CN102207522A - 一种基于频率测量的rc常数测量方法 - Google Patents

一种基于频率测量的rc常数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频率测量的RC常数测量方法。本发明针对频率振荡器中，输出频率测量与RC常数设计，振荡器输出频率与RC常数的关系，实现了基于频率测量的RC常数的测量及其在频率振荡电路中的校正应用。
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
测量模块电路根据RC常数设定与输出频率有确定的反比例关系，有效地实现了频率振荡电路，为采用数字电路测量及校正调整提供前提条件。使用数字电路测量振荡频率，校正RC常数，方便灵活，二进制搜索算法使校正速度得到了较大地提高。

Description

一种基于频率测量的RC常数测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量RC（电阻电容）常数的一种方法，具体是指一种基于频率测量的RC常数测量方法。
背景技术
目前,RC常数的测量在很多应用场合、电路结构中都使用到，如模拟滤波器、频率合成器，压控振荡器等电路中，RC常数都需要测量并将其校正到合适的范围内。对RC常数的测量，一般都不是直接测量，而是通过一定手段，把RC乘积常数转化成其它物理量，从而进行有效准确的测量。对于振荡器结构中，振荡输出的频率，它与RC电阻电容乘积成反比，对于固定的输出频率，其电路中RC常数应是恒定的，因此RC常数的测量与校正可以有效改变振荡器输出频率；在模拟滤波器设计中，滤波器的转角频率，它与电阻电容的乘积成反比；对特定的滤波器，其RC常数也应是恒定的。片上集成的滤波器一般分为有源RC（电阻电容）和                                                
Figure 116955DEST_PATH_IMAGE002
（跨导电容）两种结构。
Figure 971779DEST_PATH_IMAGE002
结构实现跨导时一般使用电阻，使
Figure 751516DEST_PATH_IMAGE004
。由于片上电阻电容一般会有10%～25%的偏差，影响滤波器的转角频率高达±50%。需要对滤波器的转角频率进行校正，使其偏差小于±5％，过渡带和带外抑制才能满足要求。我们一般使用开关电阻或开关电容实现滤波器频率校正，随滤波器实现的结构而不同。在有源RC滤波器中一般使用开关电阻阵列，而在滤波器中一般使用开关电容阵列，调节原理完全一致。因此滤波器的校正也需要对RC常数作准确的测量。
RC常数的测量方法很多，对于不同RC常数结构，可采用不用的测量方法，本发明基于振荡器输出频率与RC常数的比例关系，而提出的一种针对基于频率测量方法的RC常数测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路结构可行，测量方便准确，精度可控的能较好地应用于振荡器中电阻电容RC常数测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于频率测量的RC常数测量方法，包括频率振荡电路模块和测量模块；
频率振荡电路模块，由两个积分器构成环形振荡环路，当RC乘积为常数，环形振荡器输出经电压比较器后输出为固定频率方波信号，方波信号频率与RC电阻电容成比例关系，调节RC大小，可改变两积分器积分构成的振荡器输出频率
Figure 721243DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 925959DEST_PATH_IMAGE006
计算如下：
Figure 124859DEST_PATH_IMAGE008
，（1）
由公式（1）可知，
Figure 793738DEST_PATH_IMAGE006
与RC常数成反比，如此，对RC常数的测量转化为对
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的测量；
Figure 724785DEST_PATH_IMAGE006
测量模块，先产生已知频率
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的参考时钟及设定参考计数值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，在频率振荡器输出稳定后开始对参考时钟频率进行计数，当参考时钟计数器达到计数值
Figure 416797DEST_PATH_IMAGE013
时，停止参考计数器，在对参考时钟进行计数的同时，对频率振荡器电路模块输出方波信号上升沿，使用另一测量计数器进行计数，当参考计数器停后，测量计数器也在计数完最后输出方波信号上升沿后停止计数，这样得出另一计数，因
Figure 91492DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 543772DEST_PATH_IMAGE013
为已知量，可得出测量输出频率
Figure 973616DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 215241DEST_PATH_IMAGE018
，（2）
测量精度由数字时钟频率
Figure DEST_PATH_IMAGE019
决定。由公式（2）最后计算得出RC常数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（3）。
本发明还包括频率校正电路，把频率振荡器电路模块中的电容设计成N位电容阵列形式，通过改变电容值，频率振荡器电路模块输出RCOUT频率发生改变，RCOUT输出进入
Figure 365731DEST_PATH_IMAGE022
测量模块,根据测量模块中数值比较器比较结果，由公式（1）可得，当
Figure 282052DEST_PATH_IMAGE024
时，
Figure 10973DEST_PATH_IMAGE026
，电容值偏小，调节电容阵列使之变大，使频率振荡电路模块输出频率减小；当时，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，电容值偏大，调节电容阵列使之变小，频率振荡电路模块输出频率增大，经过多次比较后，使电容阵列最大地逼近设定值。
所述的RC常数电容阵列调整使用二进制搜索算法实现。
所述的二进制搜索算法可以分为3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索；
初始化时，N位开关电容阵列大小设置成可调范围值正中间，即其最高位置1，其余位置0，最高位就是当前搜索位置，设置完毕，等待振荡环路工作正常，转换出稳定输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE032
