程圖300。在圖3的流程 圖300中，計數電路115稱作計數器，定時電路155稱作定時器，而變頻 信號源105稱作振蕩器。如在示例中所示的，比較過程在塊305中開始。 塊310設置開始比較信號150以啟動用於比較的序列。在塊315中，計數 電路115和定時電路155被設置為初始值。在塊320中，定時電路155啟 動定時。在塊325中，計數電路115在第一方向中對來自變頻信號源105 的重複信號110的周期進行計數，在每個經計數的周期後更新計數。塊 330檢査定時電路155從其在塊320中開始起經過的時間。計數電路115 在TB220持續期間繼續對來自變頻信號源105的重複信號110的周期進行 計數。隨後，在塊335中，計數電路115停止。
在一個示例中，定時電路155在塊335處停止計數電路115，同時變 頻信號源105繼續振蕩。在另一個示例中，定時電路155停止變頻信號源 105以使計數電路115停止計數。在暫停(其間可以可選擇地在塊340中 利用可選模式選擇信號150改變模式)之後，在塊345中，計數電路115 在第二方向中對變頻信號源105的周期進行計數，第二方向與第一方向相 反。在另一個示例中，在塊340中，在暫停期間或者可以不改變模式，並 且在第二方向中的計數在暫停之後執行。在任一示例中，如果第一方向在 每個計數上遞增了計數電路115，向上計數，則隨後第二方向從數NB遞減 計數電路115，向下計數，數NB是計數電路115在時間間隔TB220的結尾 處累計的。塊350檢査定時電路155從塊340中的暫停的結尾處起所經過 的時間。計數電路115在TA240持續期間繼續對來自變頻信號源105的信 號110的周期進行計數。隨後，在塊355中，計數電路110停止計數。評 估電路125在塊360中解釋計數值以在塊365中產生判決信號130。在塊
ii370處，過程結束。
包括在摘要中描述的內容在內的對本發明的圖示出的示例的上述描述 不希望是完全列舉的，或者是對所公開的精確形式的限制。雖然在此為了 示例性目的而描述了本發明的實施例和針對本發明的示例，但是不脫離本 發明的寬泛精神和範圍的各種等同的修改是可能的。
根據上述的詳細描述，可以使這些修改作為本發明的示例。在下面的 權利要求中所使用的術語不應當被理解為將本發明限制為在本說明書和權 利要求書中所公開的具體實施例。更合適地，應完全由所附權利要求書來 確定保護範圍，應根據已確立的權利要求解釋的原則來對權利要求進行解 釋。因此，本說明書和附圖被認為是說明性的而不是限制性的。
權利要求
1. 一種時域微分模擬比較器，包括變頻信號的源，該變頻信號具有響應於模擬輸入的頻率；計數電路，該計數電路被耦合以對所述變頻信號的周期計數，其中，所述計數電路被耦合以在第一時間間隔期間沿第一方向計數，並且被耦合以在第二時間間隔期間沿與所述第一方向相反的第二方向計數，所述第二時間間隔在所述第一時間間隔結束之後發生；定時電路，該定時電路被耦合到所述計數電路，其中，所述第一時間間隔和所述第二時間間隔由所述定時電路確定；以及評估電路，該評估電路被耦合到所述計數電路和所述定時電路，其中，所述評估電路在所述第二時間間隔結束之後對所述變頻信號的周期的計數作出響應。
2. 如權利要求1所述的時域微分模擬比較器，其中，所述模擬輸入是 電信號。
3. 如權利要求1所述的時域微分模擬比較器，其中，所述模擬輸入是 電路部件的內部參數。
4. 如權利要求3所述的時域微分模擬比較器，其中，所述電路部件包 括在集成電路中。
5. 如權利要求3所述的時域微分模擬比較器，其中，所述內部參數是 響應於溫度的。
6. 如權利要求1所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時電路對 一輸入作出響應，所述輸入啟動包括所述第一時間間隔和所述第二時間間 隔的定時事件序列。
7. 如權利要求6所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時事件序 列包括所述第一時間間隔和所述第二時間間隔之間的暫停時間間隔。
8. 如權利要求1所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時電路被 耦合以生成信號來在所述第一時間間隔和所述第二時間間隔之間改變外部 參數。
9. 一種執行模擬信號的時域微分比較的方法，包括-生成重複信號，該重複信號所具有的頻率響應於所述模擬信號而變化；響應於所述重複信號的周期，在第一 時間間隔期間沿第一方向計數； 響應於所述重複信號的周期，在第二時間間隔期間沿第二方向計數；以及在所述第二時間間隔結束之後，評估對所述重複信號的周期的計數。
10. 如權利要求9所述的方法，還包括在所述第一時間間隔的結束與 所述第二時間間隔的開始之間改變外部參數。
11. 如權利要求9所述的方法，還包括在所述第一時間間隔開始之 前，對所述重複信號的周期的計數進行初始化。
12. 如權利要求9所述的方法，還包括在所述第二時間間隔結束之 後，響應於對所述重複信號的周期的所述計數的評估而輸出判決信號。
13. —種時域微分模擬比較器，包括 變頻信號的源，該變頻信號具有響應於模擬輸入的頻率； 計數電路，該計數電路被耦合以對所述變頻信號的周期計數，其中，所述計數電路被耦合以在第一時間間隔期間沿第一方向計數，並且被耦合 以在第二時間間隔期間沿與所述第一方向相反的第二方向計數，所述第二 時間間隔在所述第一時間間隔結束之後發生；以及評估電路，該評估電路被耦合到所述計數電路，其中，所述評估電路 在所述第二時間間隔結束之後對所述變頻信號的周期的計數作出響應。
14. 如權利要求13所述的時域微分模擬比較器，其中，所述模擬輸入 是電信號。
15. 如權利要求13所述的時域微分模擬比較器，其中，所述模擬信號 是電路部件的內部參數。
16. 如權利要求15所述的時域微分模擬比較器，其中，所述電路部件 包括在集成電路中。
17. 如權利要求15所述的時域微分模擬比較器，其中，所述內部參數 是響應於溫度的。
18. 如權利要求13所述的時域微分模擬比較器，還包括被耦合到所述 計數電路的定時電路，其中，所述第一時間間隔和所述第二時間間隔由所 述定時電路確定。
19. 如權利要求18所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時電路 對一輸入作出響應，所述輸入啟動包括所述第一時間間隔和所述第二時間 間隔的定時事件序列。
20. 如權利要求19所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時事件 序列包括所述第一時間間隔和所述第二時間間隔之間的暫停時間間隔。
21. 如權利要求18所述的時域微分模擬比較器，其中，所述定時電路 被耦合以生成信號來在所述第一時間間隔和所述第二時間間隔之間改變外 部參數。
全文摘要
本發明涉及模擬信號的時域微分比較的方法和裝置。公開了一種時域微分模擬比較器。根據本發明的各個方面的一種示例裝置包括具有響應於模擬輸入的頻率的變頻信號的源。計數電路被耦合以對變頻信號的周期計數。該計數電路被耦合以在第一時間間隔期間在第一方向中計數，並且被耦合以在第二時間間隔期間在與第一方向相反的第二方向中計數，該第二時間間隔在第一時間間隔結束之後發生。評估電路被耦合到計數電路。該評估電路在第二時間間隔結束之後對變頻信號的周期的計數作出響應。
文檔編號G05B1/02GK101464658SQ200810187880
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月22日 優先權日2007年12月21日
發明者威廉姆·M·波利夫卡 申請人:電力集成公司