CN1940777A - 高分辨率时间间隔测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种对两个测量信号之间的完整时钟时间周期的总数计数的时间间隔测量设备和方法。在两个测量信号中的每一个和完整时钟时间周期的下一个上跳沿之间产生时钟片段时间周期。将完整时钟时间周期的总数和时钟片段时间周期转换成时间当量测量值，并且将它们结合以便产生在该两个测量信号之间的总时间间隔。

Description

高分辨率时间间隔测量设备和方法

技术领域

本发明总的来说涉及时间间隔测量设备和方法。

背景技术

精确的数字时间间隔测量是许多电子传感器或转换装置操作的重要部分。将时间转换成数值(即数字)的传统方法是基于对来自恒定频率时钟源的脉冲计数。

参见附图1，如果被测时间间隔是从时间t₁到时间t₂，则总持续时间是t＝t₂-t₁。时钟在时间T₁开始计数，并且在时间T₂停止。时间间隔T是通过将时钟周期的时间T_clock乘以计数的数目N计算出的：

                        T＝T_clock·N

存在与这种方法相关的时间测量误差，这是因为该间隔相对于用来计数的时钟边沿出现了开始和停止信号。这包括(T₁-t₁)和(T₂-t₂)，并且这些差总计达T_clock。该误差可以通过降低T_clock(即增加时钟频率：F_clock＝1/T_clock)来减少。然而，如果频率增加，则测量电路的复杂性、功率消耗和成本也会增加。

在通过时间间隔测量来确定所测量的变量值的传感器中，非常精确的时间测量是该传感器的精确性的关键方面。过去，高频计数器(大于100MHz)和专用集成电路(ASIC)用于实现这些非常精细的时间测量。这些电路具有包括高成本、高功耗(即不益于电池供电装置)并且易于发射EMC噪声的固有缺陷。

希望提供一种解决现有的时间间隔测量设备和方法的不足的时间间隔测量设备和方法。还希望提供一种以高频速率(frequency rate)非常精确地测量时间间隔的时间间隔测量设备和方法。

还希望提供一种在不要求增加时钟频率的情况下具有最小测量误差的时间间隔测量设备和方法。还希望提供一种时间间隔测量设备和方法，其不仅能够以非常高的分辨率测量时间周期，而且在不危及时间分辨率的情况下能提供在非常长的时间间隔内提供这种测量。还希望提供一种具有上述特征的时间间隔测量设备和方法，而不需要昂贵的ASIC或高频振荡器和计数器电路。

发明内容

一种用于测量初始第一测量信号和一个或多个随后的测量信号之间的时间间隔的设备和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种时间间隔测量设备，包括：用于对完整时钟周期的总数计数的装置，每一完整时钟周期在初始第一测量信号和每个随后的测量信号之间具有设置的时钟周期；用于产生时钟片段时间周期的装置，所述时钟片段时间周期从第一和每个随后的测量信号中的每一个的起点以及下一个相应的时钟周期的起点开始；以及用于将产生的时钟片段时间周期和时钟周期的总数结合，以便在第一和每个随后的测量信号之间产生总时间间隔的装置。

根据本发明的另一个方面，提供用于测量初始第一测量信号和一个或多个随后的测量信号之间的时间间隔的方法，包括涉骤：

产生连续的时钟脉冲，该时钟脉冲在连续的时钟脉冲的前跳沿与后跳沿之间具有相同的时钟时间周期；

确定第一和每个随后的测量信号之间的完整时钟时间周期的总数；

在第一和随后的测量信号中的每一个与下一个时钟时间周期的前跳沿之间产生时钟片段周期；以及

将完整时钟时间周期的总数与第一和每个随后的测量信号之间的所有时钟片段周期结合，以便确定该第一和每个随后的测量信号之间的总时间间隔。

根据本发明的另一个方面，提供一种测量初始第一和一个或多个随后的测量信号之间的时间间隔的方法，包括以下步骤：

对完整时钟时间周期的总数计数，每一完整时钟时间周期在第一测量信号和随后的测量信号之间具有设置的时钟周期；

产生时钟片段周期，该时钟片段周期从第一和每个随后的测量信号中的每一个的起点以及下一个相应的时钟周期的起点开始；以及

将产生的时钟片段周期和时钟时间周期的总数结合，以便产生在第一和随后的测量信号之间的总时间间隔。

本发明的时间间隔测量设备和方法解决了以前设计的计时设备和时间测量方法的许多不足，这是因为本设备和方法在最小测量误差的情况下以高频速率精确地测量时间间隔，并且不需为实现高分辨率而增加时钟频率。本发明的设备和方法还在非常长的时间段内提供高计时测量分辨率。由于不需要以前所需的昂贵ASIC或高频振荡器和计数电路，所以可通过低成本的组件构成本发明的设备。