参考时钟计数器开始计数，并发出start启动信号，此时测量计数器开始对测量模块电路输出的方波信号进行计数，当参考时钟计数达到预设值
Figure 463131DEST_PATH_IMAGE013
并发出stop指示信号时，测量计数器停止计数，进入向下搜索阶段；
向下搜索时，对计数值进行判断，若大于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1）；否则表明电容值偏大，当前搜索位（置0），把下一搜索位置1后开始下一次搜索，直至最低位方向确定；
左右搜索时，在向下搜索到第N位后，向下搜索过程完成，对当前确定的电容阵列的左右进行搜索，即比较当前电容值加1（左）及减1（右）位进行搜索并判断比较值，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置；
假设电容阵列共有N位，则共需N＋2此搜索，每次搜索时间均相同。
本发明的有益效果是：本发明实现了基于频率测量的RC常数的测量及其在频率振荡电路中的校正应用。
Figure 172461DEST_PATH_IMAGE006
测量模块电路根据RC常数设定与输出频率有确定的反比例关系，有效地实现了频率振荡电路，为采用数字电路测量及校正调整提供前提条件。使用数字电路测量振荡频率，校正RC常数，方便灵活，二进制搜索算法使校正速度得到了较大地提高。
附图说明
图１是频率振荡器电路图。
图２是自动频率校正数字逻辑框图。
图３是RC常数数字校准时序图。
图４是二进制搜索算法状态转移图。
图5是开关电容阵列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
如图1至图5所示，本发明所述的一种基于频率测量的RC常数测量方法，包括频率振荡电路模块，频率振荡电路模块206如图1所示，该频率振荡器由两个积分器103构成环形振荡器101环路，当RC104乘积为常数，环形振荡器输出经电压比较器102输出为固定频率方波信号RCOUT202(频率振荡器输出时钟)，方波信号频率
Figure DEST_PATH_IMAGE034
与RC电阻电容成比例关系，调节RC104大小，可改变两积分器103积分构成的振荡器输出频率
Figure 60783DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 943288DEST_PATH_IMAGE034
计算如下：
 ，( 1 )
由公式(1)可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
与RC常数成反比，如此，对RC常数的测量转化为对
Figure DEST_PATH_IMAGE037
的测量。
Figure 230526DEST_PATH_IMAGE036
测量模块208如附图2所示，对
Figure 110757DEST_PATH_IMAGE037
频率测量采用数字电路实现，具体为：先产生已知频率的参考时钟201及设定参考计数值
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，在频率振荡器输出稳定后开始对参考时钟频率进行计数，当时钟参考计数器203达到计数值
Figure 486375DEST_PATH_IMAGE039
时，停止参考计数器，在对参考时钟进行计数的同时，对频率振荡器电路模块206输出RCOUT振荡器时钟202上升沿，使用另一测量计数器205进行计数，当参考计数器203停后，测量计数器205也在计数完最后输出RCOUT振荡器时钟信号上升沿后停止计数，这样得出另一计数
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，频率测量及比较时序见附图3所示，因
Figure DEST_PATH_IMAGE041
与
Figure 844675DEST_PATH_IMAGE013
为已知量，可得出测量输出频率
Figure 254928DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，( 2 )
测量精度由数字时钟频率
Figure 306060DEST_PATH_IMAGE011
决定。由公式(2)最后计算得出RC常数为：
Figure 231291DEST_PATH_IMAGE021
，( 3 )。
作为本发明RC常数测量方法延伸，还包括频率自动校正方法：
对于RC常数的测量或者把RC常数校正到一个特定范围内，在频率振荡电路结构中一般转换为对振荡器输出频率的测量与开关电容阵列的调整，因此对RC常数测量方法作进一步延伸，设计出RC常数校正电路(频率校正电路)，使 RC 常数逼近一个误差可接收范围内的取值。
频率校正电路为了方便实现，采用数字逻辑电路，自动频率校正逻辑框图如图2所示，把频率振荡器电路模块206中的电容设计成N位电容阵列形式207，通过改变电容阵列改变电容值，频率振荡器电路模块206输出RCOUT频率振荡器时钟202发生改变，RCOUT202进入
Figure 455599DEST_PATH_IMAGE009
测量模块208,根据
Figure 454779DEST_PATH_IMAGE009
测量模块中数值比较器204比较结果，由公式(1)可得，当
Figure 739130DEST_PATH_IMAGE024
时，
Figure 89340DEST_PATH_IMAGE026
，电容值偏小，调节电容阵列207使之变大，使频率振荡器电路模块206输出频率减小；当
Figure 117338DEST_PATH_IMAGE028
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，电容值偏大，调节电容阵列207使之变小，频率振荡器电路模块206输出频率增大，经过多次比较后，使电容阵列最大地逼近设定值，使用二进制搜索算法可减小比较次数，加快RC常数逼近设计值，而测量精度由电容阵列位数N决定，图4为(N=3)位开关电容阵列。
为了加快校正速度，减小校正周期，RC常数电容阵列调整使用二进制搜索算法实现。整个搜索算法可以分为 3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索。
初始化时，N位开关电容阵列大小设置成可调范围值正中间，即其最高位置 1，其余位置 0，最高位就是当前搜索位置。设置完毕，等待频率振荡器电路模块206工作正常，转换出稳定输出频率
Figure 239534DEST_PATH_IMAGE032
参考时钟计数器203开始计数，并发出start启动信号，此时测量计数器205开始对
Figure 366890DEST_PATH_IMAGE032
