CN102411094B - 使用自动频率估计的相位瞬态响应测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用自动频率估计的相位瞬态响应测量，具体地涉及一种测量被测设备的相位瞬态响应的方法，其在没有用户干预的情况下自动地提供平坦的相位瞬态响应。该方法包括以下步骤：在被测设备的输出信号从第一频率阶跃到第二频率时，基于表示所述输出信号的瞬时电压波形计算瞬时相位波形，基于所述瞬时相位波形计算瞬时频率波形，在没有任何用户干预的情况下基于瞬时频率波形来自动地估计第二频率，以及基于第二频率的估值来平坦化所述瞬时相位波形。

Description

使用自动频率估计的相位瞬态响应测量

技术领域

本发明涉及测试和测量仪器，并且更具体地涉及相位瞬态响应测量。

背景技术

通常，通过利用阶跃输入激励系统并且继而测量还称作“阶跃响应”的系统产生的瞬态响应来表征系统的特性。例如，可以通过对锁相环（PLL）编程来从第一频率向第二频率阶跃或“跳变”并且继而测量PLL产生的瞬态响应来表征PLL。对于关于阶跃响应测量的更多信息，参见Katsuhiko Ogata的书“Modern Control Engineering”第五版，Prentice Hall，2009。

诸如实时频谱分析器、矢量信号分析器以及示波器之类的测试和测量仪器通常用于测量PLL的瞬态响应。这些测试和测量仪器对PLL的输出信号进行数字化并且继而对其进行处理以提供如图1所示的对输出信号的瞬时频率的显示，其也称作“频率阶跃响应”。某些测试和测量仪器还提供频率阶跃响应的各种测量，诸如延迟时间、上升时间、峰值时间、最大过冲、平均安定值、安定时间等。指示输出信号多快安定为第二频率的安定时间是用户特别感兴趣的，因为其对于PLL能够在每跳之间传输多少数据具有直接影响。对于使用测试和测量仪器表征锁相环的更多信息，参见可在http：//www.tek.com/获得的、Tektronix文档号37W-18170,题目为“Characterizing Phase Locked Loops Using Tektronix Real-Time Spectrum Analyzers”。

越来越多地，除了需要测量输出信号多快安定为第二频率之外，用户还需要测量输出信号多快安定为稳定相位，也称作“相位安定时间”。某些测试和测量仪器可以处理PLL的输出信号以提供如图2所示的对输出信号瞬时相位的显示，其也称作“相位瞬态响应”。然而，很难基于此类相位瞬态响应来测量相位安定时间，因为瞬时相位累积和卷褶太快，从而掩盖了细微的相位安定特性。

为了揭示细微的相位安定特性，某些测试和测量仪器处理相位瞬态响应以提供如图３所示的“平坦的”相位瞬态响应。然而，为了这样做，所有这些测试和测量仪器需要用户以某些方式进行干预。某些测试和测量仪器需要用户手工输入第二频率值。其他测试和测量仪器需要用户手工指定相位瞬态响应上的多个点，在该点处，用户认为相位瞬态响应已经安定为稳定相位。在两种情况之一中，需要用户干预对于用户而言是耗时的并且不方便的。

需要一种无需任何用户干预的、测量被测系统的相位瞬态响应的方法。

发明内容

因而，本发明的实施方式提供一种测量被测设备的相位瞬态响应的方法，其在无需任何用户干预的情况下自动地提供平坦的相位瞬态响应。该方法包括以下步骤：在被测设备的输出信号从第一频率阶跃到第二频率时，基于表示所述输出信号的瞬时电压波形计算瞬时相位波形，基于瞬时电压波形计算瞬时频率波形，基于瞬时频率波形计算第二频率的估值，以及基于第二频率的估值来平坦化瞬时相位波形。

当结合所附权利要求书和附图阅读时，根据以下详细的描述，本发明的目的、优势和其他新颖特征将变得明显。

附图说明

图1示出了瞬时频率波形。

图2示出了瞬时相位波形。

图3示出了平坦的瞬时相位波形。

图4示出了用于测量被测设备的相位瞬态响应的测试装置的高级框图。

图5示出了图4的被测设备的输出信号。

图6示出了图4的测试和测量仪器的高级框图。

图7示出了根据本发明实施方式的、测量被测设备的相位瞬态响应的方法的流程图。

图8示出了瞬时电压波形和相移副本。

图9示出了瞬时相位波形。

图10示出了测量的相位斜坡。

图11示出了瞬时频率波形。

图12示出了理想的相位斜坡。

图13示出了平坦的相位斜坡。

图14示出了平坦的瞬时相位波形。

图15示出了相位安定时间测量。

具体实施方式

现在参考图4，例如通过对DUT 405内的除法器（未示出）进行编程来对被测设备（DUT）405编程以从第一频率（F1）阶跃或“跳变”到第二频率（F2）。作为响应，DUT 405产生如图5所示的输出信号500，该输出信号500输入到测试和测量仪器410。现在参考图6，测试和测量仪器410使用模数转换器（ADC）605对输出信号进行数字化，从而产生多个数字采样，该多个数字采样表示DUT 405输出信号的瞬时电压，该瞬时电压也称作“瞬时电压波形”。处理器610以各种方式处理瞬时电压波形，并且处理的结果可以在显示设备615上显示或存储在存储设备620中。在本发明的实施方式中，处理器610通过执行图7中所示的以及在下文中描述的步骤来处理瞬时相位波形。

