專利名稱：高分辨率時間間隔測量設備和方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及時間間隔測量設備和方法。
背景技術：
精確的數(shù)字時間間隔測量是許多電子傳感器或轉換裝置操作的重要部分。將時間轉換成數(shù)值(即數(shù)字)的傳統(tǒng)方法是基于對來自恒定頻率時鐘源的脈沖計數(shù)。
參見附圖1，如果被測時間間隔是從時間t1到時間t2，則總持續(xù)時間是t＝t2-t1。時鐘在時間T1開始計數(shù)，并且在時間T2停止。時間間隔T是通過將時鐘周期的時間Tclock乘以計數(shù)的數(shù)目N計算出的T＝Tclock·N存在與這種方法相關的時間測量誤差，這是因為該間隔相對于用來計數(shù)的時鐘邊沿出現(xiàn)了開始和停止信號。這包括(T1-t1)和(T2-t2)，并且這些差總計達Tclock。該誤差可以通過降低Tclock(即增加時鐘頻率Fclock＝1/Tclock)來減少。然而，如果頻率增加，則測量電路的復雜性、功率消耗和成本也會增加。
在通過時間間隔測量來確定所測量的變量值的傳感器中，非常精確的時間測量是該傳感器的精確性的關鍵方面。過去，高頻計數(shù)器(大于100MHz)和專用集成電路(ASIC)用于實現(xiàn)這些非常精細的時間測量。這些電路具有包括高成本、高功耗(即不益于電池供電裝置)并且易于發(fā)射EMC噪聲的固有缺陷。
希望提供一種解決現(xiàn)有的時間間隔測量設備和方法的不足的時間間隔測量設備和方法。還希望提供一種以高頻速率(frequency rate)非常精確地測量時間間隔的時間間隔測量設備和方法。
還希望提供一種在不要求增加時鐘頻率的情況下具有最小測量誤差的時間間隔測量設備和方法。還希望提供一種時間間隔測量設備和方法，其不僅能夠以非常高的分辨率測量時間周期，而且在不危及時間分辨率的情況下能提供在非常長的時間間隔內提供這種測量。還希望提供一種具有上述特征的時間間隔測量設備和方法，而不需要昂貴的ASIC或高頻振蕩器和計數(shù)器電路。

發(fā)明內容
一種用于測量初始第一測量信號和一個或多個隨后的測量信號之間的時間間隔的設備和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種時間間隔測量設備，包括用于對完整時鐘周期的總數(shù)計數(shù)的裝置，每一完整時鐘周期在初始第一測量信號和每個隨后的測量信號之間具有設置的時鐘周期；用于產生時鐘片段時間周期的裝置，所述時鐘片段時間周期從第一和每個隨后的測量信號中的每一個的起點以及下一個相應的時鐘周期的起點開始；以及用于將產生的時鐘片段時間周期和時鐘周期的總數(shù)結合，以便在第一和每個隨后的測量信號之間產生總時間間隔的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供用于測量初始第一測量信號和一個或多個隨后的測量信號之間的時間間隔的方法，包括涉驟產生連續(xù)的時鐘脈沖，該時鐘脈沖在連續(xù)的時鐘脈沖的前跳沿與后跳沿之間具有相同的時鐘時間周期；確定第一和每個隨后的測量信號之間的完整時鐘時間周期的總數(shù)；在第一和隨后的測量信號中的每一個與下一個時鐘時間周期的前跳沿之間產生時鐘片段周期；以及將完整時鐘時間周期的總數(shù)與第一和每個隨后的測量信號之間的所有時鐘片段周期結合，以便確定該第一和每個隨后的測量信號之間的總時間間隔。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種測量初始第一和一個或多個隨后的測量信號之間的時間間隔的方法，包括以下步驟對完整時鐘時間周期的總數(shù)計數(shù)，每一完整時鐘時間周期在第一測量信號和隨后的測量信號之間具有設置的時鐘周期；產生時鐘片段周期，該時鐘片段周期從第一和每個隨后的測量信號中的每一個的起點以及下一個相應的時鐘周期的起點開始；以及將產生的時鐘片段周期和時鐘時間周期的總數(shù)結合，以便產生在第一和隨后的測量信號之間的總時間間隔。
