CN102033163A - 频率测量方法、频率测量器件和装有频率测量器件的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率测量器件，其包括：计数器部分，其以预定时间间隔对供给的待测量脉冲流信号进行计数并输出与待测量信号的频率相对应的计数值的流；以及低通滤波器部分，其对所述计数值的流执行滤波处理，其中，所述低通滤波器部分包括多级的移动平均滤波器，并且对所述多级的移动平均滤波器中的至少一个移动平均滤波器的输出进行下采样。

Description

频率测量方法、频率测量器件和装有频率测量器件的装置
2009年10月6日提交的第2009-232501号日本专利申请的全部公开以引用的方式特合并于此。
技术领域
本发明涉及频率测量器件，尤其涉及能够利用在预定时间内对待测量信号进行计数并从计数值的流中去除高频分量以借此检测频率变化分量的频率测量器件来测量绝对频率的频率测量器件的改进。
背景技术
作为频率测量方法，如下方法是已知的：对在预定选通时间内通过的脉冲进行计数的直接计数方法(参见例如JP-A-2001-119291(专利文件1))，精确地测量脉冲周期并从其时间倒数获得频率的倒数方法(参见例如JP-A-05-172861(专利文件2))，以及获得德尔塔西格玛(Δ∑)调制信号以获取频率的方法(参见例如美国专利7230458(专利文件3))。
本发明的发明人已提出了作为一种具有现有技术的方法中不存在的特性的新的频率测量方法的“短选通时间计数方法”(参见JP-A-2009-250807)。根据短选通时间计数方法，以短选通时间连续地重复对脉冲的计数(采样)，并从获得的计数值的流中去除高频分量，借此获得与待测量信号的频率相对应的输出。通过这种方法，与现有技术的方法相比，能够在相当程度上提高时间分辨能力和频率分辨能力两者。
所提出方法的频率计数器使用短选通计数器部分和去除高频分量的低通滤波器部分。当数字滤波器用作低通滤波器的一组成部分时，例如，提出了使用移动平均滤波器。使用移动平均滤波器能够在实质上减少计算量，使得能够进行高精度的实时测量。
短选通计数器部分具有相对简单的硬件结构，因此适合于高速工作。然而，滤波器部分处的处理需要多位的加减法，从而主要通过滤波器部分的处理能力来限定实时测量中采样频率的上限。为了获得具有期望特性的移动平均滤波器，需要构造多级的具有多位的移位寄存器并使这一移位寄存器高速运行，这导致电路规模较大且功耗较大。
发明内容
根据本发明的一些方案的优点，可以提供短选通时间计数方法的计数器(频率测量器件)，其中简化其低通滤波器部分的结构以实现较低的功耗。
根据本发明的一些方案的另一优点，可以减少由低通滤波器部分的滤波器结构的简化引起的可能出现的噪声产生。
根据本发明的实施例的频率测量器件装有：计数器部分，其以预定时间间隔对供给的待测量脉冲流信号进行计数并输出与信号的频率相对应的计数值的流；以及低通滤波器部分，其对计数值的流执行滤波处理，其中，低通滤波器部分由多级的移动平均滤波器构成，并且对多级的移动平均滤波器中的至少一个移动平均滤波器的输出进行下采样。
优选的是，用于在多级的移动平均滤波器处获取数据的采样频率从移动平均滤波器的第一级到最后一级在移动平均滤波器的每级处下降。
使用上述构造，能够简化短选通时间计数方法的频率测量器件中的低通滤波器部分的结构。通过简化移动平均滤波器的电路结构并降低电路的工作频率，能够减少部件的数量和功耗。
在根据本实施例的频率测量器件中使用的短选通时间计数方法在原理上表现为噪声成形函数，并且当待测量信号的频率的变化在充分低于计数器部分的采样频率的范围内时在计数值上具有小的变化，使得即使当低通滤波器部分(移动平均滤波器)在下采样(抽选)中间断地处理数据流时，例如混叠噪声的影响也极低。
优选地，在移动平均滤波器的前级和后级两个相继的移动平均滤波器之间的下采样中，可以调整前级的移动平均滤波器中的数据延迟抽头的数量和后级的移动平均滤波器中的采样频率中的至少一个，使得在规定的期间内从前级的移动平均滤波器间断地传输到后级的移动平均滤波器的数据流的累积值变成恒定值。
