專利名稱：信號(hào)發(fā)生電路、包括信號(hào)發(fā)生電路的頻率測量器件以及信號(hào)發(fā)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻率的測量，尤其涉及能夠檢測頻率的微小變化的器件，以及能夠用 于所述器件的信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)發(fā)生方法。
背景技術(shù)：
作為頻率測量系統(tǒng)，已知的是直接計(jì)數(shù)系統(tǒng)和倒數(shù)系統(tǒng)(reciprocalsystem)。根 據(jù)直接計(jì)數(shù)系統(tǒng)，對在預(yù)定選通時(shí)間(gate time)內(nèi)通過的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(例如，參見申請 號(hào)為JP-A-2001-119291的日本特開專利申請)。根據(jù)倒數(shù)系統(tǒng)，精確地測量脈沖周期，并 且從其時(shí)間的倒數(shù)獲得頻率(例如，參見申請?zhí)枮镴P-A-5-172861的日本特開專利申請)。 可以用相對小規(guī)模的電路來實(shí)現(xiàn)直接計(jì)數(shù)系統(tǒng)，但是可能需要長的選通時(shí)間來獲得較高的 頻率分辨率(例如，獲得0. IHz分辨率所需的選通時(shí)間為10秒)。倒數(shù)系統(tǒng)能夠克服這一 缺點(diǎn)，但是與直接計(jì)數(shù)系統(tǒng)相比其用于精確地測量脈沖間隔的電路的規(guī)模變得較大。
當(dāng)要檢測質(zhì)量的微小變化時(shí)，例如，當(dāng)想要檢測粘附到傳感器上的有氣味物質(zhì)的 存在或不存在時(shí)，可以使用利用由物質(zhì)的粘附引起的傳感器的頻率變化的方法。例如，通過 使用利用石英晶體振蕩器作為傳感器的QCM(石英晶體微量天平)方法，能夠?qū)⒄袷幤鞯谋?面上的質(zhì)量的小變化轉(zhuǎn)換成頻率變化。通過使用振蕩器并在振蕩器的表面上設(shè)置其上粘 附有氣味成分的材料，能夠形成各種氣味傳感器。氣味成分可以由單一物質(zhì)或多種物質(zhì)構(gòu) 成。隨著樣氣被供給到氣味傳感器，其氣味成分粘附到傳感器上并改變振蕩器的表面處的 質(zhì)量，因而振蕩器的頻率變化。可以準(zhǔn)備單個(gè)傳感器或多種傳感器以便觀測所述變化，因而 能夠檢測指定氣味成分的存在。
為了檢測每個(gè)氣味傳感器的頻率變化，需要將用于檢測頻率變化的計(jì)數(shù)器和信號(hào) 處理電路添加到每個(gè)傳感器輸出中。此外，盡管石英晶體振蕩器的頻率(例如，30MHz)由于 粘附的物質(zhì)而變化，但是變化僅約為幾Hz到幾百Hz，并且變化可能小于1Hz。如上所述，直 接計(jì)數(shù)系統(tǒng)具有低頻率分辨率，因而需要花費(fèi)足夠長的選通時(shí)間來提高其頻率分辨率。作 為在測量時(shí)可能出現(xiàn)的誤差，可能出現(xiàn)正/負(fù)1計(jì)數(shù)誤差和由在觸發(fā)電平的抖動(dòng)引起的誤 差，另外，源于石英晶體振蕩器的振蕩穩(wěn)定性的誤差將疊加在前述誤差上。倒數(shù)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器 的使用可以彌補(bǔ)上述缺陷，但是，由于每個(gè)計(jì)數(shù)器的電路規(guī)模變大，不適用于具備多個(gè)傳感 器的傳感器陣列。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一些方案的優(yōu)點(diǎn)，可以提供一種使用相對簡單的電路來提高頻率測 量分辨率的頻率變化測量器件。尤其是，能夠提供一種可以用于抑制在頻率測量器件等中可能產(chǎn)生的圖像噪聲的產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種信號(hào)發(fā)生電路，具備產(chǎn)生第一信號(hào)的第一信號(hào) 源，以及產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)的可變比分頻器部分，在可變比分頻信號(hào)中，以第一分頻比對 第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第一分頻信號(hào)和以第二分頻比對第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的 第二分頻信號(hào)以指定混頻比在時(shí)間上交替出現(xiàn)。
通過上述結(jié)構(gòu)，可以以預(yù)定混頻比產(chǎn)生包含第一分頻信號(hào)的頻率分量和第二分頻 信號(hào)的頻率分量的可變比分頻信號(hào)。這里應(yīng)該注意的是，基于第一信號(hào)能夠通過數(shù)字電路 容易地產(chǎn)生第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)。換句話說，能夠在不使用電路規(guī)?？赡軙?huì)變大 的模擬電路的情況下產(chǎn)生上述可變比分頻信號(hào)。而且，具有上述結(jié)構(gòu)的信號(hào)發(fā)生電路適合 于用在頻率測量器件中，并且能夠抑制在頻率測量器件中可能出現(xiàn)的圖像噪聲的產(chǎn)生。
而且，可變比分頻器部分可以優(yōu)選地被構(gòu)造為通過重復(fù)以下處理來產(chǎn)生可變比分 頻信號(hào)處理1)，使第一變量增加第一常量，第一常量表示第一分頻信號(hào)在可變比分頻信 號(hào)中所占的比率，處理2-1)，當(dāng)?shù)谝蛔兞吭谠黾又笞兊么笥诨虻扔诘谝怀Ａ亢偷诙Ａ?相加的結(jié)果時(shí)，輸出第一分頻信號(hào)，從第一變量中減去第一常量和第二常量，并返回到處理 1)，第二常量表示第二分頻信號(hào)在可變比分頻信號(hào)中所占的比率；以及處理2-2~)，當(dāng)?shù)谝?變量在增加之后變得小于第一常量和第二常量相加的結(jié)果時(shí)，輸出第二分頻信號(hào)并返回到 處理1)。
通過上述結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)以分散的方式混頻的可變 比分頻信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種頻率測量器件，具備任一種信號(hào)發(fā)生電路；待測 量信號(hào)源，其產(chǎn)生待測量信號(hào)；計(jì)數(shù)器部分，其輸出通過對在指定期間內(nèi)包含的基于可變比 分頻信號(hào)確定出的待測量信號(hào)的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)所獲得的計(jì)數(shù)值；以及低通濾波器， 其去除在計(jì)數(shù)值中包含的高頻分量。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，一種頻率測量器件，具備任一種信號(hào)發(fā)生電路；基準(zhǔn) 頻率信號(hào)源，其產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)；計(jì)數(shù)器部分，其輸出通過對在指定期間內(nèi)包含的基于基 準(zhǔn)頻率信號(hào)確定出的可變比分頻信號(hào)的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)所獲得的計(jì)數(shù)值；以及低通濾 波器，其去除在計(jì)數(shù)值中包含的高頻分量。
通過具有上述結(jié)構(gòu)的頻率測量器件，通過至少由數(shù)字電路構(gòu)成信號(hào)發(fā)生電路，能 夠減少要用在器件中的模擬電路的比率，從而能夠使器件的尺寸較小并實(shí)現(xiàn)節(jié)電。
而且，可以優(yōu)選地基于將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性曲線與可變比分頻信號(hào)的 頻率和待測量信號(hào)的頻率之間的頻率比相比較來確定可變比分頻信號(hào)的第一分頻比、第二 分頻比和混頻比。
同樣，可以優(yōu)選地基于將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性曲線與可變比分頻信號(hào)的 頻率和基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率之間的頻率比相比較來確定可變比分頻信號(hào)的第一分頻比、第 二分頻比和混頻比。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的頻率測量器件，能夠利用第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)抑制 頻率測量中的噪聲電平。
而且，待測量信號(hào)和可變比分頻信號(hào)具有由比率x/y的小數(shù)部分限定的工作點(diǎn)參 數(shù)，此處，X為待測量信號(hào)的頻率，y為可變比分頻信號(hào)的頻率，其中，可以如下優(yōu)選地確定待測量信號(hào)的頻率，以及可變比分頻信號(hào)的第一分頻比、第二分頻比和混頻比，以使工作點(diǎn) 參數(shù)的值不變成處于噪聲電平增加的情形下的指定有理數(shù)的鄰近值。