本發(fā)明的時間間隔測量設備和方法解決了以前設計的計時設備和時間測量方法的許多不足，這是因為本設備和方法在最小測量誤差的情況下以高頻速率精確地測量時間間隔，并且不需為實現(xiàn)高分辨率而增加時鐘頻率。本發(fā)明的設備和方法還在非常長的時間段內提供高計時測量分辨率。由于不需要以前所需的昂貴ASIC或高頻振蕩器和計數(shù)電路，所以可通過低成本的組件構成本發(fā)明的設備。


參照下面詳細的描述和附圖，本發(fā)明的不同特征、優(yōu)點和其它用途將變得顯而易見，其中附圖1是現(xiàn)有技術的時序圖，其表示對時鐘脈沖的計數(shù)以便獲得時間間隔測量；附圖2是時間間隔測量設備的結構圖；以及附圖3是表示使用斜坡信號以便產生時鐘片段(fractional)周期時間測量的時序圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的設備和方法通過使用低頻計數(shù)器測量長時間周期的“長”部分而以高分辨率測量該長時間周期，而該“高分辨率”是通過精確地測量實際信號周期的開始和停止邊沿與用于測量“長”時間周期的時鐘的時鐘跳沿之間的時間差來實現(xiàn)的。整個測量過程是通過使用相對低成本的計數(shù)器、線性斜坡發(fā)生器和模擬數(shù)字轉換器(ADC)來實現(xiàn)的或者主要通過微控制器來實現(xiàn)的。
該長時間周期時間測量是通過當計時周期有效時簡單地激活計數(shù)器來完成的。在該計時周期的末端，得到來自該計數(shù)器的累加值。
該高分辨率測量技術是通過將基于時間的測量轉換成基于模擬的測量來實現(xiàn)的。這通過使用由片段脈沖發(fā)生器信號選通的線性斜坡產生電路完成。斜坡的峰值電壓應被設置成使得其不超過ADC的輸入能力，并且斜坡的最大時間部分應被設置成高分辨率(即低頻率時鐘周期)所需的測量的最長周期。線性斜坡產生電路能夠臨時保持或存儲輸出信號。這使ADC把模擬信號轉換成數(shù)字值。
將模擬斜坡信號饋入ADC，并且以ADC的分辨率量化。例如，如果使用10位ADC，則其分辨率是1/1024(210)。如果計數(shù)器時鐘頻率是1Mhz，并且將斜坡設置成橫跨該周期(即1微秒)，則時間測量的分辨率是1微秒除以1024，或0.97納秒。
如果在電路中實現(xiàn)該時間間隔測量設備和方法，則該電路能夠簡單地通過測量整個時鐘循環(huán)的周期自校準，而不是使斜坡信號基于其標準開始信號開始?？梢远ㄆ诘赝瓿蛇@種“校準”循環(huán)，以便補償各種電子誤差源(即溫度漂移)。
在附圖2中示出了根據(jù)時間間隔測量電路10的一個方面的方塊圖。電路10包括時鐘源12、時鐘計數(shù)器14、片段時鐘測量電路16以及微控制器18。
時鐘源12將穩(wěn)定和精確的低頻時鐘脈沖提供給時鐘計數(shù)器14和時鐘片段測量電路16。時鐘源12的穩(wěn)定性應當好于電路10想要提供的最高精確性，然而，時鐘循環(huán)的對稱性不必正好是50％，這是因為計數(shù)器14總是使用相同的時鐘跳沿(即上跳沿)增加。
時鐘計數(shù)器14測量粗略的時間值。如附圖3的時序圖所示，在時鐘脈沖的上跳沿出現(xiàn)時鐘脈沖計數(shù)增加。使用時鐘片段脈沖信號的下跳沿捕獲時鐘計數(shù)器14的值。