当通过多级移动平均滤波器执行下采样时，会产生混叠噪声。为了防止这一混叠噪声，需要在下采样之前通过插入低通滤波器来将高频分量减少至充分低的水平。然而，根据本发明的结构，能够避免在移动平均滤波器之间的下采样中可能出现的混叠噪声的产生，而无需设置另外的低通滤波器，从而能够简化低通滤波器部分的结构。
优选地，计数器部分和低通滤波器中的第一级的移动平均滤波器可以由处理二进制信号(位流)的电路构成。这是方便的，因为计数器部分和低通滤波器中的第一级的移动平均滤波器能够被简化成与其具有等价功能的电路。
优选地，预定时间可以少于一秒(更精确地，少于一秒而多于电路的工作极限，例如0.01微秒)，对其没有特别的限制。例如，当执行约0.1毫秒的选通采样时，例如，与现有技术的直接计数方法相比，能够期望将时间分辨能力提高约一位数至两位数，并且将SN比提高约两位数至三位数。
根据本发明的实施例的频率测量方法属于这样的频率测量方法(短选通时间计数方法)：其包括以预定时间间隔连续地测量以脉冲流供给的信号，以及由低通滤波器处理待测量信号的计数值的流以获得与待测量信号的频率相对应的输出信号，其中，低通滤波器部分由多级的移动平均滤波器构成；设定用于在多级移动平均滤波器处获取数据的采样频率以使得该采样频率从移动平均滤波器的第一级到最后一级在移动平均滤波器的每级处下降；以及，在移动平均滤波器的前级和后级两个相继的移动平均滤波器之间的下采样中，调整前级的移动平均滤波器中的数据延迟抽头的数量和后级的移动平均滤波器中的采样频率中的至少一个，使得在规定期间内从前级的移动平均滤波器间断地传输到后级的移动平均滤波器的数据流的累积值变成恒定值。
根据本发明的结构，能够进行频率测量，同时能够避免在使用短选通时间计数方法的频率测量器件中可能出现的混叠噪声的产生，并且能够借助于下采样来简化器件的结构。
上述频率测量器件的电路规模小且易于安装，因此适合于用作共振频率变化型传感器。例如，这样的传感器包括使用石英晶体振荡器、QCM(石英晶体微量天平)器件等的加速度传感器和压力传感器。例如，本发明的频率测量器件可以应用于具有晶体振荡器(其振荡频率由于有气味的物质粘附到晶体振荡器上而变化)的QCM气味传感器，借此能够容易地构造多通道气味传感器。
附图说明
图1A、图1B和图1C为用于说明使用短选通时间计数方法的频率测量器件的图。
图2为用于说明由计数器部分10所给出的计数值的范例的曲线图。
图3为示出低通滤波器部分20的输出的范例的曲线图。
图4为用于说明短选通时间计数方法的频率测量器件由计数滤波器部分和下采样多级移动平均滤波器构成的范例性结构的图。
图5为用于说明图4所示的频率测量器件由非下采样多级移动平均滤波器构成的用于比较的范例性结构的图。
图6为用于说明使用短选通时间计数方法的频率测量器件由位流计数滤波器部分和下采样多级移动平均滤波器构成的范例性结构的图。
图7为用于说明图6所示的频率测量器件由非下采样多级移动平均滤波器构成的用于比较的范例性结构的图。
图8为用于说明由根据第二实施例(图6)的频率测量器件给出的频率测量的范例的曲线图。
图9为用于说明由根据比较范例(图7)的频率测量器件给出的频率测量的范例的曲线图。
图10为用于说明用于频率测量器件的计数滤波器部分和下采样多级移动平均滤波器的调谐方法的图。
图11A、图11B和图11C为用于说明在前一级的移动平均滤波器(5抽头)与后一级的移动平均滤波器之间进行下采样(1/4倍)时信号传输的范例的图。
图12A、图12B和图12C为用于说明在前一级的移动平均滤波器(4抽头)与后一级的移动平均滤波器之间下采样(1/4倍)时信号传输的范例的图。
图13A、图13B和图13C为用于说明在前一级的移动平均滤波器(5抽头)与后一级的移动平均滤波器之间下采样(1/5倍)时信号传输的范例的图。
图14A、图14B和图14C为用于说明在前一级的移动平均滤波器(4抽头)与后一级的移动平均滤波器之间下采样(1/5倍)时信号传输的范例的图。
具体实施方式
下面参考附图说明本发明的优选实施例。图中相应的部分附有相同的附图标记。应当注意的是，用于产生各种时钟的时钟信号发生电路、供电电路等用于实施例中所说明的数字电路中，由于为本领域的技术人员所公知，它们的详细说明被省略。
短选通时间计数方法
首先，对短选通时间计数方法进行说明。图1A、图1B和图1C示出了例如在第2008-099721号日本专利申请和第2009-123749号日本专利申请中使用由本发明人所提出的短选通时间计数方法的频率测量器件(频率计数器)。图1A示出了使用短选通时间计数方法的频率测量器件的基本结构。