测量模块电路输出的方波信号(RCOUT频率振荡器输出)进行计数，当参考时钟计数器203达到预设值
Figure 266713DEST_PATH_IMAGE039
并发出stop指示信号时，测量计数器205停止计数，进入向下搜索阶段。
向下搜索501时，对计数值进行判断，若大于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1）；否则表明电容值偏大，当前搜索位(置0)。把下一搜索位置 1 后开始下一次搜索。直至最低位方向确定。
左右搜索时502，在向下搜索到第N位后，向下搜索过程完成，对当前确定的电容阵列的左右进行搜索，即比较当前电容值加1（左）及减1（右）位进行搜索并判断比较值，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置。
假设电容阵列共有 N 位，则共需 N＋2 此搜索。每次搜索时间均相同。以3位电容阵列503为例，二进制搜索算法状态转移图如附图4所示。
总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于频率测量的RC常数测量方法，其特征在于：包括频率振荡电路模块和                                               
Figure 2011100821438100001DEST_PATH_IMAGE002
测量模块；
频率振荡电路模块，由两个积分器构成环形振荡环路，当RC乘积为常数，环形振荡器输出经电压比较器后输出为固定频率方波信号，方波信号频率与RC电阻电容成比例关系，调节RC大小，可改变两积分器积分构成的振荡器输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，（1）
由公式（1）可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
与RC常数成反比，如此，对RC常数的测量转化为对
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
的测量；
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
测量模块，先产生已知频率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的参考时钟及设定参考计数值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，在振荡器输出稳定后开始对参考时钟频率进行计数，当参考时钟计数器达到计数值
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
时，停止参考计数器，在对参考时钟进行计数的同时，对振荡器电路模块输出方波信号上升沿，使用另一测量计数器进行计数，当参考计数器停后，测量计数器也在计数完最后输出方波信号上升沿后停止计数，这样得出另一计数
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，因
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
与
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
为已知量，可得出测量输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
：
，（2）
测量精度由数字时钟频率
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
决定，由公式（2）最后计算得出RC常数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（3）。
2.按照权利要求1所述的一种基于频率测量的RC常数测量方法，其特征在于：还包括频率校正电路，其把频率振荡器电路模块中的电容设计成N位电容阵列形式，通过改变电容阵列改变电容值，频率振荡器电路模块输出RCOUT频率发生改变，RCOUT输出进入
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
测量模块,根据测量模块中数值比较器比较结果，由公式（1）可得，当
Figure DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，电容值偏小，调节电容阵列使之变大，使频率振荡电路模块输出频率减小；当
Figure DEST_PATH_IMAGE020
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，电容值偏大，调节电容阵列使之变小，频率振荡电路模块输出频率增大，经过多次比较后，使电容阵列最大地逼近设定值。
3.按照权利要求2所述的一种基于频率测量的RC常数测量方法，其特征在于：所述的RC常数电容阵列调整使用二进制搜索算法实现。
4. 按照权利要求3所述的一种基于频率测量的RC常数测量方法，其特征在于：所述的二进制搜索算法可以分为3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索；
初始化时，N位开关电容阵列大小设置成可调范围值正中间，即其最高位置1，其余位置0，最高位就是当前搜索位置，设置完毕，等待振荡环路工作正常，转换出稳定输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE024
参考时钟计数器开始计数，并发出start启动信号，此时测量计数器开始对
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
测量模块电路输出的方波信号进行计数，当参考时钟计数达到预设值
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
并发出stop指示信号时，测量计数器停止计数，进入向下搜索阶段；
向下搜索时，对计数值进行判断，若大于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1）；否则表明电容值偏大，当前搜索位（置0），把下一搜索位置1后开始下一次搜索，直至最低位方向确定；
左右搜索时，在向下搜索到第N位后，向下搜索过程完成，对当前确定的电容阵列的左右进行搜索，即比较当前电容值加1（左）及减1（右）位进行搜索并判断比较值，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置；
假设电容阵列共有N位，则共需N＋2此搜索，每次搜索时间均相同。
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