微控制器18收集所有的數(shù)據(jù)，并且利用下文描述的公式計算測量的高分辨率時間周期。
如圖2所示，片段時鐘測量電路16由三個元件構成，即，時鐘片段脈沖發(fā)生器20、模擬斜坡發(fā)生器22以及模擬數(shù)字轉換器(ADC)24。
參見附圖3，時鐘片段脈沖發(fā)生器20結合時鐘信號和測量信號或輸入脈沖，以便產生具有與被測信號的邊沿和時鐘脈沖的例如沿之間的時間差相等寬度的脈沖。換句話說，產生寬度為Tclock、T1和T2的脈沖。將Tclock周期用于校準，將在下文中解釋。
斜坡發(fā)生器22將這些脈沖的寬度轉換成DC電壓。分別將時間值Tclock、T1和T2轉換成電壓Vclock、V1和V2。對于具有斜率S的線性斜坡發(fā)生器22來說，將時間周期和電壓之間的關系描述如下Vclock＝S·TclockV1＝S·T1V2＝S·T2
為了使用相同的線性斜坡電路進行多次轉換，該斜坡發(fā)生器22應當具有快速復位到零伏的能力，以便可以為下一次片段時鐘周期測量作準備。
ADC 24測量斜坡發(fā)生器22的電壓，并且將該電壓轉換成數(shù)值(數(shù)字)。該時間間隔測量設備具有自校準的能力，該自校準包括對ADC 24功能、斜坡發(fā)生器、溫度漂移效應或任何組件公差等等的校準。如果時鐘周期是已知的(Tclock)，并且使用晶體控制的時鐘源12(時間和溫度非常穩(wěn)定)，則可以通過線性斜坡(Vclock)測量時鐘周期，并且可以對由組件變化和溫度漂移引起的斜坡的斜率變化進行數(shù)學補償?？梢詫⒃撽P系描述成下面的公式S＝Vclock/TclockT1＝Tclock·(V1/Vclock)T2＝Tclock·(V2/Vclock)為了有效使用校準方法和減少斜坡斜率漂移誤差，應當使Vclock電壓的測量在時間上緊靠V1和V2的測量。
如上所述，可以在將斜坡信號值轉換成數(shù)字值之后的任何時間使用Tclock，并且用Tclock計算一個片段時鐘時間周期，可以重新校準整個設備，或者可在最后的測量信號，如附圖3中的測量信號S3，的末端完成重新校準。
產生校準斜坡信號以便產生Vclock。
為了解釋轉換過程，將簡單的“整”數(shù)用于校準目的。參照附圖3，時鐘周期是10個計數(shù)，且ADC 24的分辨率是10個計數(shù)。在現(xiàn)實例子中，1Mhz的低頻時鐘和具有5伏最大輸入電壓的10位分辨率的ADC是典型的。
低頻時鐘源12在持續(xù)的基礎上是“自由運轉”的。
接收被測周期的第一或初始信號(S1)，其表示測量周期的開始。在此點發(fā)生兩個事件。使能計數(shù)器14，以使低頻計數(shù)器14計數(shù)，并且還釋放線性斜坡電路22(Ramp1)，以使電壓開始其斜坡。
隨著時間流逝，接收時鐘的下一個上跳沿(C1)，使斜坡發(fā)生器電路22無效，并且將其幅度保持在斜坡在該時間內達到的水平。同樣，計數(shù)器14增加其計數(shù)值。啟動ADC 24以便測量Ramp1，并且得到斜坡的電壓電平(V1)。
隨著時間過去更久，低頻計數(shù)器14繼續(xù)對每個正時鐘跳沿計數(shù)，在本例中為另外兩個時間，C2和C3。
然后接收被測周期的第二或隨后的信號(S2)，其表示一個測量周期的結束。在此點又發(fā)生兩個事件。一方面，使計數(shù)器14的控制門無效，以便阻止低頻計數(shù)器14進一步計數(shù)，并且釋放線性斜坡電路22(Ramp2)，以使電壓開始其斜坡。另一方面，將計數(shù)器14的計數(shù)存儲在S2，同時計數(shù)器14繼續(xù)計數(shù)。