附图说明

参照下面详细的描述和附图，本发明的不同特征、优点和其它用途将变得显而易见，其中：

附图1是现有技术的时序图，其表示对时钟脉冲的计数以便获得时间间隔测量；

附图2是时间间隔测量设备的结构图；以及

附图3是表示使用斜坡信号以便产生时钟片段(fractional)周期时间测量的时序图。

具体实施方式

本发明的设备和方法通过使用低频计数器测量长时间周期的“长”部分而以高分辨率测量该长时间周期，而该“高分辨率”是通过精确地测量实际信号周期的开始和停止边沿与用于测量“长”时间周期的时钟的时钟跳沿之间的时间差来实现的。整个测量过程是通过使用相对低成本的计数器、线性斜坡发生器和模拟数字转换器(ADC)来实现的或者主要通过微控制器来实现的。

该长时间周期时间测量是通过当计时周期有效时简单地激活计数器来完成的。在该计时周期的末端，得到来自该计数器的累加值。

该高分辨率测量技术是通过将基于时间的测量转换成基于模拟的测量来实现的。这通过使用由片段脉冲发生器信号选通的线性斜坡产生电路完成。斜坡的峰值电压应被设置成使得其不超过ADC的输入能力，并且斜坡的最大时间部分应被设置成高分辨率(即低频率时钟周期)所需的测量的最长周期。线性斜坡产生电路能够临时保持或存储输出信号。这使ADC把模拟信号转换成数字值。

将模拟斜坡信号馈入ADC，并且以ADC的分辨率量化。例如，如果使用10位ADC，则其分辨率是1/1024(2¹⁰)。如果计数器时钟频率是1Mhz，并且将斜坡设置成横跨该周期(即1微秒)，则时间测量的分辨率是1微秒除以1024，或0.97纳秒。

如果在电路中实现该时间间隔测量设备和方法，则该电路能够简单地通过测量整个时钟循环的周期自校准，而不是使斜坡信号基于其标准开始信号开始。可以定期地完成这种“校准”循环，以便补偿各种电子误差源(即温度漂移)。

在附图2中示出了根据时间间隔测量电路10的一个方面的方块图。电路10包括时钟源12、时钟计数器14、片段时钟测量电路16以及微控制器18。

时钟源12将稳定和精确的低频时钟脉冲提供给时钟计数器14和时钟片段测量电路16。时钟源12的稳定性应当好于电路10想要提供的最高精确性，然而，时钟循环的对称性不必正好是50％，这是因为计数器14总是使用相同的时钟跳沿(即上跳沿)增加。

时钟计数器14测量粗略的时间值。如附图3的时序图所示，在时钟脉冲的上跳沿出现时钟脉冲计数增加。使用时钟片段脉冲信号的下跳沿捕获时钟计数器14的值。

微控制器18收集所有的数据，并且利用下文描述的公式计算测量的高分辨率时间周期。

如图2所示，片段时钟测量电路16由三个元件构成，即，时钟片段脉冲发生器20、模拟斜坡发生器22以及模拟数字转换器(ADC)24。

参见附图3，时钟片段脉冲发生器20结合时钟信号和测量信号或输入脉冲，以便产生具有与被测信号的边沿和时钟脉冲的例如沿之间的时间差相等宽度的脉冲。换句话说，产生宽度为T_clock、T₁和T₂的脉冲。将T_clock周期用于校准，将在下文中解释。

斜坡发生器22将这些脉冲的宽度转换成DC电压。分别将时间值T_clock、T₁和T₂转换成电压V_clock、V₁和V₂。对于具有斜率S的线性斜坡发生器22来说，将时间周期和电压之间的关系描述如下：

                      V_clock＝S·T_clock

                          V₁＝S·T₁

                          V₂＝S·T₂

为了使用相同的线性斜坡电路进行多次转换，该斜坡发生器22应当具有快速复位到零伏的能力，以便可以为下一次片段时钟周期测量作准备。

ADC 24测量斜坡发生器22的电压，并且将该电压转换成数值(数字)。该时间间隔测量设备具有自校准的能力，该自校准包括对ADC 24功能、斜坡发生器、温度漂移效应或任何组件公差等等的校准。如果时钟周期是已知的(T_clock)，并且使用晶体控制的时钟源12(时间和温度非常稳定)，则可以通过线性斜坡(V_clock)测量时钟周期，并且可以对由组件变化和温度漂移引起的斜坡的斜率变化进行数学补偿。可以将该关系描述成下面的公式：

