CN103140764B

CN103140764B - 频率确定的方法和装置

Info

Publication number: CN103140764B
Application number: CN201180047242.0A
Authority: CN
Inventors: 法比安·青克
Original assignee: Phoenix Electric Manufacturing Co
Current assignee: Phoenix Electric Manufacturing Co
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: DE102010046880A1; WO2012041481A1; BR112013007294A2; EP2622358A1; EP2622358B1; US20130182815A1; CN103140764A; US9255950B2

Abstract

本发明涉及一种确定输入信号（IN）的频率的方法，其中第一计数值（N1）通过输入信号（IN）对应于第一电平值（L1）时的参考时钟信号（CLK）的时钟脉冲边沿进行计数来确定。而第二计数值（N2）通过输入信号（IN）对应于第二电平值（L2）时的参考时钟信号（CLK）的时钟脉冲边沿进行计数来确定。根据第一和第二计数值（N1、N2）确定出输入信号（IN）的频率。

Description

频率确定的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种确定输入信号的频率的方法，以及一种确定频率的装置。

背景技术

在电信号处理领域内的许多应用中必须确定外部的输入信号的频率。在传统的方法中，在一个输入信号有两个不同的电平状态的时候，数出在输入信号的一个周期时长内参考时钟信号的节拍周期个数。根据得到的个数，由已知的对比信号频率确定输入信号的频率。这样确定的输入信号的频率作为接下来的信号处理的模拟或者数字值。

然而当输入信号的频率发生波动时，在这类频率测量的方法中会一再出现问题。例如在输入信号只运行了一个完整的周期并且对该周期进行计数时，只能对输入信号在该瞬间的频率做出明确的判断。而且整个系统的阶跃响应时间依赖于输入信号的频率，因此对于输入频率只有几个赫兹的时候测量系统的响应时间可能是几秒钟。因此在输入频率从几千赫兹降到几个赫兹时会出现对输入信号的频率确定的明显的延时。该延时主要是由新的频率决定的，新频率理论上可以假定为0Hz。因为在这种情况下没有其他的完整周期能够进行确定，在这种情况下存在测量系统的无穷阶跃响应。当输入信号的频率下降时，以传统的方法同样需要很长的一段时间才能确定频率或者在该情况下根本无法可靠地确定出频率。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种确定输入信号的频率的方法和装置，以实现可靠的频率确定。

该目的通过本发明的独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中给出了扩展方案和特殊的实施方式。

在确定输入信号的频率的方法的实施方式中，由此确定第一个计数值，即，当输入信号对应于第一个电平值时，对参考时钟信号的时钟脉冲边沿进行计数。此外由此确定第二个计数值，即，当输入信号对应于第二个电平值时，对参考时钟信号的时钟脉冲边沿进行计数。频率根据第一和第二计数值而确定。

例如输入信号具有两个电平状态，其中一个为低电平而另一个为高电平。在具有连续的振荡轨迹的模拟输入信号时（例如正弦信号），可以由此确定两个信号电平，高过或低过在输入信号中预先设定的信号值。两个电平状态在时域中定义出了输入信号的各个电平阶段。两个彼此相继的不同的电平阶段标记出一个测量周期。输入信号也可以是任意的振荡信号或者振动信号。

在输入信号中的第一个电平阶段和第二个电平阶段内，通过对参考时钟信号的时钟脉冲边沿分离地进行计数，从而在所述方法中不一定要为了输入信号的每一个周期而等待完整的周期时长，以重新确定频率值，而是可以以输入信号中的每一个电平转换来实施新的频率确定。在此频率的确定分别基于先前确定的第一和第二个计数值。

当输入信号的频率以及它的周期时长以及第一和第二电平阶段的时长改变时，在频率改变后进行第一电平转换时用所述方法确定出的频率接近输入信号的实际频率。在进行第二电平转换时（即在输入信号以新的频率完成一个完整周期之后）频率确定得出一个真实值。由此提高了所述方法的频率确定的可靠性。