此外，基準(zhǔn)頻率信號(hào)和可變比分頻信號(hào)具有由比率x/y的小數(shù)部分限定的工作點(diǎn) 參數(shù)，此處，X為可變比分頻信號(hào)的頻率，y為基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率，其中，可以如下優(yōu)選地 確定基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率，以及可變比分頻信號(hào)的第一分頻比、第二分頻比和混頻比，以使 工作點(diǎn)參數(shù)的值不變成處于噪聲電平增加的情形下的指定有理數(shù)的鄰近值。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的頻率測量器件，能夠有效地抑制使用所述器件的頻率測量中 的噪聲電平。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種信號(hào)發(fā)生方法，包括
基于具有指定頻率的第一信號(hào)產(chǎn)生以第一分頻比對第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的 第一分頻信號(hào)和以第二分頻比對第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第二分頻信號(hào)的步驟；以及
重復(fù)以下步驟的處理
步驟1)，使第一變量增加第一常量，第一常量表示第一分頻信號(hào)在待產(chǎn)生的可變 比分頻信號(hào)中所占的比率；
步驟2-1)，當(dāng)?shù)谝蛔兞吭谠黾又笞兊么笥诨虻扔诘谝怀Ａ亢偷诙Ａ肯嗉拥慕Y(jié) 果時(shí)，輸出第一分頻信號(hào)，從第一變量中減去第一常量和第二常量，并返回到步驟1)，第二 常量表示第二分頻信號(hào)在可變比分頻信號(hào)中所占的比率；以及
步驟2_2~)，當(dāng)?shù)谝蛔兞吭谠黾又笞兊眯∮诘谝怀Ａ亢偷诙Ａ肯嗉拥慕Y(jié)果時(shí)， 輸出第二分頻信號(hào)并返回到處理1)，從而產(chǎn)生第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)以指定混頻比 在時(shí)間上交替出現(xiàn)的可變比分頻信號(hào)。
上述方法使得可以產(chǎn)生第一分頻信號(hào)的頻率分量和第二分頻信號(hào)的頻率分量以 分散的方式按指定混頻比混頻的可變比分頻信號(hào)。


圖1為頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)的圖2為短選通計(jì)數(shù)器部分(short gate counter section)的第一示例性結(jié)構(gòu)的 圖3為短選通計(jì)數(shù)器部分的第二示例性結(jié)構(gòu)的圖4為由模擬電路構(gòu)成的低通濾波器的示例的圖5為由移動(dòng)平均濾波器構(gòu)成的低通濾波器的示例的圖6為示出隨時(shí)間推移測量到的頻率的示例的曲線圖7為示出從計(jì)數(shù)值的信號(hào)流中去除高頻分量的示例的曲線圖8為示出圖像噪聲電平相對于待測量信號(hào)的頻率與采樣頻率之間的比率的曲 線圖9為示出當(dāng)待測量頻率為501. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖10為示出當(dāng)待測量頻率為503. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖11為示出當(dāng)待測量頻率為505. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變化的曲線圖12為示出當(dāng)待測量頻率為510. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖13為示出當(dāng)待測量頻率為550. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖14為示出當(dāng)待測量頻率為M9. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖15為示出當(dāng)待測量頻率為M7. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖16為示出當(dāng)待測量頻率為534. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖17為示出當(dāng)待測量頻率為566. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)頻率隨時(shí)間的變 化的曲線圖18為添加與工作點(diǎn)參數(shù)相對應(yīng)的圖像噪聲電平的曲線圖19為具備可變比分頻器的頻率測量器件的第一示例性結(jié)構(gòu)的圖20為頻率測量器件中的可變比分頻器的第一具體示例性結(jié)構(gòu)的圖21為示出可變比分頻器的示例性工作的圖22為示出可變比分頻器在工作時(shí)的狀態(tài)的表；
圖23為示出產(chǎn)生的可變比時(shí)鐘的示例的圖M為示出用16385分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變化的曲線 圖25為示出用16386分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變化的曲線 圖沈?yàn)槭境鲇每勺儽确诸l信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變化的曲線 圖27為具備可變比分頻器部分的頻率測量器件的第二示例性結(jié)構(gòu)的圖觀為可變比分頻器部分的第二具體示例性結(jié)構(gòu)的圖四為示出用待測量信號(hào)的2分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變 化的曲線圖30為示出用待測量信號(hào)的3分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變 化的曲線圖31為示出用可變比分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)的頻率的時(shí)間變化的曲線 圖。
具體實(shí)施方式
下面，參考附圖根據(jù)下面的組成具體地說明本發(fā)明的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解的 是，下面的實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例，不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。應(yīng)該注意的是，圖中相同 的部分附有相同的附圖標(biāo)記，在適當(dāng)時(shí)可以省略對這些部分的說明。
1.定義
2.使用短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法的頻率測量器件的概要
3.短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法產(chǎn)生的噪聲的說明
4.實(shí)施例1
(1)頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)
(2)可變比分頻器的示例性結(jié)構(gòu)
(3)可變比分頻器的示例性工作
(4)頻率測量器件的示例性工作
5.實(shí)施例2
(1)頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)
(2)可變比分頻器的示例性結(jié)構(gòu)
(3)可變比分頻器的示例性工作
6.結(jié)論
7.補(bǔ)充
1.定義
首先，如下定義在本說明書中使用的術(shù)語。
“〇〇部分”和“〇〇電路”(〇〇可以為任意詞)分別包括沒有任何特別限制的 電氣部分和電氣電路，并且也可以包括實(shí)現(xiàn)電路或部分的功能的物理器件或由軟件實(shí)現(xiàn)的 功能性器件。而且，可以各由兩個(gè)以上物理器件或功能性器件來實(shí)現(xiàn)一個(gè)電路或一個(gè)部分 的功能，或者可以由一個(gè)物理器件或一個(gè)功能性器件來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上電路或部分的功能。
2.使用短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法的頻率測量器件的概要
圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)的圖。如圖1所示，頻 率測量器件由待測量信號(hào)的信號(hào)源10、短選通計(jì)數(shù)器部分(也稱作“短選通時(shí)間計(jì)數(shù)器部 分”)20、低通濾波器(LPF) 30以及基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40構(gòu)成。
待測量信號(hào)的信號(hào)源10
待測量信號(hào)的信號(hào)源10被構(gòu)造為產(chǎn)生脈沖流形式的待測量信號(hào)61。待測量信號(hào) 的信號(hào)源(下文中也稱作“脈沖發(fā)生器”)10可以為例如振蕩頻率f0為30MHz的石英晶體 振蕩器，并且對應(yīng)于氣味傳感器、氣體傳感器、生物傳感器等的檢測器部分。當(dāng)有氣味物質(zhì) 等粘附到石英晶體振蕩器上時(shí)，其振蕩頻率根據(jù)所粘附物質(zhì)的量而降低。脈沖流形式的待 測量信號(hào)61被供給到短選通計(jì)數(shù)器部分20。