如图1A所示，频率测量器件具备了短选通时间计数器部分(下面也称作“计数器部分”)10和低通滤波器部分20。计数器部分10以短选通时间间隔对从信号源(未示出)供给的脉冲流信号的脉冲进行连续地计数，并连续地输出计数值。例如，如第2008-099721号日本专利申请中所述，可以使用在每个选通期间内交替工作的两个计数器实现上述计数器操作，借此能够连续地获得在每个选通期间内获取的计数值。作为选择，可以在选通期间内(采样期间)锁存具备所需位数的加法计数器的输出，并且可以从当前测量中的计数值中减去前次测量中的计数值，借此能够获得每个采样期间内的计数值。
数字地处理一系列计数值的低通滤波器部分20可以由例如数字滤波器(或模拟滤波器)构成，并且可以由以相对小的计算量进行预期操作的移动平均滤波器构成。
例如，图2和图3示出了当用于供给待测量信号的信号源是产生具有30MHz振荡频率的脉冲流的石英晶体振荡器时获得的测量范例，计数器部分10以100Hz的采样频率(0.01秒的选通时间)对脉冲进行计数，并且低通滤波器部分20由抽头数量为512的(数字)低通滤波器构成。
如图2所示，计数器部分10输出脉冲流的一系列计数值。当对稳定在一标定频率的脉冲流信号进行计数时，计数值呈具有由选通时间确定的两个值之间的振幅的脉冲流而分布。另一方面，即使当待计数的脉冲流信号的频率变化时，如果变化在量化误差的范围之内，则计数值同样呈具有两个值之间的振幅的脉冲流而分布。例如，在选通时间为0.01秒的情况下，如果待计数的脉冲流信号的频率的变化包含在100Hz与200Hz之间，则能够获得的显示为100Hz或200Hz。
如图3所示，低通滤波器部分20输出通过去除脉冲频率分量(高频分量)所获得的低频带分量。低频带分量的电平对应于供给的脉冲流信号(计数值的流)的频率，并且低频带分量的电平的变化对应于待测量信号的频率的变化。低频带的输出被输出为连续(模拟)数据(曲线)，并且能够检测在无法通过具有100Hz的采样周期的计数测量到的区域中的频率变化，尤其是小于1Hz的频率变化。
以此方式，根据短选通时间计数方法，以短选通时间(例如，小于一秒)对待测量信号进行连续地采样，借此所获得的计数值的流表现为脉冲流信号，并且脉冲流的频率(密度)根据待测量信号的频率的变化而变化。而且，待测量信号的振荡频率的大小对应于脉冲流的大小。关于待计数的脉冲流信号的频率的信息存在于表现为脉冲流的计数值的流的频谱的低频带分量中。因此，通过低通滤波器从计数值中提取(去除源于量化误差的谐波分量)低频带分量，借此能够对关于被计数的脉冲流信号的频率的信息进行解码。
在使用本实施例的方法的频率测量器件中，当用于去除高频分量的低通滤波器20由数字滤波器构成时，可以优选地使用高阶(高抽头数量)滤波器，从而获取平滑的输出。而且，低通滤波器部分20可以构造为多级。
短选通计数部分10能够用相对简单的硬件结构来实现，因此适用于高速工作。然而，滤波器部分20处的数据处理需要多位的加减法。因此，主要由滤波器部分的处理能力来限定实时测量中采样频率的上限。而且，当使用两级或多级的数字滤波器时，多级的多位移位寄存器需要以高速工作，导致功耗较大。
第一实施例
本发明的第一实施例试图通过简化短选通时间计数方法的频率测量器件中的低通滤波器部分20的电路结构并逐渐地降低多级滤波器的工作频率(至少在一个级中)来实现较高的工作速度和较低的功耗。
图1B示出了图1A所示的频率测量器件的低通滤波器部分20由多级的(在本实施例中为三级)移动平均滤波器21-23构成的结构的范例。
图1C示出了图1B所示的频率测量器件的计数器部分10和移动平均滤波器21结合以构成计数滤波器部分11的结构的范例，并且低通滤波器部分20由移动平均滤波器22和23构成。通过将计数器部分10和移动平均滤波器21结合，能够用简化的电路结构实现计数器和滤波器的功能。能够使用本领域的技术人员所公知的用于简化数字电路的任何方案。例如，第2009-123749号日本专利申请的图3至图8示出了电路简化的范例。