                     S＝V_clock/T_clock

                  T₁＝T_clock·(V₁/V_clock)

                  T₂＝T_clock·(V₂/V_clock)

为了有效使用校准方法和减少斜坡斜率漂移误差，应当使V_clock电压的测量在时间上紧靠V₁和V₂的测量。

如上所述，可以在将斜坡信号值转换成数字值之后的任何时间使用T_clock，并且用T_clock计算一个片段时钟时间周期，可以重新校准整个设备，或者可在最后的测量信号，如附图3中的测量信号S3，的末端完成重新校准。

产生校准斜坡信号以便产生V_clock。

为了解释转换过程，将简单的“整”数用于校准目的。参照附图3，时钟周期是10个计数，且ADC 24的分辨率是10个计数。在现实例子中，1Mhz的低频时钟和具有5伏最大输入电压的10位分辨率的ADC是典型的。

低频时钟源12在持续的基础上是“自由运转”的。

接收被测周期的第一或初始信号(S1)，其表示测量周期的开始。在此点发生两个事件。使能计数器14，以使低频计数器14计数，并且还释放线性斜坡电路22(Ramp1)，以使电压开始其斜坡。

随着时间流逝，接收时钟的下一个上跳沿(C1)，使斜坡发生器电路22无效，并且将其幅度保持在斜坡在该时间内达到的水平。同样，计数器14增加其计数值。启动ADC 24以便测量Ramp1，并且得到斜坡的电压电平(V₁)。

随着时间过去更久，低频计数器14继续对每个正时钟跳沿计数，在本例中为另外两个时间，C2和C3。

然后接收被测周期的第二或随后的信号(S2)，其表示一个测量周期的结束。在此点又发生两个事件。一方面，使计数器14的控制门无效，以便阻止低频计数器14进一步计数，并且释放线性斜坡电路22(Ramp2)，以使电压开始其斜坡。另一方面，将计数器14的计数存储在S2，同时计数器14继续计数。

当接收时钟的下一个上跳沿(C4)时，使斜坡发生器22无效，并且将其幅度保持在斜坡在该时间内达到的水平。启动ADC 24以测量Ramp2，从而得到斜坡的电压电平(V₂)。

在此刻，得到所有的原始测量值，即，V₁、低频计数和V₂。根据这些值执行计算，以便导出实际时间周期。

对由微控制器18执行的实际时间周期测量的计算如下：

T_actual＝T1+(N*T_clock)-T2

其中T_actual是被测周期的实际时间，

T1是初始起动脉冲与第一时钟跳沿之差(片段时钟时间周期)

N是在测量周期上累积的时钟循环数，

T_clock是一个时钟周期的时间，以及

T2是最后的时钟跳沿与最终的停止脉冲之差(片段时钟时间周期)

例如，

T_clock＝10

V₁＝8

即：T₁＝.8×10

V₂＝4

即：T2＝.4×10

N＝3

T_actual＝(N*T_clock)+T1-T2

T_actual＝(3*10)+8-4

T_actual＝34个时间单位

通过该公式可以看到，通过将时钟片段时间周期与两个测量信号之间的完整时钟时间周期的总数相结合，产生第一初始测量信号和第二或其它随后的测量信号之间的T_actual，或时间间隔。

还可以理解，代替附图2中所示的单独的时钟源12、时钟计数器14和ADC 24，可以将时钟源、时钟计数器和模拟数字转换器(ADC)的功能合并到微控制器18中。由于单独的硬件组件的数量减少，这进一步简化了本发明的时间间隔测量设备的成本。

应当理解，使用与附图2所示的相同电路，可以将测量第一或初始测量信号和随后的或第二测量信号之间的时间间隔的上述时间间隔测量设备和方法用于多组第一和第二测量信号。使用与附图2中所示的相同电路，还可以利用第一初始测量信号S1和多个随后的测量信号，如S2、S3等等。推导第一初始测量信号和每个随后的测量信号S3等等之间的时间间隔的方法与上述的用于测量第一测量信号S1和第二随后的测量信号S2之间的时间间隔的方法相同。