基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40
基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40被構(gòu)造為產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)62，該基準(zhǔn)頻率信號(hào)62為具有比 待測量信號(hào)61的頻率低的頻率的脈沖流信號(hào)。換句話說，基準(zhǔn)頻率信號(hào)62以比待測量信 號(hào)61的周期長的周期變化。下面，基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的一個(gè)周期可以稱為“選通時(shí)間”?；?準(zhǔn)頻率信號(hào)源40被構(gòu)造為以指定分頻比對由不同于待測量信號(hào)的信號(hào)源10中使用的石英 晶體振蕩器的例如單獨(dú)的石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)生例如IOOHz的基 準(zhǔn)頻率信號(hào)62。
短選通計(jì)數(shù)器部分20
短選通計(jì)數(shù)器部分20被構(gòu)造為以基于基準(zhǔn)頻率信號(hào)62確定出的相對短的選通時(shí) 間對供給的待測量信號(hào)61的脈沖流連續(xù)地計(jì)數(shù)。更具體地，短選通計(jì)數(shù)器部分20對在選通時(shí)間內(nèi)包含的待測量信號(hào)61的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，短選通計(jì)數(shù)器部分20對在 基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的從一個(gè)上升沿到下一個(gè)上升沿的一個(gè)周期中出現(xiàn)的待測量信號(hào)61的上 升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。被計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值(下文中也稱作“計(jì)數(shù)值”)63被順序地供給到低通濾波器 30。如下所述，短選通計(jì)數(shù)器部分20可以被構(gòu)造為使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對待測量信號(hào)61的變 化進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用基準(zhǔn)頻率信號(hào)62對計(jì)數(shù)值進(jìn)行采樣。因此，基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的頻率可 以被稱為“采樣頻率”，并且基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的一個(gè)周期可以被稱為“采樣周期”。
低通濾波器30
低通濾波器30被構(gòu)造為去除在輸入的計(jì)數(shù)結(jié)果中包含的高頻分量，并僅輸出低 頻分量作為輸出信號(hào)64。
短選通計(jì)數(shù)器部分20的第一示例性結(jié)構(gòu)
圖2示出了短選通計(jì)數(shù)器部分20的第一示例性結(jié)構(gòu)。期望短選通計(jì)數(shù)器部分20 無中斷地(輸入信號(hào)不具有不靈敏期間)對從信號(hào)源供給的脈沖流信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
因此，根據(jù)第一示例性結(jié)構(gòu)，短選通計(jì)數(shù)器部分20設(shè)置有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，第一計(jì)數(shù) 器21和第二計(jì)數(shù)器22。待測量信號(hào)61被供給到第一計(jì)數(shù)器21和第二計(jì)數(shù)器22兩者。控 制部分23將選通信號(hào)和復(fù)位信號(hào)發(fā)送到第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器中的每個(gè)，使得來自這 兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出通過轉(zhuǎn)換器(switch)供給到低通濾波器30。轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造為選擇并輸 出來自第一計(jì)數(shù)器21和第二計(jì)數(shù)器22的輸出信號(hào)中的一個(gè)，并且可以由物理轉(zhuǎn)換器或邏 輯電路構(gòu)成。選通信號(hào)為其選通時(shí)間為例如基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的一個(gè)周期的信號(hào)，并且基準(zhǔn) 頻率信號(hào)62本身可以用作選通信號(hào)。從兩個(gè)計(jì)數(shù)器交替地輸出待測量信號(hào)61的測量值， 使得在一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同時(shí)另一個(gè)計(jì)數(shù)器執(zhí)行復(fù)位或傳送數(shù)據(jù)，從而避免在計(jì)時(shí)器的復(fù) 位和傳送數(shù)據(jù)的過程中可能產(chǎn)生的不靈敏期間。應(yīng)該注意的是，控制部分23可以實(shí)現(xiàn)為硬 件，但是也可以利用個(gè)人計(jì)算機(jī)等由軟件實(shí)現(xiàn)。
短選通計(jì)數(shù)器部分20的第二示例性結(jié)構(gòu)
圖3示出了短選通計(jì)數(shù)器部分20的第二示例性結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)使用單個(gè)計(jì)數(shù)器 M。計(jì)數(shù)器M為使用直接計(jì)數(shù)方法的計(jì)數(shù)器，總是對供給的待測量信號(hào)61的變化進(jìn)行計(jì) 數(shù)，并輸出其累計(jì)值。作為計(jì)數(shù)器M的輸出的累積計(jì)數(shù)值被供給到減法器25和保存前次 累積計(jì)數(shù)值的寄存器26。減法器25從計(jì)數(shù)器M輸出的此次累積值中減去從寄存器沈獲 得的前次累積計(jì)數(shù)值以獲得此次計(jì)數(shù)值63，并將此次計(jì)數(shù)值63供給到低通濾波器30。
低通濾波器30的第一示例性結(jié)構(gòu)
圖4示出了低通濾波器30由模擬電路形成的示例。在這一示例中，以兩級(jí)連接各 由電阻器R1-R3、電容器Cl和電容器C2以及運(yùn)算放大器OPl構(gòu)成的低通濾波器。適當(dāng)?shù)剡x 擇構(gòu)成元件的電路常數(shù)，借此從作為已被D/A轉(zhuǎn)換器(未示出)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的短選通 計(jì)數(shù)器部分20的輸出信號(hào)的計(jì)數(shù)值63中去除(抑制)第一頻率分量或第一頻率以上的高 頻帶分量。根據(jù)輸出信號(hào)的S/N(信號(hào)/噪聲)比、輸出信號(hào)的波形響應(yīng)特性等適當(dāng)?shù)卦O(shè)定 低通濾波器的截止頻率和信號(hào)響應(yīng)特性。當(dāng)短選通計(jì)數(shù)器20以一位連續(xù)地輸出計(jì)數(shù)值63 時(shí)，輸出能夠被原樣輸入到低通濾波器30中。當(dāng)短選通計(jì)數(shù)器20以η位輸出數(shù)據(jù)時(shí)，能夠 通過適應(yīng)η位輸出的D-A轉(zhuǎn)換器來輸入數(shù)據(jù)。
低通濾波器30的第二示例性結(jié)構(gòu)
圖5示出了低通濾波器30由作為一類數(shù)字濾波器的移動(dòng)半均濾波器形成的示例。如圖5所示，低通濾波器30具有加法器31、移位寄存器32、減法器33、反相器34、向各個(gè)部 分供給工作正時(shí)時(shí)鐘的控制部分35，以及除法器36。
從短選通計(jì)數(shù)器部分20輸出的計(jì)數(shù)值61被供給到加法器31和具備與抽頭數(shù)量 相對應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)域的移位寄存器32兩者。經(jīng)受移動(dòng)平均值計(jì)算的N個(gè)數(shù)據(jù)與移位寄存器 32內(nèi)的其他數(shù)據(jù)同步地依次移動(dòng)。在前次的計(jì)算中獲得的總值被供給到加法器31的其他 輸入，并且加法器31將此次計(jì)數(shù)值與前次的總值相加，從而獲得累積相加值。通過減法器 33從累積相加值中去除移位寄存器32中的先前(leading)(舊的)數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)值，結(jié)果被 設(shè)定為最新的總值。最新的總值作為前次的總值被返回到加法器31，并通過除法器36將最 新的總值除以對象數(shù)據(jù)的數(shù)量N。對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行上述計(jì)算，從而能夠獲得移動(dòng)平均值。應(yīng) 該注意的是，除法器36具有縮放輸出值的功能，而如果不考慮縮放則可以省略這一功能。 而且，當(dāng)以多級(jí)形成移動(dòng)平均濾波器時(shí)，除法器36可以僅設(shè)置在最后一級(jí)。應(yīng)該注意的是， 移動(dòng)平均濾波器能夠由數(shù)字電路構(gòu)成，因此，移動(dòng)平均濾波器的特征在于與模擬濾波器相 比，具有較小的電路規(guī)模。