图4示出了频率测量器件的范例性结构，其中，经简化的计数滤波器部分11和多级的移动平均滤波器(三级结构(11、22和23作为整个器件的结构)的移动平均滤波器)从第一级到后一级以较低速工作，并且抽头的数量也从第一级到后一级逐渐地减少。在这一范例中，以152kHz(fs)进行短选通时间计数，并且(三级)低通滤波器的截止频率被设计为约0.25Hz(对其没有任何特别的限制)。
在图4中，计数滤波器部分11由加法计数器111、数据锁存器112、48k级寄存器113以及减法器114构成，加法计数器111对待测量信号的脉冲进行计数，数据锁存器112与频率为152kHz(＝fs)的采样时钟同步地获取加法计数器111的计数值，48k级寄存器113与采样时钟同步地延迟数据锁存器112的输出，减法器114从数据锁存器112的输出中减去移位寄存器113的输出。计数滤波器部分11用作对待测量信号的脉冲流进行计数的短选通计数器10和以152kHz工作的第一级48k抽头移动平均滤波器21(参见图1C)。
计数滤波器部分11的输出(减法器114的输出)被供给到以1188Hz(＝fs/128)的采样频率工作的抽头数量为1000的第二级移动平均滤波器22，并且第二级移动平均滤波器22的输出被供给到以148Hz(＝fs/1024)的采样频率工作的抽头数量为125的第三级移动平均滤波器23。第三级移动平均滤波器23的输出为测量到的频率值。
移动平均滤波器22由累加器(积分器)221、数据锁存器224、1000级移位寄存器222a以及减法器223构成，累加器221使减法器114的输出顺序地相加(累加)，数据锁存器224与采样频率为1188Hz(＝fs/128)的采样时钟同步地获取累加器221的输出，1000级移位寄存器222a与采样时钟同步地延迟数据锁存器224的输出，减法器223从由数据锁存器224输出的累积值中减去作为前1000个数据的累积值的移位寄存器222a的输出从而输出与移动平均值相对应的值。类似于移动平均滤波器22，移动平均滤波器23也由累加器(积分器)231、数据锁存器234、125级移位寄存器232a以及减法器233构成，累加器231将在前一级中减法器223的输出进行累加，数据锁存器234与采样频率为148Hz(＝fs/1024)的采样时钟同步地获取累加器231的输出，125级移位寄存器232a与采样时钟同步地延迟数据锁存器234的输出，减法器233从由数据锁存器234输出的累积值中减去作为前125个数据的累积值的移位寄存器232a的输出从而输出与移动平均值相对应的值。
应当注意的是，根据本实施例，低通滤波器部分20由三级移动平均滤波器构成，并且在两级中进行下采样。然而，本发明不限于这一结构。移动平均滤波器可以构造为更多级，并且可以以更大的频率进行下采样。而且，在减少抽头的数量时(至少)一次下采样操作是有效的。相同的特性可类似地应用于下述实施例。
关于第一实施例的比较范例
图5示出了作为比较范例的频率测量器件，其中，图4所示的频率测量器件由常规移动平均滤波器构成(在非渐变式速率减小操作中)。与图4所示的部分相对应的部分附有相同的附图标记。还将这一范例的频率测量器件设计为：以152kHz(fs)执行短选通时间计数，并且将(三级)低通滤波器的截止频率设定为约0.25Hz。
根据比较范例的结构，三级低通滤波器的抽头的数量为152kHz÷0.25÷2＝304k个抽头，其中，48k个抽头被分配到第一级寄存器113，128k个抽头被分配到第二级寄存器222a，128k个抽头被分配到第三级寄存器232，并且每级以152kHz(fs)的采样频率工作。根据本发明的实施例，频率测量器件(图4)将短选通时间计数器和其工作频率被逐渐降低的多级的移动平均滤波器结合，借此在相当程度上减少了待使用的寄存器的数量并逐渐地降低工作频率，因此应当理解的是，降低了功耗。
通常，当通过多级移动平均滤波器执行下采样时，会产生混叠噪声。为了防止这一混叠噪声，需要通过在下采样之前插入低通滤波器而将高频分量减少到充分低的水平。例如，在日本特开专利申请2000-307384中说明了这一技术的范例。根据短选通时间计数方法，即使当进行下采样时，也能够呈现噪声成形函数。因此，与噪声成形函数不起作用的情况相比，在下采样之前所需的低通滤波器无需具有高性能。因此，能够简化低通滤波器的结构。而且，如果在下采样前后包括低通滤波器的低通滤波器部分作为整体具有充分的性能是可接受的。
第二实施例