步骤1：基于瞬时电压波形计算瞬时相位波形。在某些实施方式中，该步骤包括以下步骤：（1）生成如图8所示的、相移π/2弧度的瞬时电压波形500的副本800。瞬时电压波形表示同相（I）分量，并且相移副本表示正交（Q）分量。（2）使用以下等式计算如图9所示的瞬时相位波形900：

相位=                                                     （等式1）

为了提供更简单并且因此更易理解的针对以下步骤的示范，现在展开瞬时相位波形以形成如图10所示的展开的瞬时相位波形1000，其在此也简称为“测量的相位斜坡”。然而，应该理解，在没有该展开步骤的情况下也可以执行以下步骤。

步骤2：基于瞬时电压波形计算瞬时频率波形。在某些实施方式中，该步骤包括以下步骤：对测量的相位斜坡求导以产生如图11所示的瞬时频率波形1100。频率等于相位的导数，如以下示例所示：假设测量的相位斜坡的值在1微秒时间间隔上增加20π弧度。测量的相位斜坡的导数等于相位改变除以时间改变，或20π弧度/（1微秒）=20π兆-弧度/秒。由于2π弧度等于一周，这等于20π/（2π）兆-周/秒，或10MHz。

应该理解，可以以各种其他方式计算瞬时频率波形。例如，可以通过测量瞬时电压波形每周的时段、计算每时段测量的逆以及继而对结果进行插值以产生基本上相似的瞬时频率波形来计算瞬时频率波形。

步骤3：在没有任何用户干预的情况下，基于瞬时频率波形自动地估计第二频率（F2_EST）。在某些实施方式中，该步骤包括以下步骤：（1）定位瞬时频率波形的段1105，其对应于输出信号已经安定为第二频率的时段，该时段也称作“安定时段”。可以通过标识在跳变后其频率值在指定容差范围1110内都等于相同频率值的瞬时频率波形的连续点集合来定位安定时段。例如，该安定时段可以由其频率值在1MHz内或等同地在1.0 GHz的0.1%内都等于1GHz的连续点集合组成。（2）计算安定时段内瞬时频率波形的所有点的平均频率值，从而产生第二频率的估值。这样，在没有任何用户干预的情况下就自动地估计了第二频率。

步骤4：基于第二频率的估值平坦化瞬时相位波形。在某些实施方式中，该步骤包括以下步骤：（1）生成如图12所示的理想的展开瞬时相位波形1200，该展开瞬时相位波形1200在此也简称为“理想的相位斜坡”。理想的相位斜坡是具有等于2π×F2_EST弧度/秒坡度的的直线。可以将理想相位斜坡的y截距设置成任何任意值，然而，出于将在下面变得明显的原因，设置y截距使得理想的相位斜坡的最终值等于测量的相位斜坡的最终值是有益的。（2）将理想的相位斜坡从测量的相位斜坡中减去以产生如图13所示的展开的平坦瞬时相位波形1300，该展开的平坦瞬时相位波形1300在此也简称为“平坦的相位斜坡”。可选地，可以卷褶平坦的相位斜坡以产生如图14所示的平坦的瞬时相位波形1400。

平坦的瞬时相位波形安定为零弧度，因为理想的相位斜坡的最终值等于测量的相位斜坡的最终值。平坦的瞬时相位波形在对应于安定时段的区域中是平坦的，因为，在该时段中，理想的相位斜坡的相位累积率和测量的相位斜坡的相位累积率相等。然而，平坦的瞬时相位波形在其他区域中不是平坦的，因为在其他区域中，测量的相位斜坡的相位累积率是不同的。

某些实施方式包括可选步骤5，在该步骤中，用户或测试和测量仪器615对第二频率的估值进行细调整，从而优化平坦的相位瞬态响应。即，用户或测试和测量仪器可以稍微增加或减少估计的第二频率，直到平坦的瞬时相位波形的安定时段尽可能地平坦并且其持续时间最大。如果瞬时频率波形是有噪声的或如果安定时段太过简短以至于不能提供准确的频率测量，则该附加步骤特别有用。

