CN102655403A - 用于提供第一和第二时钟信号的时基发生器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提供第一时钟信号和第二时钟信号的时基发生器和方法，其中提供具有定义时间或相位延迟的频率(f1，f2)略微不同的两个时钟信号(CLK1，CLK2)，以第一时钟频率(f1)提供第一时钟信号(CLK1)，将第一时钟频率(f1)除以第一整数(K1)以产生第一辅助信号(CLK11)，将第二时钟信号(CLK2)除以第二整数(K2)以产生第二辅助信号(CLK21)，通过单独加权和比较周期持续时间或定相所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)生成误差信号(ERR)，以及借助于由所述误差信号(ERR)控制的电压控制振荡器(17)生成所述第二时钟信号(CLK2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提供第一时钟信号和第二时钟信号的时基发生器。
本发明还涉及一种用于提供这样的第一和第二时钟信号的方法。
背景技术
脉冲雷达测距系统，诸如美国4,521,778中已知的，基于传输至目标物和从目标物反射的微波脉冲的运行时间的直接测量来提供距离或深度(level)的测量，例如容器中填充物料的表面。由于几米距离的运行时间是在纳秒范围内，所以需要特定的时间变换过程来使这些短的时间周期被测量。以传输时钟发生器给定的重复率或传输时钟频率将微波脉冲传输至目标物。在信号混合器中，从目标物反射的所接收的回波脉冲通过与采样脉冲相关联来采样，采样脉冲具有和传输脉冲相同的形状但是具有比传输时钟频率略低的采样时钟频率。相关联和随后的积分或低通滤波导致对应于接收的回声脉冲的中频信号，但是与接收的回声脉冲的相对时间扩展了因子T1/(T1-T2)，其中T1是传输脉冲重复周期，而T2是取样周期。时间扩展允许用标准技术放大、数字化和进一步处理回波脉冲。
提供传输时钟频率和采样时钟频率需要非常高的分辨率、高精确度、线性和稳定性的时基，原因是因为它们与测量误差直接相关。必须将时基的抖动(jitter)保持为低，因为时基的抖动对于载波信号(微波)的周期变得非常重要，中频信号会出现失真、振幅波动甚至消除。
时基信号可以用数字电路或模拟电路生成。
具有两个频率略微不同的时钟信号发生器的数字时基发生器可受益于晶体振荡器和PLL电路的使用，这允许实现高精确度和低抖动。然而，当振荡器启动时，时钟信号之间的相位差是不可预测的。如果使用零相位延迟的检测器，其必须能够在皮秒范围内操作。零相位检测器误差可降低数字解决方案的优点，且当需要增加零相位检测的等待时间时，增加测量时间。
模拟时基使用线性斜坡以生成可变时延。部件的热漂移导致时延随着温度变化。美国7,446,699示出补偿这样的热漂移误差的技术。但是，具有较慢变化的模拟信号将产生比快速转换的数字信号更大的由于电压噪音的抖动。
US 4,943,787示出数字时基发生器，其包括以基础频率提供基础时钟信号的基础时钟信号发生器、将所述基础频率增倍第一整数以产生第一辅助信号的第一倍频器、将所述第一辅助信号的频率除以所述第一整数以生成第一时钟信号的第一分频器、将所述基础频率乘以第二整数以产生第二辅助信号的第二倍频器，和将所述第二辅助信号的频率除以所述第二整数以生成第二时钟信号的所述第二分频器。因此，第一和第二时钟信号的频率与基础频率一样并相同。通过改变第一或第二整数除数给定数量的周期，可在第一和第二时钟信号之间设置所定义的时延。
EP 2207263A1公开了一种以基础频率f提供基础时钟信号的基础时钟信号发生器、将所述基础频率除以第一整数N以产生第一辅助信号的第一分频器、将所述第一辅助信号的频率乘以因数K以生成第一时钟信号的第一倍频器、将所述基础频率除以第二整数M以产生第二辅助信号的第二分频器，和将所述第二辅助信号的频率乘以所述因数K以生成第二时钟信号的第二倍频器。因此，第一时钟信号的频率为K·f/N，且第二时钟信号的频率为K·f/M。当设置K＝N时，第一时钟信号的频率等于基础频率f，且可以省略第一分频器和第一倍频器。