圖6示出了基于由短選通計(jì)數(shù)器部分20計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值63計(jì)算出的頻率隨時(shí)間 推移的示例。在這一示例中，以IOOHz的采樣頻率(選通時(shí)間為0. 01秒)對待測量信號(hào) 61的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)采樣頻率為IOOHz時(shí)，頻率分率也降低到100Hz，從而無法 通過一個(gè)計(jì)數(shù)值63檢測到待測量信號(hào)61中低于IOOHz的信息，而在一秒內(nèi)能夠獲得100 個(gè)計(jì)數(shù)值63。如圖6所示，呈現(xiàn)為100倍計(jì)數(shù)值的頻率在相差I(lǐng)OOHz的30，072，300Hz與 30，072，400Hz之間沿著時(shí)間軸呈脈沖分布。
這里，說明采樣的量化誤差(士 1計(jì)數(shù)誤差)。例如，考察通過直接計(jì)數(shù)方法的計(jì)數(shù) 器測量穩(wěn)定在123. 34Hz的脈沖流信號(hào)的頻率的情況。
(A)當(dāng)選通時(shí)間為10秒時(shí)每10秒獲得1233個(gè)計(jì)數(shù)或1234個(gè)計(jì)數(shù)。
通過使計(jì)數(shù)值乘以1/10來獲得測量值，測量值為123. 3Hz或123. 4Hz (每10秒)。 (測量誤差為0. IHz。)
(B)當(dāng)選通時(shí)間為1秒時(shí)每1秒獲得123個(gè)計(jì)數(shù)或124個(gè)計(jì)數(shù)。測量值為123Hz 或124Hz(每1秒)。(測量誤差為1Hz。)
(C)當(dāng)選通時(shí)間為0. 1秒時(shí)每0. 1秒獲得12個(gè)計(jì)數(shù)或13個(gè)計(jì)數(shù)。
通過使計(jì)數(shù)值乘以10來獲得測量值，測量值為120Hz或130Hz (每0. 1秒)。(測 量誤差為IOHz。)
(D)當(dāng)選通時(shí)間為0. 01秒時(shí)每0. 01秒獲得1個(gè)計(jì)數(shù)或0個(gè)計(jì)數(shù)。
通過使計(jì)數(shù)值乘以100來獲得測量值，測量值為IOOHz或200Hz (每0.01秒)。 (測量誤差為IOOHz。)
當(dāng)對穩(wěn)定在一個(gè)標(biāo)定頻率的待測量信號(hào)61進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，類似于示例(A)-(D)，計(jì) 數(shù)值63呈具有的振幅為由選通時(shí)間確定出的兩個(gè)值之間的差的脈沖流分布。另一方面，即 使當(dāng)要計(jì)數(shù)的待測量信號(hào)61的頻率變化時(shí)，如果變化在上述測量誤差的范圍內(nèi)，則計(jì)數(shù)值 同樣呈具有的振幅由兩個(gè)值之間的差限定的脈沖流分布。例如，在選通時(shí)間為0. 01秒并且 測量誤差為IOOHz(D)的情況下，如果要計(jì)數(shù)的脈沖流信號(hào)的頻率的變化包含在IOOHz與 200Hz之間，則能夠獲得的顯示為IOOHz或200Hz。
如圖6所示，在用小于一秒的短選通時(shí)間對待測量信號(hào)61的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法(下面稱作“短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法”)中，計(jì)數(shù)值63變成脈沖流，并且計(jì)數(shù)值中值的 出現(xiàn)頻率根據(jù)待測量信號(hào)61的頻率的變化而變化。待測量信號(hào)61的頻率越高，脈沖流中 較高值的出現(xiàn)頻率越高。反之，待測量信號(hào)61的頻率越低，脈沖流中較低值出現(xiàn)的出現(xiàn)頻 率越高。與要計(jì)數(shù)的待測量信號(hào)61的頻率有關(guān)的信息存在于表現(xiàn)為脈沖流的計(jì)數(shù)值的頻 譜的低頻帶分量中。因此，通過低通濾波器從計(jì)數(shù)值63中提取低頻帶分量(去除源于量化 誤差的諧波分量)，從而能夠解碼被計(jì)數(shù)的待測量信號(hào)61的頻率當(dāng)中與變化有關(guān)的信息。
圖7示出了通過將圖6中所說明的計(jì)數(shù)值63的信號(hào)流進(jìn)給到抽頭數(shù)量為512的低 通濾波器30來去除高頻分量的示例。如圖7所示，供給的待測量信號(hào)61的頻率的變化被 輸出為連續(xù)(模擬)曲線。可以觀察到，通過使用低通濾波器30，在以IOOHz的采樣周期進(jìn) 行計(jì)數(shù)時(shí)，變得可以檢測由于量化誤差不能夠測量到的區(qū)域中的頻率變化，尤其是小于IHz 的頻率變化。
以此方式，根據(jù)短選通時(shí)間計(jì)數(shù)系統(tǒng)，通過縮短選通時(shí)間(使得采樣頻率較高)， 即使每個(gè)計(jì)數(shù)值63的測量誤差變得較大，也能夠獲得多個(gè)測量值的流。通過由低通濾波器 30從多個(gè)測量值中去除高頻分量，提高了頻率測量分辨率。如上所述，根據(jù)輸出信號(hào)的所 需S/N比和信號(hào)響應(yīng)特性適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)低通濾波器的特性。換句話說，通過短選通時(shí)間計(jì)數(shù) 方法能夠?qū)㈦娐芬种频捷^小的規(guī)模，從而能夠易于進(jìn)行多通道實(shí)現(xiàn)。通過使用模擬低通濾 波器，本實(shí)施例還能夠適應(yīng)模擬輸出，并能夠獲得其他優(yōu)點(diǎn)。
短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法具有上述各種優(yōu)點(diǎn)。然而，從各種試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，取決于從 待測量信號(hào)的信號(hào)源10輸出的待測量信號(hào)61的頻率和采樣頻率的結(jié)合而可能產(chǎn)生(增 加)噪聲。將參考圖8至圖19說明在短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法中產(chǎn)生的噪聲。
3.短選通時(shí)間計(jì)數(shù)方法中產(chǎn)生的噪聲的說明
在下面的說明中，圖1中所示的頻率測量器件用于進(jìn)行圖像噪聲產(chǎn)生的試驗(yàn)。這 里，短選通計(jì)數(shù)器部分20的采樣頻率為100Hz，并且低通濾波器30由抽頭數(shù)量均為30的以 三級(jí)串行連接的移動(dòng)平均濾波器構(gòu)成。
圖8為示出圖像噪聲電平相對于待測量信號(hào)61的頻率(下面也稱作“待測量頻 率”)與采樣頻率之間的比率(工作點(diǎn)參數(shù)為0-0. 5)的曲線圖。圖像噪聲電平以最大值為 1的相對值(任意單位)表示。
為了便于理解特性而使用工作點(diǎn)參數(shù)，并且工作點(diǎn)參數(shù)可以如下限定。
工作點(diǎn)參數(shù)=待測量頻率+采樣頻率-ht (待測量頻率+采樣頻率)
應(yīng)該注意的是，Int (C)為表示整數(shù)部分的函數(shù)。通過進(jìn)行如上限定，工作點(diǎn)參數(shù)表 示(待測量頻率+采樣頻率)的小數(shù)部分，并且能夠?yàn)閺?至小于1的任意值。圖像噪聲 電平(強(qiáng)度)為工作點(diǎn)參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)并關(guān)于工作點(diǎn)參數(shù)0.5對稱。換句話說，在工作點(diǎn) 參數(shù)0. 5-d處的圖像噪聲強(qiáng)度等于在工作點(diǎn)參數(shù)0. 5+d處的圖像噪聲強(qiáng)度(0 < 0. 5)。 因此，在圖8中，在0與0. 5之間的工作點(diǎn)參數(shù)的范圍內(nèi)表示噪聲強(qiáng)度與工作點(diǎn)之間的關(guān) 系。
圖9為當(dāng)待測量頻率為501. OOHz并且采樣頻率為IOOHz時(shí)的曲線圖。在這種情 況下，從待測量頻率和采樣頻率獲得的工作點(diǎn)參數(shù)為0. 01。在圖9中，橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間， 縱坐標(biāo)軸表示頻率，實(shí)線表示短選通時(shí)間計(jì)數(shù)值，短虛線表示待測量頻率，長虛線表示低通 濾波器30的輸出(在下面直到圖17的圖中進(jìn)行類似地限定)。待測量頻率處于恒定值，但是觀察到在低通濾波器30的輸出中周期性地(沿著時(shí)間軸以恒定間隔)出現(xiàn)變化，產(chǎn)生了圖像噪聲。