还可以理解，当为各单独的时间间隔相对于第一初始测量信号测量多个随后的信号时，计数器无论是作为附图2所示的硬线连接组件14实现还是作为微控制器18的一部分来实现，其在贯穿整个测量间隔的计数状态下都保持激活。将来自初始测量信号S1和每个随后的测量信号S2、S3等等的完整时钟时间周期的总数单独地保持为存储状态，以用于计算相应的时间间隔，同时计数器功能继续，如附图3中的虚线所示，其描述了时钟计数使能状态。

可以将本发明的时间间隔测量设备和方法用在许多不同的技术和应用中，其中可以将任何可测量的量作为时间测量感测。这种应用包括磁致伸缩、超声波、雷达等等。在磁致伸缩的情况下，沿电线传输的波的时间传播常数的一个例子是每英寸9.123微秒。如果通过上述方法确定在信号沿电线传输期间产生的两个信号之间的时间间隔，则可以确定两个测量位置之间的长度或距离。可以通过两块沿磁致伸缩电线间隔开的磁体产生测量信号。可选择地，该两个测量信号可包括在磁致伸缩电线上的初始传送脉冲，以及与该电线关联的由磁体提供的第二测量信号。

本发明公开了一种新颖的时间间隔测量设备和方法，其克服了在以前设计的高速或高分辨率时间间隔测量设备中发现的不足。本发明的时间间隔测量设备和方法非常精确地测量时间间隔，而不需要具有高成本、不益于电池供电的装置高功耗并且易于发射EMC噪音的高频计数器或ASIC。

Claims (10)

1.一种时间间隔测量设备，包括：

用于对完整时钟时间周期的总数计数的装置，每个所述完整时钟时间周期在初始测量信号和随后的测量信号之间具有设置的时钟周期；

用于产生时钟片段时间周期的装置，所述时钟片段时间周期从初始测量信号和下一个时钟时间周期的起点、随后的测量信号、以及下一个相应的时钟时间周期的起点开始；以及

用于将产生的时钟片段周期和时钟时间周期的总数结合以便产生在初始和随后的测量信号之间的总时间间隔的装置。

2.如权利要求1所述的设备，其中用于产生时钟片段时间周期的装置进一步包括：

用于在每个时钟片段时间周期的起点产生斜坡信号的斜坡发生装置；

用于在下一个时钟时间周期的起点将每个时钟片段时间周期的斜坡信号的振幅转换成数字值的装置，以及

响应于所述转换装置用于计算所述时间间隔的装置。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述转换装置包括：

模拟数字转换器。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述计算装置包括：

操作控制程序的处理器。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述计数装置包括：

将时钟时间周期作为输入的计数器，所述计数器通过初始测量信号启动以便开始计数，并且通过随后的测量信号产生计数值。

6.一种测量初始和随后的测量信号之间的时间间隔的方法，包括以下步骤：

对完整时钟时间周期的总数计数，每个所述完整时钟时间周期在初始测量信号和随后的测量信号之间具有设置的时钟时间周期；

产生时钟片段时间周期，所述时钟片段时间周期从初始和随后的测量信号中的每一个的起点以及下一个相应的时钟时间周期的起点开始；以及

将产生的时钟片段时间周期和时钟时间周期的总数结合，以便产生初始和随后的测量信号之间的总时间间隔。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述产生时钟片段时间周期的步骤进一步包括以下步骤：

在每个时钟片段时间周期的起点产生斜坡电压信号；

直到下一个时钟时间周期的起点为止，将每个时钟片段时间周期的斜坡信号的振幅转换成数字值；以及

从所述数字值计算时间间隔。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述转换步骤进一步包括以下步骤：

将模拟电压斜坡信号转换成数字值。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述计算步骤进一步包括以下步骤：

通过处理器执行控制程序。

10.一种测量初始和随后的测量信号之间的时间间隔的方法，包括以下步骤：

产生连续的时钟脉冲，所述时钟脉冲在连续的时钟脉冲上跳沿和下跳沿之间具有相同的时钟时间周期；

确定初始和随后的测量信号之间的完整时钟时间周期的总数；

在初始和随后的测量信号中的每一个以及下一个时钟时间周期的上跳沿之间产生时钟片段时间周期；以及

将完整时钟时间周期的总数与初始和随后的测量信号之间的所有时钟片段时间周期结合，以便确定初始和随后的测量信号之间的总时间间隔。

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