图6示出了本发明的第二实施例，与第一实施例的不同之处在于，计数滤波器部分11由1位(二进制)信号处理电路构成，因而简化了电路。在这一范例中，以4760Hz(fs)进行短选通时间计数，并且(三级)低通滤波器的截止频率被设计为约0.77Hz。因此，计数滤波器部分11以4760Hz(＝fs)的采样频率工作，第二级移动平均滤波器22由以149Hz(＝fs/32)的采样频率工作的抽头数量为32的移动平均滤波器构成，并且第三级移动平均滤波器23由以37Hz(＝fs/128)的采样频率工作的抽头数量为16的移动平均滤波器23构成。图6中的与图4中所示的部件相对应的部件附有相同的附图标记。
根据本范例，计数滤波器部分11由数据锁存器112a、1位4级延时移位寄存器113a以及异或(EXOR)电路114a构成，数据锁存器112a与4760Hz(fs)的采样时钟同步地获取待测量的脉冲流信号(78MHz)的瞬时值，1位4级延时移位寄存器113a与采样时钟(fs)同步地延迟数据锁存器112a的输出，异或电路114a将数据锁存器112a的输出和移位寄存器113a的输出相加。计数滤波器部分11用作对待测量信号的脉冲流进行计数的1位短选通计数器10和第一级的1位4级移动平均滤波器(参见图1C)。计数滤波器部分11的输出(加法器114a的输出)被供给到第二级移动平均滤波器22。
第二级移动平均滤波器22由1位输入11位输出计数器225a、数据锁存器224、32级延时移位寄存器222c以及11位输出减法器223构成，1位输入11位输出计数器225a连续地进行计数，数据锁存器224获取11位数据，32级延时移位寄存器222c对该11位数据进行延迟，11位输出减法器223接收锁存器224的输出作为正输入并且接收寄存器222c的输出作为负输入。第二级移动平均滤波器22作为低通滤波器与(1/32)fs的采样时钟同步工作。第二级移动平均滤波器22的输出(减法器223的输出)被供给到第三级移动平均滤波器23。
移动平均滤波器23由17位输出累加器(积分器)231、17位输出数据锁存器234、16级移位寄存器232c以及减法器233构成，17位输出累加器231对前一级中减法器223的输出进行累加，17位输出数据锁存器234与以采样频率为37Hz(＝fs/128)的采样时钟同步地获取累加器231的输出，16级移位寄存器232c与采样时钟同步地延迟数据锁存器234的输出，减法器233从由数据锁存器234输出的累积值中减去作为前16个数据的累积值的移位寄存器232c的输出从而输出与移动平均值相对应的值。
关于第二实施例的比较范例
图7示出了作为比较范例的频率测量器件，其中，图6所示的频率测量器件由常规移动平均滤波器构成(在非渐变式速率减小操作中)。与图6所示的部分相对应的部分附有相同的附图标记。类似于第二实施例，还将这一范例的频率测量器件设计为：以4760kHz(fs)进行短选通时间计数，并且将(三级)低通滤波器的截止频率设定为约0.77Hz。
根据这一比较范例，计数滤波器部分11是由类似于图6所示的电路的二进制信号(位流)处理电路构成的。第二级移动平均滤波器22由2048级移位寄存器222b以及12位输出加减法计数器225构成，2048级移位寄存器222b与采样时钟(fs)同步地延迟计数滤波器部分11的1位输出，12位输出加减法计数器225接收计数滤波器部分11的输出作为加法输入并且接收移位寄存器222b的输出作为减法输入。第三级移动平均滤波器23由22位输出累加器(积分器)231、1024级移位寄存器232b以及22位输出减法器233构成，22位输出累加器231对在前一级中滤波器的输出进行累加，1024级移位寄存器232b与采样时钟(fs)同步地延迟累加器231的输出，22位输出减法器233从由累加器231输出的累积值中减去作为前1024个数据的累积值的移位寄存器232b的输出从而输出与移动平均值相对应的值。
根据比较范例的结构，为了将三级低通滤波器的截止频率设定为约0.77Hz(＝4760Hz÷(4+2048+1024)÷2)，4个抽头被分配到第一级寄存器113，2048个抽头被分配到第二级寄存器222a，1024个抽头被分配到第三级寄存器232，并且每级以4760Hz(fs)的采样频率工作。