圖10類似地示出了當(dāng)待測量頻率為503. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參 數(shù)變成0.03時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中出現(xiàn)連續(xù)的頻率變化，并連續(xù)地產(chǎn)生 圖像噪聲。
圖11示出了當(dāng)待測量頻率為505. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 05時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中連續(xù)地產(chǎn)生圖像噪聲，但是，與圖10所示的工 作點(diǎn)參數(shù)為0. 03的情況相比，圖像噪聲的振幅減小了。
圖12示出了當(dāng)待測量頻率為510. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 10時(shí)的曲線圖。低通濾波器30的輸出變成與待測量頻率相等，從而不產(chǎn)生圖像噪聲。
圖13示出了當(dāng)待測量頻率為550. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 50時(shí)的曲線圖。低通濾波器30的輸出變成與待測量頻率相等，從而不產(chǎn)生圖像噪聲。
圖14示出了當(dāng)待測量頻率為M9. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 49時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中周期性地出現(xiàn)頻率變化，因此理解為產(chǎn)生了圖 像噪聲。
圖15示出了當(dāng)待測量頻率為M7. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 47時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中出現(xiàn)小振幅的頻率變化，因此理解為產(chǎn)生了圖像噪聲。
圖16示出了當(dāng)待測量頻率為534. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 34時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中出現(xiàn)周期性的頻率變化，因此理解為存在圖像噪聲。
圖17示出了當(dāng)待測量頻率為566. 00Hz、采樣頻率為100Hz，以及工作點(diǎn)參數(shù)變成 0. 66( = 0. 34)時(shí)的曲線圖。在低通濾波器30的輸出中出現(xiàn)周期性的頻率變化，因此理解 為產(chǎn)生了圖像噪聲。與如圖16所示的工作點(diǎn)參數(shù)變成0. 34的情況相比，應(yīng)該注意的是，頻 率變化的振幅相同，而頻率變化的增加和減小的趨勢相反。
圖18為在圖8的曲線圖中添加與上述圖9至圖17所示的工作點(diǎn)參數(shù)相對應(yīng)的圖 像噪聲電平的曲線圖。
在作為工作點(diǎn)參數(shù)0.0(對應(yīng)于1.0)的鄰近值的一組工作點(diǎn)參數(shù)0.01、0.03和0. 05當(dāng)中，越靠近工作點(diǎn)參數(shù)0. 0，圖像噪聲電平變得越大。
盡管圖18的曲線圖沒有明確地示出，在由簡單有理數(shù)(例如，1/1-1/10)表示的 橫坐標(biāo)軸上的位置，例如在 1.0( = 1/1),0.5( = 1/2),0. 33··· ( = 1/3),0. 25 ( = 1/4)， 0.2( = 1/5)，0.66... ( = 2/3),0. 1( = 1/10)等處圖像噪聲電平為零(0)。例如，在圖12 和圖13所示的示例中，工作點(diǎn)參數(shù)與簡單有理數(shù)(1/10、1/2) —致，從而不產(chǎn)生圖像噪聲。
在作為鄰近工作點(diǎn)參數(shù)0. 5而在簡單有理數(shù)以外的工作點(diǎn)參數(shù)0. 49 (參見圖14) 和0. 47 (參見圖15)處，與緊鄰工作點(diǎn)參數(shù)0.0處相比，噪聲電平相對高，而圖像噪聲電平 相對低。
關(guān)于工作點(diǎn)參數(shù)0. 34 (參見圖16)和工作點(diǎn)參數(shù)0. 66 (參見圖17)，圖像噪聲電平 對這些工作點(diǎn)參數(shù)的依賴性為以0. 50作為基準(zhǔn)的對稱位置關(guān)系。
如上所述，通過將待測量頻率與采樣頻率之間的比率限定為工作點(diǎn)參數(shù)，能夠把握源自待測量頻率和采樣頻率的組合的圖像噪聲電平。然后，通過禁止使用工作點(diǎn)參數(shù)鄰 近簡單有理數(shù)的待測量頻率和采樣頻率之間的任意組合，能夠抑制圖像噪聲。
4.實(shí)施例1
下面，將參考圖19至圖沈說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施例1。
(1)頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)
圖19為具備可變比分頻器部分50的頻率測量器件的第一示例性結(jié)構(gòu)的圖。如圖 19所示，頻率測量器件由待測量信號(hào)的信號(hào)源10、基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40、可變比分頻器部分 50、短選通計(jì)數(shù)器部分20以及低通濾波器30構(gòu)成。這里應(yīng)該注意的是，待測量信號(hào)的信號(hào) 源10、短選通計(jì)數(shù)器部分20和低通濾波器30與參考圖1的上述頻率測量器件中的相應(yīng)部 分基本上具有相同的結(jié)構(gòu)和功能，因此省略其說明。
基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40
如上所述，基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40被構(gòu)造為產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)62。不同于圖1中所述 的頻率測量器件，作為基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40的輸出的基準(zhǔn)頻率信號(hào)62不被直接供給到短選 通計(jì)數(shù)器部分20，而是被首先供給到可變比分頻器部分50。而且，由基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40產(chǎn) 生且供給的基準(zhǔn)頻率信號(hào)62不必為具有比待測量信號(hào)61的頻率低的頻率的信號(hào)，并且能 夠被設(shè)定在任意電平。
可變比分頻器部分50
可變比分頻器部分50被構(gòu)造為基于基準(zhǔn)頻率信號(hào)62產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65并 將可變比分頻信號(hào)65供給到短選通計(jì)數(shù)器部分20。下面具體說明可變比分頻器部分50。
(2)可變比分頻器部分的示例性結(jié)構(gòu)
圖20為示出頻率測量器件的可變比分頻器部分50的第一具體示例性結(jié)構(gòu)的圖。 如圖20所示，可變比分頻器部分50由分頻信號(hào)發(fā)生部分51、分頻比控制部分52、常量存儲(chǔ) 部分53、變量存儲(chǔ)部分M構(gòu)成?？勺儽确诸l器部分50基于從基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40供給的基 準(zhǔn)頻率信號(hào)62產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65。
分頻信號(hào)發(fā)生部分51
分頻信號(hào)發(fā)生部分51產(chǎn)生以第一分頻比(自然數(shù)a)對基準(zhǔn)頻率信號(hào)62進(jìn)行分 頻而獲得的第一分頻信號(hào)(分頻信號(hào)a)，以及以第二分頻比(自然數(shù)b)對基準(zhǔn)頻率信號(hào) 62進(jìn)行分頻而獲得的第二分頻信號(hào)(分頻信號(hào)b)。然后，通過分頻比控制部分52的控制， 分頻信號(hào)發(fā)生部分51將分頻信號(hào)a和分頻信號(hào)b以混頻比α β進(jìn)行混頻，從而產(chǎn)生分 頻信號(hào)a和分頻信號(hào)b在時(shí)間上交替出現(xiàn)的可變比分頻信號(hào)65。
分頻比控制部分52
分頻比控制部分52從被構(gòu)造為能夠存儲(chǔ)常量的常量存儲(chǔ)部分53獲得常量α和 常量β，并從被構(gòu)造為能夠存儲(chǔ)變量的變量存儲(chǔ)部分M獲得變量c。分頻比控制部分52利 用常量α和常量β以及變量c來控制分頻信號(hào)發(fā)生部分51以產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65。
(3)可變比分頻器部分的工作示例
下面將參考圖21至圖23說明可變比分頻器部分50的工作。圖21為表示可變比 分頻器部分50的工作的示例的流程圖。圖22為示出可變比分頻器部分50在工作時(shí)的狀 態(tài)的表。為了簡化說明，以分頻比a = 2、分頻比b = 3、常量α = 4以及常量β = 12來 說明本示例。應(yīng)該注意的是，可變比分頻信號(hào)65可以被稱為可變比時(shí)鐘，并且基準(zhǔn)頻率信號(hào)62可以被稱為基準(zhǔn)脈沖。