當接收時鐘的下一個上跳沿(C4)時，使斜坡發(fā)生器22無效，并且將其幅度保持在斜坡在該時間內達到的水平。啟動ADC 24以測量Ramp2，從而得到斜坡的電壓電平(V2)。
在此刻，得到所有的原始測量值，即，V1、低頻計數(shù)和V2。根據(jù)這些值執(zhí)行計算，以便導出實際時間周期。
對由微控制器18執(zhí)行的實際時間周期測量的計算如下Tactual＝T1+(N*Tclock)-T2其中Tactual是被測周期的實際時間，T1是初始起動脈沖與第一時鐘跳沿之差(片段時鐘時間周期)N是在測量周期上累積的時鐘循環(huán)數(shù)，Tclock是一個時鐘周期的時間，以及T2是最后的時鐘跳沿與最終的停止脈沖之差(片段時鐘時間周期)例如，Tclock＝10V1＝8即T1＝.8×10V2＝4即T2＝.4×10N＝3Tactual＝(N*Tclock)+T1-T2Tactual＝(3*10)+8-4Tactual＝34個時間單位通過該公式可以看到，通過將時鐘片段時間周期與兩個測量信號之間的完整時鐘時間周期的總數(shù)相結合，產生第一初始測量信號和第二或其它隨后的測量信號之間的Tactual，或時間間隔。
還可以理解，代替附圖2中所示的單獨的時鐘源12、時鐘計數(shù)器14和ADC 24，可以將時鐘源、時鐘計數(shù)器和模擬數(shù)字轉換器(ADC)的功能合并到微控制器18中。由于單獨的硬件組件的數(shù)量減少，這進一步簡化了本發(fā)明的時間間隔測量設備的成本。
應當理解，使用與附圖2所示的相同電路，可以將測量第一或初始測量信號和隨后的或第二測量信號之間的時間間隔的上述時間間隔測量設備和方法用于多組第一和第二測量信號。使用與附圖2中所示的相同電路，還可以利用第一初始測量信號S1和多個隨后的測量信號，如S2、S3等等。推導第一初始測量信號和每個隨后的測量信號S3等等之間的時間間隔的方法與上述的用于測量第一測量信號S1和第二隨后的測量信號S2之間的時間間隔的方法相同。
還可以理解，當為各單獨的時間間隔相對于第一初始測量信號測量多個隨后的信號時，計數(shù)器無論是作為附圖2所示的硬線連接組件14實現(xiàn)還是作為微控制器18的一部分來實現(xiàn)，其在貫穿整個測量間隔的計數(shù)狀態(tài)下都保持激活。將來自初始測量信號S1和每個隨后的測量信號S2、S3等等的完整時鐘時間周期的總數(shù)單獨地保持為存儲狀態(tài)，以用于計算相應的時間間隔，同時計數(shù)器功能繼續(xù)，如附圖3中的虛線所示，其描述了時鐘計數(shù)使能狀態(tài)。
可以將本發(fā)明的時間間隔測量設備和方法用在許多不同的技術和應用中，其中可以將任何可測量的量作為時間測量感測。這種應用包括磁致伸縮、超聲波、雷達等等。在磁致伸縮的情況下，沿電線傳輸?shù)牟ǖ臅r間傳播常數(shù)的一個例子是每英寸9.123微秒。如果通過上述方法確定在信號沿電線傳輸期間產生的兩個信號之間的時間間隔，則可以確定兩個測量位置之間的長度或距離?？梢酝ㄟ^兩塊沿磁致伸縮電線間隔開的磁體產生測量信號?？蛇x擇地，該兩個測量信號可包括在磁致伸縮電線上的初始傳送脈沖，以及與該電線關聯(lián)的由磁體提供的第二測量信號。
本發(fā)明公開了一種新穎的時間間隔測量設備和方法，其克服了在以前設計的高速或高分辨率時間間隔測量設備中發(fā)現(xiàn)的不足。本發(fā)明的時間間隔測量設備和方法非常精確地測量時間間隔，而不需要具有高成本、不益于電池供電的裝置高功耗并且易于發(fā)射EMC噪音的高頻計數(shù)器或ASIC。
權利要求