实践中，第一和第二时钟信号的频率可为3.000000MHz和2.999970MHz，这需要整数除数N＝300000以及M＝299997。因此，这种技术的主要缺点可能是长的响应时间，因为通过锁相环路(PLL)进行频率倍增，且每次频率调节仅可在约第一时钟信号的N周期＝第二时钟信号的M周期的一致的时刻检查了两个信号之后进行。进行几次校正对于锁定PLL是必要，且当需要大的N与M分频比(divider ratios)时，将花费非常长的时间来将PLL锁定。
另一个缺点来自将电路操作限制于整数的数字电路的使用。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点，并提供具有定义时间或相位延迟的频率略微不同的两个时钟信号。
根据本发明，这个目的是通过权利要求1中限定的时基发生器和权利要求6中给出的方法实现的。
时基发生器和方法的优选实施方案列于其它权利要求中。
因此，根据本发明，通过以下方式来提供具有略微不同频率的第一和第二时钟信号：
-以第一时钟频率提供第一时钟信号，
-将第一时钟频率除以第一整数以产生第一辅助信号，
-将第二时钟信号除以第二整数以产生第二辅助信号，
-通过单独加权(weighting)和比较周期持续时间(cycle durations)或定相(phasing)第一和第二辅助信号生成误差信号，以及
-借助于由所述误差信号控制的电压控制振荡器生成所述第二时钟信号。
因为在比达到第一和第二时钟信号之间的一致的时间短得多的时间之后，对电压控制振荡器的频率进行调节，所以环锁(loop lock)时间较短。此外，周期持续时间或定相第一和第二辅助信号无需被一致地检测，这意味着可在相同环路中处理任意的非一致信号。
优选通过时间-电压转换第一和第二辅助信号和比较所获得的电压生成误差信号，其中可在时间-电压转换期间或在比较所获得的电压期间进行周期持续时间的单独加权或第一和第二辅助信号的定相，例如可对所获得的模拟电压进行独立标度(scaled)。
根据本发明的时基发生器和方法优选用于雷达、激光器或时域反射仪，其中所述第一时钟信号触发发射器以产生传输信号，且其中第二时钟信号门控所检测的所述传输信号的回波或与所述回波混合。
附图说明
现在将通过优选实例并参照附图进一步描述本发明，其中：
图1示出包括根据本发明的时基发生器的脉冲雷达测距系统的框图，
图2为示出脉冲雷达测距系统中的传输脉冲和回波脉冲的时间图，
图3示出根据本发明的时基发生器的框图，
图4示出作为时基发生器的一部分的相位/周期比较器，以及
图5是示出在时基发生器中生成和由时基发生器生成的信号的时间图。
具体实施方式
首先参照图1，其示意地示出包括根据本发明的时基发生器1的脉冲雷达测距系统的基本部件的框图。在微控制器2的控制下的时基控制发生器1在MHz范围内以第一时钟频率f1生成第一时钟信号CLK1。第一时钟信号CLK1触发传输振荡器3，以生成脉冲重复率等于第一时钟频率f1的微波传输脉冲。传输脉冲TX可具有1ns的持续时间和GHz范围内的频率。传输振荡器3耦合至以四端口环行器4的形式的定向耦合器装置的第一端口4a，其第二端口4b耦合至天线5。通过环行器4和天线5将传输脉冲TX传输至目标物6，例如，容器中的填充材料的表面。目标物6反射回传输脉冲TX作为回波脉冲RX，回波脉冲是通过天线5接收的。经由第三端口4c将接收的回波脉冲RX通过环行器4导向信号混合器7的第一信号输入7a。
时基控制发生器1还以比第一时钟频率f1略微低(例如几个Hz)的第二时钟频率f2生成第二时钟信号CLK2。第二时钟信号CLK2触发本地(local)振荡器8，以生成形状和频率与传输脉冲TX相同且脉冲重复率等于第二信号频率f2的采样脉冲S。将采样脉冲S传导至信号混合器7的第二信号输入7b，其通过将接受的回波脉冲RX增倍采样脉冲S生成中频信号或下变频信号IF。由于采样脉冲S的脉冲重复率略微低于传输脉冲TX的脉冲重复率，所以采样脉冲S将在传输或回波脉冲间隔内以每个测量周期小增量扫过，以便接收的回波脉冲RX通过与采样脉冲S互相关来被采样。互相关和随后的积分和通过中频IF放大器9进行的放大导致在时间和形状上被扩展的信号SRX对应于接收的回波脉冲RX。该信号SRX被进一步在微控制器2中处理，以确定传输脉冲TX至目标物6的运行时间，并从而确定目标物6与天线5的距离d。