S100-S110
可變比分頻器部分50在開始工作(S100)之后首先初始化存儲(chǔ)在變量存儲(chǔ)部分M 中的變量C(SllO)(參見圖22中的No. 1)。
S120
然后，可變比分頻器部分50獲取表示分頻信號(hào)乂2分分頻信號(hào))在待產(chǎn)生的可 變比分頻信號(hào)65中所占的比率的常量α G)，并使變量存儲(chǔ)部分M的變量c增加常量 α (S120)。因此，變量c變成0+4 = 4(參見圖22中的No. 2)。
S130
接下來，可變比分頻器部分50將常量存儲(chǔ)部分53中的常量α (4)和常量β (12) 相加的結(jié)果G+12 = 16)與變量存儲(chǔ)部分M中的變量c(4)進(jìn)行比較(S130)。
S160-S170
此時(shí)，由于變量c(4)小于α+β (16)，可變比分頻器部分50對基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)a (2) 次(S160)，從而產(chǎn)生時(shí)鐘(S170)。這里，對基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)η次指的是產(chǎn)生一個(gè)周期為基準(zhǔn)脈 沖的周期的η倍的可變比時(shí)鐘。圖22示出了可變比時(shí)鐘為1或0。圖22中標(biāo)識(shí)為“2分” 的No. 1和No. 2分別表示1和0，然后，No. 3表示1。換句話說，可變比時(shí)鐘為一個(gè)周期等 于基準(zhǔn)脈沖的周期的兩倍的周期的信號(hào)。當(dāng)完成到這一步驟的處理時(shí)，處理返回到S120，并 重復(fù)一系列步驟。
S120
在已經(jīng)重復(fù)一系列步驟三次時(shí)(在圖22中的No. 6時(shí))，變量c已變成12。這里， 由于可變比分頻器部分50使變量c (12)增加常量α (4) (S120)，增加的結(jié)果變成(12+4)= 16。
S130-S140
增加的結(jié)果“16”為作為常量α (4)+常量β (12)的相加結(jié)果的16以上(S130)， 從而可變比分頻器部分50對基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)bC3)次(S140)(參見圖22中的No. 7-No. 9)。
S150-S170
此時(shí)，從變量c中減去常量α和常量β (S150)(參見圖22中的No. 8)。如上所 述，當(dāng)對基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)三次時(shí)，可變比時(shí)鐘變成如圖22中No. 7至No. 9所示的1、0、0，這限 定了具有的周期是基準(zhǔn)脈沖的周期的三倍的信號(hào)。應(yīng)該注意的是，可變比時(shí)鐘呈現(xiàn)為1、0、 0，而其能夠?yàn)槔?、1、0，只要保持信號(hào)的周期即可。然后，通過在S140中對基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)，產(chǎn)生可變比時(shí)鐘(S170)。
應(yīng)該注意的是，圖22中的控制信號(hào)為當(dāng)c > α+β的關(guān)系式成立時(shí)變化的標(biāo)記 (flag)，并且1位計(jì)數(shù)器為對基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)的1位計(jì)數(shù)器的值。
圖23示出了如上所述產(chǎn)生的可變比時(shí)鐘的示例。在圖23中，可變比時(shí)鐘1至3均 為將基準(zhǔn)時(shí)鐘的2分分頻信號(hào)和3分分頻信號(hào)以混頻比3 1( = 12 4)進(jìn)行混頻的可 變比時(shí)鐘。然而，在各個(gè)可變比時(shí)鐘1至3中混頻的3分分頻信號(hào)的占空比彼此不同。利 用可變比時(shí)鐘1作為示例說明上述示例，而3分分頻信號(hào)的占空比不同的可變比時(shí)鐘，例如 可變比時(shí)鐘2和可變比時(shí)鐘3也被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
(4)頻率測量器件的工作示例
接下來，將說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的頻率測量器件的工作的示例。在這一 示例中，包括以30012391Hz振動(dòng)的石英晶體振蕩器的振蕩電路被用作基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40， 并且包括以30105831Hz振動(dòng)的石英晶體振蕩器的振蕩電路被用作待測量信號(hào)的信號(hào)源 10?？勺儽确诸l器部分50將以16385和16386對基準(zhǔn)頻率信號(hào)62分頻而獲得的信號(hào)以混 頻比2 3進(jìn)行混頻，從而產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65。待測量信號(hào)61的頻率從30105831Hz 起以幾Hz增加。在這種條件下，為了比較，將上述16385分分頻信號(hào)、16386分分頻信號(hào)和 可變比分頻信號(hào)65均供給到短選通計(jì)數(shù)器部分20，并測量待測量信號(hào)61的頻率的變化。
圖M為示出用16385分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的時(shí)間變化的曲 線圖。圖M還示出了待測量信號(hào)61的實(shí)際頻率的時(shí)間變化。如圖M所示，測量到的頻率 在測量周期的前半部分中具有疊加在實(shí)際頻率上的噪聲。這一噪聲為圖像噪聲。
圖25為示出用16386分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的時(shí)間變化的曲 線圖。如圖25所示，測量到的頻率在測量周期的后半部分中具有疊加在實(shí)際頻率上的噪 聲。
圖沈?yàn)槭境鲇每勺儽确诸l信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的時(shí)間變化的曲線 圖。如圖沈所示，測量到的頻率在任何時(shí)間都幾乎不具有疊加的噪聲，并精確地測量到待 測量信號(hào)61的頻率。
接下來，將說明用于確定產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)的兩個(gè)分頻信號(hào)的分頻比的方法和 確定兩個(gè)分頻信號(hào)的混頻比的方法。如上面參考圖8所說明的，能夠通過由公式待測量頻 率+采樣頻率-Int (待測量頻率+采樣頻率)限定的工作點(diǎn)參數(shù)來把握圖像噪聲。通過 禁止使用工作點(diǎn)參數(shù)鄰近簡單有理數(shù)的待測量頻率與采樣頻率之間的任何組合，能夠抑制 圖像噪聲。集中到本實(shí)施例的短選通計(jì)數(shù)器部分20，待測量頻率為待測量信號(hào)61的頻率， 并且采樣頻率為可變比分頻信號(hào)65的頻率。作為采樣頻率的可變比分頻信號(hào)65的頻率瞬 時(shí)具有第一分頻信號(hào)(例如，16385分分頻信號(hào))的頻率或第二分頻信號(hào)(例如，16386分 分頻信號(hào))的頻率。然而，考慮到經(jīng)受移動(dòng)平均濾波器濾波的相對長的期間，能夠?qū)⒖勺儽?分頻信號(hào)65視為具有由第一分頻比、第二分頻比和混頻比獲得的指定頻率的信號(hào)。這里， 能夠通過可變比分頻器部分50任意地確定分頻比和混頻比。通過分頻器部分50，可以基于 將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性曲線與可變比分頻信號(hào)65的頻率和待測量信號(hào)61的頻率 之間的頻率比相比較，以噪聲電平變低的方式來確定第一分頻比、第二分頻比和第一分頻 信號(hào)與第二分頻信號(hào)之間的混頻比。結(jié)果，在不使用可能會(huì)使電路規(guī)模變大的模擬電路的 情況下，能夠產(chǎn)生抑制頻率測量中的噪聲電平的可變比分頻信號(hào)65。
更具體地，可以確定可變比分頻信號(hào)65的第一分頻比、第二分頻比和混頻比，以 使由比率χ/y的小數(shù)部分限定的工作點(diǎn)參數(shù)值不變成處于頻率測量中的噪聲電平增加的 情形下的指定有理數(shù)的鄰近值，此處，χ為待測量信號(hào)61的頻率，y為可變比分頻信號(hào)65的 頻率。借此，能夠容易地抑制頻率測量中的噪聲電平。
5.實(shí)施例2
下面將參考圖27-圖31說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施例2。
(1)頻率測量器件的示例性結(jié)構(gòu)
圖27為示出具備可變比分頻器部分50的頻率測量器件的第二示例性結(jié)構(gòu)的圖。 如圖27所示，頻率測量器件由待測量信號(hào)的信號(hào)源10、基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40、可變比分頻器部分50、短選通計(jì)數(shù)器部分20以及低通濾波器30構(gòu)成。與圖19所示的頻率測量器件的第 一示例性結(jié)構(gòu)相比，第二示例性結(jié)構(gòu)的不同之處在于，可變比分頻器部分50不布置在基準(zhǔn) 頻率信號(hào)源40與短選通計(jì)數(shù)器部分20之間，而是布置在待測量信號(hào)的信號(hào)源10與短選通 計(jì)數(shù)器部分20之間。由于結(jié)構(gòu)的差別，可變比分頻信號(hào)66和基準(zhǔn)頻率信號(hào)62被供給到短 選通計(jì)數(shù)器部分20。應(yīng)該注意的是，待測量信號(hào)的信號(hào)源10、基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40和低通濾 波器30具有與上述第一示例性結(jié)構(gòu)大體相同的結(jié)構(gòu)和功能。