在某些实施方式中，测试和测量仪器410可以提供对相位瞬态响应的相位安定时间的测量。现在参考图15，相位安定时间等于时间参考点1510和安定时段1515开始之间的持续时间1505。时间参考点1510可以是测试和测量仪器410检测到的触发事件或用户选择的点。可以通过标识在跳变后其相位值都等于指定容差范围1520内相同相位值的平坦瞬时相位波形的所有连续点来定位安定时段。例如，安定时段可以由其相位值在一毫弧度内都等于零弧度的连续点集合组成。

应该理解，上述实施方式不限于对如图所示的、仅具有单个频率跳变的信号的操作，而是也可以应用于具有多个频率跳变的信号。例如，给定表示具有多个频率跳变的信号的瞬时电压波形，测试和测量仪器可以：（步骤1）基于瞬时电压波形计算瞬时相位波形。（步骤2）基于瞬时电压波形计算瞬时频率波形。（步骤3）通过（1）定位对应于输出信号已经安定为目的频率的时段的瞬时频率波形的每个段，以及（2）计算每个安定时段内所有点的平均频率值以产生每个目的频率的估值，来基于瞬时频率波形计算每个“跳变到的”或“目的”频率的估值。（步骤4）基于目的频率的估值平坦化瞬时相位波形的每个安定时段。

在上述实施方式中，基于根据瞬时频率波形确定的第二频率的估值生成理想的相位斜坡。在替代实施方式中，直接从测量的相位斜坡生成理想的相位斜坡，从而消除了对于计算瞬时频率波形的需求。在该实施方式中，诸如线性最小二乘算法的曲线拟合算法用于将直线拟合到测量的相位斜坡的安定时段，并且继而外推该直线以产生理想的相位斜坡。可以通过标识测量的相位斜坡的连续点集合来定位安定时段，该连续点集合的值都等于指定容差范围内的直线的值。

应该理解，这里描述的方法不仅对于测量PLL的相位瞬态响应有用，而且还可以用于测量可能产生频率跳变输出信号的任何设备或系统的相位瞬态响应，这些设备或系统诸如是压控振荡器、混合器等。

在各种实施方式中，处理器610可以以硬件、软件或两者的组合实现，并且可以包括通用微处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）等。此外，尽管上述方法被描述为由测试和测量仪器的处理器执行，但是应该理解，在其他实施方式中，可以向另一计算机（未示出）传输瞬时电压波形，并且上述方法可以由该计算机的处理器执行。

根据上述讨论应该理解，本发明在相位瞬态响应测量领域中表现出显著的进步。尽管已经出于示范的目的示出并描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因而，除了由所附权利要求书限制以外，本发明不应被限制。

Claims (9)

1. 一种在被测设备的输出信号从第一频率阶跃到第二频率时基于表示所述输出信号的瞬时电压波形测量所述被测设备的相位瞬态响应的方法，所述方法包括以下步骤：

基于所述瞬时电压波形计算瞬时相位波形；

基于所述瞬时电压波形计算瞬时频率波形；

在没有任何用户干预的情况下基于所述瞬时频率波形来自动地估计所述第二频率；以及

基于所述第二频率的估值来平坦化所述瞬时相位波形。

2. 如权利要求1的方法，其中计算瞬时相位波形的步骤包括以下步骤：

生成相移π/2弧度的所述瞬时电压波形的副本；以及

基于所述瞬时电压波形、相移副本以及反正切函数来计算所述瞬时相位波形。

3. 如权利要求1的方法，其中计算瞬时频率波形的步骤包括以下步骤：对所述瞬时相位波形求导以产生所述瞬时频率波形。

4. 如权利要求1的方法，其中自动地估计步骤包括以下步骤：

定位对应于所述输出信号已经安定为所述第二频率的时段的所述瞬时频率波形的段；以及

计算安定时段内所有点的平均频率值，以产生所述第二频率的估值。

5. 如权利要求4的方法，其中定位步骤包括以下步骤：标识其频率值都等于指定容差范围内的相同频率值的连续点的集合。

6. 如权利要求1的方法，其中平坦化所述瞬时相位波形的步骤包括以下步骤：

生成理想的瞬时相位波形；以及

从所述瞬时相位波形中减去所述理想的瞬时相位波形以产生平坦的瞬时相位波形。

7. 如权利要求1的方法，还包括以下步骤：调整所述第二频率的估值以优化所述平坦的瞬时相位波形。

8. 一种根据权利要求1的方法测量被测设备的相位瞬态响应的测试和测量仪器。

9. 一种在被测设备的输出信号从第一频率阶跃到第二频率时基于表示所述输出信号的瞬时电压波形测量所述被测设备的相位瞬态响应的方法，所述方法包括以下步骤：

基于所述瞬时电压波形计算瞬时相位波形；

在没有任何用户干预的情况下基于所述瞬时相位波形来自动地生成理想的瞬时相位波形；以及

基于所述理想的瞬时相位波形来平坦化所述瞬时相位波形。