图2表示两个不同距离d1和d2的传输脉冲TX和回波脉冲RX(更确切地是下变频信号IF)的时间图。仅在回波脉冲RX在与采样脉冲S相同的时间到达混合器7时出现下变频信号IF，即，相对于信号TX(或CLK1)的信号延时S等于TX至目标物6并返回的传播延迟。
图3示出根据本发明的时基发生器1的实例。时基发生器1包括以第一时钟频率f1生成第一时钟信号CLK1的基础时钟信号发生器10。第一分频器11将第一时钟频率f1除以第一整数K1以产生第一辅助信号CLK11。通过电压控制振荡器12生成具有第二时钟频率f2的第二时钟信号CLK2，且在第二分频器13中，除以第二整数K2以产生第二辅助信号CLK21。如以下更详细的描述，相位/周期比较器14通过单独加权和比较周期持续时间或定相第一和第二辅助信号CLK11、CLK21生成误差信号ERR，并控制电压控制振荡器(VCO)12以生成第二时钟信号CLK2。比较器14包括接收第一辅助信号CLK11的第一时间-电压转换器15、接收第二辅助信号CLK21的第二时间-电压转换器16，以及连接至第一和第二时间-电压转换器15、16的电压输出的电压比较器(差分放大器)17。
图4示出包括第一和第二时间-电压转换器15、16和电压比较器17的相位/周期比较器14的简化的实例。第一时间-电压转换器15具有与电容器C1和第一开关S11串联的恒流电源I1。第二开关S12与恒流电源I1并联。第二时间-电压转换器16具有与电容器C2和第一开关S21串联的恒流电源I2。第二开关S22与恒流电源I2并联。电压比较器17感测并比较电容器C1和C2上的电压。通过第一辅助信号CLK11控制第一时间-电压转换器15的开关S11和S12，而第二辅助信号CLK21控制第二时间-电压转换器16的开关21和S22。
在第一实施方案中，时间-电压转换器15和16生成与各自的第一和第二辅助信号CLK11、CLK21的周期持续时间成正比的电压。因此，例如，当且只要第一辅助信号CLK11高时，开关S11关闭并且开关S12打开，以便电容器C1上的电压随时间线性增加。当第一辅助信号CLK11降低时，开关S11打开，并且开关S12关闭，以便电容器C1保持电压。在保持时间之后，开关S11关闭以对电容器C1进行放电。针对第二辅助信号CLK21，第二时间-电压转换器16同等地工作，然而，对第一和第二辅助信号CLK11、CLK21的所检测的周期持续时间进行不同加权。由于恒流电源I1、I2提供不同电流和/或电容器C1、C2具有不同电容和/或电压比较器17感测具有不同增益的电容器C1、C2之上的电压，所以可实现不同的加权。
图5示出信号CLK1和CLK2的时间图。第一时间-电压转换器15提供与第一辅助信号CLK11的周期持续时间T1＝K1/f1成正比的电压。第二时间-电压转换器16提供与第二辅助信号CLK21的周期持续时间T2＝K2/f2成正比的电压。在根据其差异生成误差信号ERR之前，对周期持续时间T1＝K1/f1加权因子G1，并对周期持续时间T2＝K2/f2加权因子G2。因此，对电压控制的振荡器12进行控制以调节和保持关系：
G1·(K1/f1)＝G2·(K2/f2)
或
f1/f2＝(K1/K2)·(G1/G2)＝N/M。
实践中，在数字为例如N＝300000和M＝299997(f1＝3.000000MHz和f2＝2.999970MHz)的情况下，整数除数K1和K2可以例如在百或千的范围内更小，且它们可以不同或相等。可通过各自的时间-电压转换器15和16在任何任意选择的时刻单独测量辅助信号CLK11和CLK21的周期持续时间T1和T2。由于这仅采用信号CLK11的K1周期和信号CLK2的K2周期来确定辅助信号CLK11和CLK21的周期持续时间T1和T2，所以比达到第一和第二时钟信号CLK1和CLK2之间的一致的时间短得多的时间之后(即，在N/f1＝M/f2时)，对电压控制振荡器12的频率进行调节。控制环路将监测并相关于第一时钟信号CLK1调节电压控制振荡器12的第二时钟信号CLK2的周期和相位。因此，用来源于数字信号的相对相位或周期的模拟信号进行环路控制和VCO频率调节。