1.一種時間間隔測量設備，包括用于對完整時鐘時間周期的總數(shù)計數(shù)的裝置，每個所述完整時鐘時間周期在初始測量信號和隨后的測量信號之間具有設置的時鐘周期；用于產生時鐘片段時間周期的裝置，所述時鐘片段時間周期從初始測量信號和下一個時鐘時間周期的起點、隨后的測量信號、以及下一個相應的時鐘時間周期的起點開始；以及用于將產生的時鐘片段周期和時鐘時間周期的總數(shù)結合以便產生在初始和隨后的測量信號之間的總時間間隔的裝置。
2.如權利要求1所述的設備，其中用于產生時鐘片段時間周期的裝置進一步包括用于在每個時鐘片段時間周期的起點產生斜坡信號的斜坡發(fā)生裝置；用于在下一個時鐘時間周期的起點將每個時鐘片段時間周期的斜坡信號的振幅轉換成數(shù)字值的裝置，以及響應于所述轉換裝置用于計算所述時間間隔的裝置。
3.如權利要求2所述的設備，其中所述轉換裝置包括模擬數(shù)字轉換器。
4.如權利要求2所述的設備，其中所述計算裝置包括操作控制程序的處理器。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述計數(shù)裝置包括將時鐘時間周期作為輸入的計數(shù)器，所述計數(shù)器通過初始測量信號啟動以便開始計數(shù)，并且通過隨后的測量信號產生計數(shù)值。
6.一種測量初始和隨后的測量信號之間的時間間隔的方法，包括以下步驟對完整時鐘時間周期的總數(shù)計數(shù)，每個所述完整時鐘時間周期在初始測量信號和隨后的測量信號之間具有設置的時鐘時間周期；產生時鐘片段時間周期，所述時鐘片段時間周期從初始和隨后的測量信號中的每一個的起點以及下一個相應的時鐘時間周期的起點開始；以及將產生的時鐘片段時間周期和時鐘時間周期的總數(shù)結合，以便產生初始和隨后的測量信號之間的總時間間隔。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述產生時鐘片段時間周期的步驟進一步包括以下步驟在每個時鐘片段時間周期的起點產生斜坡電壓信號；直到下一個時鐘時間周期的起點為止，將每個時鐘片段時間周期的斜坡信號的振幅轉換成數(shù)字值；以及從所述數(shù)字值計算時間間隔。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述轉換步驟進一步包括以下步驟將模擬電壓斜坡信號轉換成數(shù)字值。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述計算步驟進一步包括以下步驟通過處理器執(zhí)行控制程序。
10.一種測量初始和隨后的測量信號之間的時間間隔的方法，包括以下步驟產生連續(xù)的時鐘脈沖，所述時鐘脈沖在連續(xù)的時鐘脈沖上跳沿和下跳沿之間具有相同的時鐘時間周期；確定初始和隨后的測量信號之間的完整時鐘時間周期的總數(shù)；在初始和隨后的測量信號中的每一個以及下一個時鐘時間周期的上跳沿之間產生時鐘片段時間周期；以及將完整時鐘時間周期的總數(shù)與初始和隨后的測量信號之間的所有時鐘片段時間周期結合，以便確定初始和隨后的測量信號之間的總時間間隔。
全文摘要
一種對兩個測量信號之間的完整時鐘時間周期的總數(shù)計數(shù)的時間間隔測量設備和方法。在兩個測量信號中的每一個和完整時鐘時間周期的下一個上跳沿之間產生時鐘片段時間周期。將完整時鐘時間周期的總數(shù)和時鐘片段時間周期轉換成時間當量測量值，并且將它們結合以便產生在該兩個測量信號之間的總時間間隔。
文檔編號G04F10/00GK1940777SQ20061014376
公開日2007年4月4日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權日2005年6月22日
發(fā)明者杰克·帕蒂 申請人:阿米特克公司