根据本实施例的结构，4个抽头被分配到第一级寄存器113，32个抽头被分配到第二级寄存器222a，16个抽头被分配到第三级寄存器232，并且这些级分别以4760Hz、149Hz(＝fs/32)和37Hz(＝fs/128)的采样频率工作。
因此，根据本发明的实施例，频率测量器件(图6)将短选通时间计数器和其工作频率被逐渐降低的多级的移动平均滤波器结合，从而在相当程度上减少了待使用的寄存器的数量并逐渐地降低工作频率，借此降低功耗。
效果的比较
图8为示出利用形成在FPGA(现场可编程门阵列)上的根据图6所示的第二实施例的频率测量器件(位流计数滤波器+移动平均滤波器的渐变式下采样)获得的测量范例的曲线图，其中，短选通计数器以4760Hz工作，并测量78MHz晶体振荡器的频率(待测量信号)的变化。图9为示出利用形成在FPGA上的图7所示的比较范例的频率测量器件(位流计数滤波器+移动平均滤波器的非下采样)获得的测量范例的曲线图，其中，测量78MHz晶体振荡器的频率(待测量信号)的变化。
比较图8与图9，应当理解的是，类似于通过比较范例的方法(短选通时间计数方法+非下采样)的测量，实施例的方法(短选通时间计数方法+下采样)的测量充分地与待测量信号的频率的变化一致。
能够在多级移动平均滤波器的相邻级之间执行多次上述下采样。而且，可以在其任一相邻级之间执行一次下采样。
第三实施例
接下来，参考图10至图14，对通过适当地调整(调谐)多级移动平均滤波器的抽头数量和将短选通时间计数方法和下采样结合的频率测量器件的下采样频率来提高频率测量器件的S/N比的方法的范例进行说明。
根据第三实施例，在使用在第一实施例和第二实施例中说明的短选通时间计数方法的频率测量器件(具有由多级移动平均滤波器构成的低通滤波器，其中，设定用于在各级移动平均滤波器处获取数据的采样频率被设定为从第一级到最后一级逐渐地降低)中，在前后两个移动平均滤波器之间的下采样中，调整前一级的移动平均滤波器中的数据延迟级的数量或后一级的移动平均滤波器中的采样频率，使得在规定的期间内从前一级的移动平均滤波器间断地传输到后一级的移动平均滤波器的数据流的累积值变成恒定值。
图10为用于说明根据第三实施例的频率测量器件的图。图10中的与图6所示的部件相对应的部件附有相同的附图标记，将省略对其的说明。
在图10中，为了便于说明，计数滤波器部分11的(第一级移动平均滤波器的)寄存器由5个抽头(5级)构成。而且，为了便于说明，数据锁存器224布置在第二级移动平均滤波器22的加法计数器225a之前，并且数据锁存器234布置在第三级移动平均滤波器23的累加器231之前，这不同于图6所示的范例。第一级移动平均滤波器11以采样频率fs工作，第二级移动平均滤波器22以(1/4)fs的采样频率工作，并且第三级移动平均滤波器23以(1/16)fs的采样频率工作。适当地设定每条信号线路上的位的数量。其他组成部分与第二实施例的部分大体相同，因此省略对其的说明。
图11A、图11B和图11C为用于说明在第一级移动平均滤波器11与第二级移动平均滤波器22之间的连接部分处的下采样中信号传输的范例的图。图11A示出了在以采样频率fs工作的第一级移动平均滤波器11和以(1/4)fs的采样频率工作的后一级的数据锁存器224周围的部分。而且，数据锁存器112a的输出表示为部分a(将在下面说明)，并且移位寄存器113a的输出表示为部分b(将在下面说明)。而且，输入这些输入的加法器(EXOR)的输出(向数据锁存器224的输入)表示为部分c。
图11B示出了图11A中所示的各部分处的信号传输范例。当短选通计数器部分的数据锁存器112a与采样频率fs的时钟1-34同步地连续获取待测量信号的瞬时值并输出相应的数据(0或1)时，以(fs/4)工作的后一级的部分a、部分b、部分c和锁存器224具有如表中所示的数据。锁存器224根据采样频率(fs/4)从由加法器114a输出的一系列数据流间断地获取数据。通过后一级的加法计数器(对应于累加器)225a增加时钟0-34处(在规定的周期中)锁存器224的输出。如下面所述，根据移动平均滤波器的输出的SN比来调整获取数据的间隔(下采样)。