在第二个实施方案中，对第一和第二辅助信号CLK11和CLK21进行定相用于控制电压控制振荡器12。对于两个时间-电压转换器15、16，时间-电压转换可同时在任意参考时刻通过与第一时钟信号CLK1相关的参考信号REF开始，时间-电压转换对于第一时间-电压转换器15在第一辅助信号CLK11的上升(或下降)沿处以及对于第二时间-电压转换器16在第二辅助信号CLK21的上升(或下降)沿处独立停止。通过单独加权和比较来自时间-电压转换器15和16的电压以及控制电压控制振荡器12调节和维持与第一辅助信号CLK11的上升(或下降)沿相关的第二辅助信号CLK21的上升(或下降)沿的位置。由于用不同加权(增益)因子G1和G2独立处理时间-电压转换器15和16，所以辅助信号CLK11和CLK21的边沿不必一致。
Claims (9)
1.一种用于提供第一时钟信号(CLK1)和第二时钟信号(CLK2)的时基发生器(1)，所述时钟信号(CLK1，CLK2)的频率(f1，f2)略微不同，所述时基发生器(1)包括：
-以第一时钟频率(f1)提供第一时钟信号(CLK1)的时钟信号发生器(10)，
-第一分频器(11)，其用于将所述第一时钟频率(f1)除以第一整数(K1)以产生第一辅助信号(CLK11)，
-第二分频器(13)，其用于将所述第二时钟信号(CLK2)除以第二整数(K2)以产生第二辅助信号(CLK21)，
-相位/周期比较器(14)，其用于通过单独加权和比较所述周期持续时间或定相所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)生成误差信号(ERR)，以及
-电压控制振荡器(12)，其由所述误差信号(ERR)控制以生成所述第二时钟信号(CLK2)。
2.根据权利要求1所述的时基发生器，其中所述相位/周期比较器(14)包括接收所述第一辅助信号(CLK11)的第一时间-电压转换器(15)、接收所述第二辅助信号(CLK21)的第二时间-电压转换器(16)和连接至所述第一和第二时间-电压转换器(15，16)的电压比较器(17)。
3.根据权利要求2所述的时基发生器，其中所述第一和第二时间-电压转换器(15、16)的大小被设计为不同以提供所述周期持续时间的所述单独加权或所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)的所述定相。
4.根据权利要求2所述的时基发生器，其中所述电压比较器(17)设计为对从所述第一和第二时间-电压转换器(15、16)中获得的电压进行不同的加权。
5.一种根据前述任一项权利要求所述的时基发生器，集成到雷达、激光器或时域反射仪中，其中所述第一时钟信号(CLK1)触发发射器(3)以产生传输信号(TX)，且其中所述第二时钟信号(CLK2)门控所检测的所述传输信号(TX)的回波(RX)或与所述回波混合。
6.一种用于提供第一时钟信号(CLK1)和第二时钟信号(CLK2)的方法，所述时钟信号(CLK1、CLK2)的所述频率(f1、f2)略微不同，所述方法包括：
-以所述第一时钟频率(f1)提供所述第一时钟信号(CLK1)，-将所述第一时钟频率(f1)除以第一整数(K1)以产生第一辅助信号(CLK11)，
-将所述第二时钟信号(CLK2)除以第二整数(K2)以产生第二辅助信号(CLK21)，
-通过单独加权和比较所述周期持续时间或定相所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)生成误差信号(ERR)，以及
-借助于由所述误差信号(ERR)控制的电压控制振荡器生成所述第二时钟信号(CLK2)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过时间-电压转换第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)并比较所获得的电压以生成所述误差信号(ERR)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)的时间-电压转换期间或在所获得的电压的比较期间进行所述单独加权所述周期持续时间或定相所述第一和第二辅助信号(CLK11、CLK21)。
9.根据权利要求6、7或8所述的方法，用于雷达、激光器或时域反射仪，其中所述第一时钟信号(CLK1)触发发射器(3)以产生传输信号(TX)，且其中所述第二时钟信号(CLK2)门控所检测的所述传输信号(TX)的回波(RX)或与所述回波混合。
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