可變比分頻器部分50
可變比分頻器部分50被構(gòu)造為基于待測量信號(hào)61產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)66，并將 可變比分頻信號(hào)66供給到短選通計(jì)數(shù)器部分20。下面具體說明可變比分頻器部分50。
(2)可變比分頻器部分的示例性結(jié)構(gòu)
圖觀為示出可變比分頻器部分50的第二具體示例性結(jié)構(gòu)的圖。通過圖觀與圖 20之間的比較清楚地看到，圖觀中的可變比分頻器部分50的不同之處在于，其輸入信號(hào)不 是基準(zhǔn)頻率信號(hào)62，而是待測量信號(hào)61。換句話說，根據(jù)第二示例性結(jié)構(gòu)的可變比分頻器 部分50以類似于上述第一示例性結(jié)構(gòu)的方式工作，其輸入信號(hào)由待測量信號(hào)61替代。
(3)頻率測量器件的工作示例
說明根據(jù)本實(shí)施例的頻率測量器件的工作的示例。根據(jù)本實(shí)施例，基準(zhǔn)頻率信號(hào) 源40包括具備以30012391Hz振動(dòng)的石英晶體振蕩器的振蕩電路，并且以16384對具有 30012391Hz頻率的信號(hào)進(jìn)行分頻以產(chǎn)生并輸出基準(zhǔn)頻率信號(hào)62。待測量信號(hào)的信號(hào)源10 具備以30014241Hz振動(dòng)的石英晶體振蕩器，產(chǎn)生并輸出具有30014241Hz頻率的待測量信 號(hào)61?？勺儽确诸l器部分50將分別以2和3對具有30014241Hz頻率的待測量信號(hào)61進(jìn) 行分頻而獲得的信號(hào)以混頻比1 4進(jìn)行混頻，從而產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)66。在這種條件 下，為了比較，將上述2分分頻信號(hào)、3分分頻信號(hào)和可變比分頻信號(hào)66均供給到短選通計(jì) 數(shù)器部分20，并且基于基準(zhǔn)頻率信號(hào)62來測量各個(gè)信號(hào)的頻率的變化。
圖四為示出用待測量信號(hào)61的2分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的 時(shí)間變化的曲線圖。當(dāng)頻率測量器件基于待測量信號(hào)61的2分分頻信號(hào)來測量待測量信 號(hào)61的頻率時(shí)，例如，縮放部分(未示出)可以設(shè)置在低通濾波器30的后一級(jí)中，借以縮 放測量到的頻率兩倍。圖四還示出了待測量信號(hào)61的實(shí)際頻率的時(shí)間變化。如圖四所 示，圖像噪聲疊加在測量到的頻率上，并表現(xiàn)為在測量期間的前半部分中具有較大影響。
圖30為示出用待測量信號(hào)61的3分分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的 時(shí)間變化的曲線圖。設(shè)置在低通濾波器30的后一級(jí)中的縮放部分將測量到的頻率縮放了 三倍。如圖30所示，圖像噪聲疊加在測量到的頻率上，并表現(xiàn)為在測量期間的后半部分中 具有較大影響。
圖31為示出用待測量信號(hào)61的2分分頻信號(hào)和3分分頻信號(hào)以混頻比1 4進(jìn) 行混頻的可變比分頻信號(hào)測量到的待測量信號(hào)61的頻率的時(shí)間變化的曲線圖。設(shè)置在低 通濾波器30的后一級(jí)中的縮放部分將測量頻率縮放了 2. 2倍。能夠通過[(第一分頻信號(hào) 的分頻比)X (第二分頻信號(hào)的混頻比)+ (第二分頻信號(hào)的分頻比)X (第一分頻信號(hào)的混 頻比)]+[(第一分頻信號(hào)的混頻比)+ (第二分頻信號(hào)的混頻比)]獲得縮放。在這一示例 中“2X4+3X 1) + (1+4) = 11 + 5 = 2. 2，從而如上所述將測量到的頻率縮放2. 2倍。如圖 31所示，測量到的頻率已降低了任何時(shí)候圖像噪聲的影響。
這里，將說明確定用于產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)的兩個(gè)分頻信號(hào)的分頻比的方法和確 定兩個(gè)分頻信號(hào)的混頻比的方法。本實(shí)施例與上述實(shí)施例1的不同之處在于，供給到短選 通計(jì)數(shù)器部分20的信號(hào)既不是待測量信號(hào)61也不是可變比分頻信號(hào)65，而是可變比分頻 信號(hào)66和基準(zhǔn)頻率信號(hào)62。如上面參考圖8所述，能夠通過由公式待測量頻率+采樣頻 率-Int (待測量頻率+采樣頻率)限定的工作點(diǎn)參數(shù)來把握圖像噪聲。在實(shí)施例1中，可 變比分頻信號(hào)65的頻率對應(yīng)于采樣頻率。另一方面，在本實(shí)施例中，類似產(chǎn)生的可變比分 頻信號(hào)66的頻率對應(yīng)于待測量頻率。根據(jù)本實(shí)施例，能夠認(rèn)為與待測量頻率相對應(yīng)的可變 比分頻信號(hào)66的頻率根據(jù)第一分頻比、第二分頻比和第一分頻信號(hào)與第二分頻信號(hào)之間 的混頻比而變化。通過分頻器部分50，可以基于將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性曲線與可 變比分頻信號(hào)66的頻率和基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的頻率之間的頻率比相比較，以噪聲電平變低 的方式來確定第一分頻比、第二分頻比和第一分頻信號(hào)與第二分頻信號(hào)之間的混頻比。結(jié) 果，在不使用可能會(huì)具有大電路規(guī)模的模擬電路的情況下，能夠產(chǎn)生抑制頻率測量中的噪 聲電平的可變比分頻信號(hào)66。
更具體地，可以確定可變比分頻信號(hào)66的第一分頻比、第二分頻比和混頻比，以 使由比率χ/y限定的工作點(diǎn)參數(shù)值不變成處于噪聲電平增加的情形下的指定有理數(shù)的鄰 近值，此處，χ為可變比分頻信號(hào)66的頻率，y為基準(zhǔn)頻率信號(hào)62的頻率。借此，能夠容易 地抑制頻率測量中的噪聲電平。
6.結(jié)論
上面已經(jīng)說明了根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例。通過上文能夠理解的是，根據(jù)各個(gè)實(shí) 施例的信號(hào)發(fā)生電路由產(chǎn)生第一信號(hào)的第一信號(hào)源，以及可變比分頻器部分50構(gòu)成。第一 信號(hào)和第一信號(hào)源分別對應(yīng)于基準(zhǔn)頻率信號(hào)62和基準(zhǔn)頻率信號(hào)源40，或分別對應(yīng)于待測 量信號(hào)61和待測量信號(hào)的信號(hào)源10?？勺儽确诸l器部分50產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65 (或 66)，在可變比分頻信號(hào)65(或66)中，以第一分頻比對第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第一分 頻信號(hào)(例如，2分分頻信號(hào))和以第二分頻比對第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第二分頻信號(hào) (例如，3分分頻信號(hào))以指定混頻比(例如，1 4)在時(shí)間上交替出現(xiàn)。
根據(jù)具有這一結(jié)構(gòu)的信號(hào)發(fā)生電路，能夠產(chǎn)生以指定混頻比包含第一分頻信號(hào)的 頻率分量和第二分頻信號(hào)的頻率分量的可變比分頻信號(hào)65 (或66)。應(yīng)該注意的是，通過可 以為數(shù)字電路的簡單的分頻電路，能夠基于第一信號(hào)容易地產(chǎn)生第一分頻信號(hào)和第二分頻 信號(hào)。換句話說，在不使用可能會(huì)使電路規(guī)模變大的模擬電路的情況下，能夠產(chǎn)生上述可變 比分頻信號(hào)65 (或66)。此外，具有根據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的信號(hào)發(fā)生電路適合于用在頻率測 量器件中，并能夠抑制在頻率測量器件中可能出現(xiàn)的圖像噪聲的產(chǎn)生。
而且，通過參考圖21至圖23以上述方式構(gòu)成信號(hào)發(fā)生電路中的可變比分頻器部 分50，可以獲得第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)以分散的方式混頻的可變比分頻信號(hào)65(或 66)。而且，用于產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65 (或66)的上述方法使得能夠易于產(chǎn)生第一分頻信 號(hào)的頻率分量和第二分頻信號(hào)的頻率分量以分散的形式按指定混頻比混頻的可變比分頻 信號(hào)。