图11C示出了由于抖动(信号中的时间轴抖动)等影响待测量信号并且时钟18和时钟19处的位的输入值彼此转换的情况。当没有发生抖动时(图11B)，作为第二级移动平均滤波器22的数据锁存器224的输出的累加值的计数器225a的值为“4”。然而，当发生抖动并且时钟18和时钟19处的输出值“1”和“0”彼此转换时，后一级的数据锁存器224的累积值(计数器225a的值)变成“5”(参见图11C)。这对应于由于抖动的影响产生噪声的事件。时钟18处的输入“1”或时钟19处的输入“1”对后一级的累积值具有不同的影响(作用)。
图12示出了第一级移动平均滤波器的移位寄存器113a的抽头(级)的数量变成“4”的情况。其他组成部分与图11中所示的部分相同。
在这一情况下，在时钟18处的第二级移动平均滤波器22的锁存值变成“0”，而在时钟22处的第二级移动平均滤波器部分的锁存值变成“1”，使得在规定的期间内具有数据锁存器224的输出值“1”的单元的数量不变。换句话说，在时钟18处的输入“1”(图12C)或在时钟19处的输入“1”(图12B)产生相同的结果。这等价于具有噪声成形函数。
相应地，通过调整移位寄存器113a的抽头的数量，能够起到噪声成形的作用。换句话说，当抖动影响数据锁存器112a时，在加法器114a的输出值中出现时间移位(相位差)。然而，只要保持数据锁存器224的相位差与时间之间的一致性，就不会出现累积值的差，因此噪声成形起作用。例如，能够选择移位寄存器113a的抽头的数量为多次下采样。
图13示出了在图11的结构中第二级移动平均滤波器22的采样频率被设定为fs(1/5)的范例。在这一情况下，第二级移动平均滤波器22的数据锁存器224的累积值(计数器225a的值)为“3”，而与时钟18和时钟19处抖动的存在或不存在无关。在时钟18处的输入“1”(图13C)或时钟19处的输入“1”(图13B)产生相同的累积值(参见图13A和图13B)。
图14示出了在图11的结构中移位寄存器113a的抽头(级)的数量被设定为4级并且在后一级的数据锁存器224的采样频率被设定为fs(1/5)的范例。该图示出了抖动(信号的时间轴抖动)等影响待测量信号，并且输入值的位在时钟18和时钟19处转换。当没有发生抖动时(图14B)，作为在规定的期间内第二级移动平均滤波器22的数据锁存器224的输出的累积值的计数器225a的值为“2”。然而，当发生抖动并且在时钟18和时钟19处的数据锁存器112a的输出值“1”和“0”彼此转换时，后一级的数据锁存器224的累积值变成“3”(图14C)。这对应于由于抖动的影响产生噪声的事件。在时钟18处的输入“1”或在时钟19处的输入“1”对后一级的累积值具有不同的影响(作用)。
因此，能够通过调整下采样的间隔(采样频率)、一系列数据流的时间轴与下采样时间的时间轴之间的相位差(采样位置的移位)等提高S/N。例如，可以选择移位寄存器113a的抽头的数量为多次下采样，并且可以选择下采样周期为移位寄存器113a的抽头数量的约数(divisor)中的一个。
不言而喻，可以调整数据移位量(滤波器的抽头数量)和下采样的采样频率(周期)两者。
在图11的情况下，由于测量时的±1计数误差不正确并且因此不能够获得噪声成形效果，因此应当理解的是，实际上转移了±1计数误差。在这一情况下产生的±1计数误差对应于±4760Hz的输入误差(其为与采样频率相同的值)。由于这一误差实际上被转移到后续级的块中，因此以已由移动平均滤波器平滑的形式输出±1计数误差。
能够通过移动平均滤波器的抽头数量和工作时钟来粗略地估计±1计数误差对输出的影响的绝对值作为冲击响应的最大值，工作时钟为
Figure BSA00000308987000141
Figure BSA00000308987000142
另一方面，误差的绝对值(理论值)为
Figure BSA00000308987000143
因此，应当理解的是，根据第三实施例，能够在相当程度上提高输出信号的SN比。
在上述第三实施例中，为了便于说明，计数滤波器部分11由1位信号处理(位流)电路结构构成，但是本发明不限于这一结构。类似于图4所示的结构，计数滤波器部分11可以由多位信号处理系统构成。
参考在第一级移动平均滤波器与第二级移动平均滤波器之间执行下采样的范例来说明上述实施例(用于调谐)。然而，相同的方法可类似地应用于第二级移动平均滤波器与第三级移动平均滤波器之间的下采样。而且，相同的方法可类似地应用于多级移动平均滤波器的任何相邻级之间的下采样。
因此，如第三实施例中所述，通过调整数据移位和采样频率(周期)中的至少一个，数据流在规定期间内的累积值变成恒定值，借此能够抑制由于量化误差引起的噪声的产生。例如，在使用石英晶体振荡器的传感器的情况下，提前已知所产生的待测量信号的特性例如待测量信号的频率、频率变化的范围等，可以调整多级移动平均滤波器中前一级的移动平均滤波器中的数据延迟级的数量和后一级的移动平均滤波器的采样频率中的至少一个，借此能够提高频率测量器件的S/N。
应用的装置
根据本发明的任一实施例的频率测量器件可应用于各种共振频率变化型传感器，借此能够实现装置的尺寸减小、重量减轻、较高的分辨能力和较低的成本。而且，本发明适用于各种传感器的电路集成和平台实现。此外，本发明有利地用于气味传感器、气体传感器、生物传感器等、QCM器件、压力传感器、加速度传感器等的传感器阵列。
实施例的效果
如上所述，根据本发明的第一实施例，使用短选通时间计数方法的低通滤波器由多级的移动平均滤波器构成，并且在前一级与后一级之间或者在任何相邻级之间执行下采样，使得与由短选通计数器和移动平均滤波器构成的现有技术的结构相比能够减少移位寄存器的数量。
根据第二实施例，短选通时间计数器和第一级移动平均滤波器由位流处理电路构成，从而进一步简化电路结构，并且变得可以更高速度地工作。
而且，根据本发明的第三实施例，在将短选通时间计数方法和执行下采样的多级移动平均滤波器组合的频率测量器件中，调整移动平均滤波器中的抽头的数量和采样间隔，借此提高S/N。
而且，根据上述实施例(具有使用短选通时间计数方法的计数器)，即使在已执行下采样之后，噪声成形也会起作用。因此，与噪声成形不起作用的其他方法对比，在下采样之前所需的低通滤波器无需高性能，从而还能够简化下采样之前的低通滤波器(换句话说，如果在下采样前后低通滤波器和部件作为整体的性能充分是可以接受的)。因此，能够简化低通滤波器的结构。
而且，因为频率测量器件在电路规模上小且易于安装，所以装有根据本发明的任一实施例的频率测量器件的传感器是有利的，借此能够实现装置的尺寸减小、较高精度、重量减轻、节电和较低的成本。

Claims (7)

1.一种频率测量器件，包括：
计数器部分，其以预定时间间隔对以脉冲流供给的待测量信号进行计数并输出与所述待测量信号的频率相对应的计数值的流；以及
低通滤波器部分，其对所述计数值的流执行滤波处理，
其中，所述低通滤波器部分包括多级的移动平均滤波器，并且对所述多级的移动平均滤波器中的至少一个移动平均滤波器的输出进行下采样。
2.根据权利要求1所述的频率测量器件，其中，用于在所述多级的移动平均滤波器处获取数据的采样频率从所述移动平均滤波器的第一级到最后一级在所述移动平均滤波器的每级处下降。
3.根据权利要求1所述的频率测量器件，其中，在所述移动平均滤波器的前级和后级两个相继的移动平均滤波器之间的下采样中，调整所述前级的移动平均滤波器中的数据延迟抽头的数量和所述后级的移动平均滤波器中的采样频率中的至少一个，使得在规定的期间内从所述前级的移动平均滤波器间断地传输到所述后级的移动平均滤波器的数据流的累积值变成恒定值。
4.根据权利要求1所述的频率测量器件，其中，所述计数器部分和所述低通滤波器部分中的第一级的移动平均滤波器由处理二进制信号的电路构成。
5.根据权利要求1所述的频率测量器件，其中，所述预定时间小于一秒。
6.一种频率测量方法，包括以预定时间间隔对以脉冲流供给的待测量信号进行连续计数以及由低通滤波器处理所述待测量信号的计数值的流以获得与所述待测量信号的频率相对应的输出信号，所述方法包括：
设定用于在多级的移动平均滤波器处获取数据的采样频率以使得该采样频率从所述移动平均滤波器的第一级到最后一级在所述移动平均滤波器的每级处下降；以及
在所述移动平均滤波器的前级和后级两个相继的移动平均滤波器之间的下采样中，调整所述前级的移动平均滤波器中的数据延迟抽头的数量和所述后级的移动平均滤波器中的采样频率中的至少一个，使得在规定的期间内从所述前级的移动平均滤波器间断地传输到所述后级的移动平均滤波器的数据流的累积值变成恒定值。
7.一种装有权利要求1中所述的频率测量器件的装置。
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