7.補(bǔ)充
在上述實(shí)施例中，具體的數(shù)值適當(dāng)?shù)赜米魇纠?，但不限于這些值，能夠在本發(fā)明的 范圍內(nèi)使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的任意值。換句話說，能夠任意地確定用于產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65 (或66)的多個(gè)分頻信號(hào)的分頻比，以及將這些分頻信號(hào)進(jìn)行混頻的混頻 比。而且，用于產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65 (或66)的分頻信號(hào)不限于兩種類型，而是能夠?qū)⑷?種以上類型的分頻信號(hào)進(jìn)行混頻以產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)65(或66)。
上述實(shí)施例可以用在各種類型的共振頻率變化型傳感器中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸減 小、重量減輕、較高的分辨率以及較低的成本。而且，各種類型的傳感器的集成和平臺(tái)的實(shí) 現(xiàn)變得可能。此外，所述實(shí)施例適合應(yīng)用于氣味傳感器、氣體傳感器，以及生物傳感器、QMC 器件、壓力傳感器、加速度傳感器等的轉(zhuǎn)換器陣列。
而且，在本申請中說明的實(shí)施例可以在容許的范圍內(nèi)彼此相互結(jié)合。例如，根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例的示例性結(jié)構(gòu)可以具備基于待測量信號(hào)61產(chǎn)生第一可變比分頻信號(hào)66的第 一可變比分頻器部分50和基于基準(zhǔn)頻率信號(hào)62產(chǎn)生第二可變比分頻信號(hào)65的第二可變 比分頻器部分50?？紤]到上述實(shí)施例的說明，容易理解的是，這些改進(jìn)的結(jié)構(gòu)也能夠抑制圖像噪聲。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)發(fā)生電路，包括第一信號(hào)源，其產(chǎn)生第一信號(hào)；以及可變比分頻器部分，其產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)，在所述可變比分頻信號(hào)中，以第一分頻比 對所述第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第一分頻信號(hào)和以第二分頻比對所述第一信號(hào)進(jìn)行分 頻而獲得的第二分頻信號(hào)以指定混頻比在時(shí)間上交替出現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)發(fā)生電路，其中，所述可變比分頻器部分被構(gòu)造為通過 重復(fù)以下處理來產(chǎn)生所述可變比分頻信號(hào)處理1)，使第一變量增加第一常量，所述第一常量表示所述第一分頻信號(hào)在所述可變 比分頻信號(hào)中所占的比率；處理2-1)，當(dāng)所述第一變量在增加之后變得大于或等于所述第一常量和第二常量相加 的結(jié)果時(shí)，輸出所述第一分頻信號(hào)，從所述第一變量中減去所述第一常量和所述第二常量， 并返回到所述處理1)，所述第二常量表示所述第二分頻信號(hào)在所述可變比分頻信號(hào)中所占 的比率；以及處理2-2~)，當(dāng)所述第一變量在增加之后變得小于所述第一常量和所述第二常量相加的 結(jié)果時(shí)，輸出所述第二分頻信號(hào)并返回到所述處理1)。
3.一種頻率測量器件，包括如權(quán)利要求1所述的信號(hào)發(fā)生電路；待測量信號(hào)源，其產(chǎn)生待測量信號(hào)；計(jì)數(shù)器部分，其輸出通過對在指定期間內(nèi)包含的基于所述可變比分頻信號(hào)確定出的所 述待測量信號(hào)的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)所獲得的計(jì)數(shù)值；以及低通濾波器，其去除在所述計(jì)數(shù)值中包含的高頻分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的頻率測量器件，其中，基于將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性 曲線與所述可變比分頻信號(hào)的頻率和所述待測量信號(hào)的頻率之間的頻率比相比較來確定 所述可變比分頻信號(hào)的所述第一分頻比、所述第二分頻比和所述混頻比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻率測量器件，其中，通過比率x/y的小數(shù)部分限定工作點(diǎn) 參數(shù)，此處，χ為所述待測量信號(hào)的頻率，y為所述可變比分頻信號(hào)的頻率，其中，確定所述 待測量信號(hào)的頻率，以及所述可變比分頻信號(hào)的所述第一分頻比、所述第二分頻比和所述 混頻比，以使所述工作點(diǎn)參數(shù)的值不變成處于噪聲電平增加的情形下的指定有理數(shù)的鄰近 值。
6.一種頻率測量器件，包括如權(quán)利要求1所述的信號(hào)發(fā)生電路；基準(zhǔn)頻率信號(hào)源，其產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)；計(jì)數(shù)器部分，其輸出通過對在指定期間內(nèi)包含的基于所述基準(zhǔn)頻率信號(hào)確定出的所述 可變比分頻信號(hào)的變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)所獲得的計(jì)數(shù)值；以及低通濾波器，其去除在所述計(jì)數(shù)值中包含的高頻分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的頻率測量器件，其中，基于將預(yù)先獲得的噪聲電平分布特性 曲線與所述可變比分頻信號(hào)的頻率和所述基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率之間的頻率比相比較來確 定所述可變比分頻信號(hào)的所述第一分頻比、所述第二分頻比和所述混頻比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的頻率測量器件，其中，通過比率x/y的小數(shù)部分限定工作點(diǎn)參數(shù)，此處，χ為所述可變比分頻信號(hào)的頻率，y為所述基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率，其中，確定所述 基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率，以及所述可變比分頻信號(hào)的所述第一分頻比、所述第二分頻比和所 述混頻比，以使所述工作點(diǎn)參數(shù)的值不變成處于噪聲電平增加的情形下的指定有理數(shù)的鄰 近值。
9. 一種信號(hào)發(fā)生方法，包括基于具有指定頻率的第一信號(hào)產(chǎn)生以第一分頻比對所述第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的 第一分頻信號(hào)和以第二分頻比對所述第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第二分頻信號(hào)的步驟；以 及重復(fù)以下步驟的處理步驟1)，使第一變量增加第一常量，所述第一常量表示所述第一分頻信號(hào)在待產(chǎn)生的 可變比分頻信號(hào)中所占的比率；步驟2-1)，當(dāng)所述第一變量在增加之后變得大于或等于所述第一常量和第二常量相加 的結(jié)果時(shí)，輸出所述第一分頻信號(hào)，從所述第一變量中減去所述第一常量和所述第二常量， 并返回到所述步驟1)，所述第二常量表示所述第二分頻信號(hào)在所述可變比分頻信號(hào)中所占 的比率；以及步驟2-2~)，當(dāng)所述第一變量在增加之后變得小于所述第一常量和所述第二常量相加的 結(jié)果時(shí)，輸出所述第二分頻信號(hào)并返回到處理1)，從而產(chǎn)生所述第一分頻信號(hào)和所述第二分頻信號(hào)以指定混頻比在時(shí)間上交替出現(xiàn)的 所述可變比分頻信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種信號(hào)發(fā)生電路，包括第一信號(hào)源，其產(chǎn)生第一信號(hào)；以及可變比分頻器部分，其產(chǎn)生可變比分頻信號(hào)，在所述可變比分頻信號(hào)中，以第一分頻比對所述第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第一分頻信號(hào)和以第二分頻比對所述第一信號(hào)進(jìn)行分頻而獲得的第二分頻信號(hào)以指定混頻比在時(shí)間上交替出現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01R23/10GK102033162SQ20101050141
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月8日
發(fā)明者轟原正義 申請人:精工愛普生株式會(huì)社