在所述方法的一个实施方式中，根据第一和第二计数值的总和确定频率。在该设计方案中，将一个测量周期内的第一和第二计数值相加求和，然后用参考时钟信号的已知频率f_osc除以所得的和，由此输入信号的频率f_in为

f_in=f_osc/(N1+N2),

其中N1为第一计数值而N2为第二计数值。

在本方法的扩展方案中还可以，为了确定频率而应用输入信号的一个或者多个彼此相继的测量周期中的第一和第二计数值的总和。例如可以规定，将一定数量的输入信号的测量周期用于频率的测定，由此将这些彼此相继的第一计数值的个数和相应的第二计数值的个数求和，从而由参考时钟信号的周期确定出输入信号的周期值。该方法可以通过以下公式表达：

f_in=p·f_osc/∑(N1_i+N2_i),

其中p为所用测量周期的个数，N1_i为第i个测量周期的第一计数值，并且N2_i为第i个测量周期的第二计数值。

通过将输入信号中的测量时长加长进一步提高了频率确定的准确性，从而改善了所确定出的频率的可靠性。

在所述方法的另一个实施方式中，在第一计数过程中确定第一计数值，在第二计数过程中确定第二计数值。在这些计数过程中的每一个中，随着参考时钟信号的每个时钟脉冲边沿而提高各个计数过程的计数器状态。此处可以只计算参考时钟信号的正的时钟脉冲边沿（上升沿）、只计算参考时钟信号的负的时钟脉冲边沿（下降沿）或者参考时钟信号的正的和负的时钟脉冲边沿都得计算。在一个计数过程中确定的计数值可以通过各个计数过程的当前计数器状态或者上一个计数器状态确定，然后输入信号的电平值改变，即输入信号的各个电平阶段的计数结果改变。在一个计数过程中（该过程中输入信号为一个电平值）各个计数值可以多次改变，这种情况下计数值随着计数器状态的提高而持续上升。各个计数值不能比一个计数过程中的计数结果大。每个计数过程优选以计数器状态0开始。

在正在述及的实施方式的扩展方案中，在输入信号不再对应于第一电平值之后，第一计数值通过第一计数过程的计数结果确定。在输入信号不再对应于第二电平值之后，第二计数值以同样的方式通过第二计数过程的计数结果确定。相应地，当输入信号进行电平转换时，第一和第二计数值最终通过各个计数过程的计数结果，即计数过程的最后一个计数器状态确定。

当输入信号对应于第二电平值并且该当前计数器状态超过对比值时，第二计数值还可以额外地由第二计数过程的当前的计数器状态确定。换句话说，可以在第二个计数过程还没有结束的时候确定第二个计数值，因为输入信号还对应于第二个电平值。在第二个计数过程的开始阶段，不能重新确定第二个计数值。一旦第二个计数过程的当前计数器状态超过对比值，第二计数值采取该计数器状态。

通过在第二个计数过程结束之前继续第二个计数值实现了对频率的近似确定。这种情况下的第二个计数值给出了第二个电平阶段（该阶段内的输入信号对应于第二个电平值）的所谓最小值，该计数值连续上升直至由于输入信号中的电平转换而引起的第二个计数过程终止并且计数值等于第二个计数过程的计数结果。这样确定出的频率接近输入信号的实际频率值并且提前给出了可靠的结果。

上述对比值由输入信号的先前的一个测量周期的第一计数值或者第二计数值给出，或者由两个计数值共同给出。例如可以假设，当输入信号具有已知的时钟过程时，在一个能够由第一计数值计算出的计数器状态之后，当第二计数过程中没有输入信号的电平转换时，输入信号中的频率降低。在这种情况下，可以在达到对比值之后以新频率的近似值开始。替代性地或者额外地可以将输入信号的先前的一个测量周期的第二计数值用于确定对比值。在当前的计数器状态到达之前的第二个计数值并且在输入信号中还没有进行电平转换的时候，例如可以再次假设输入信号中的频率降低。

也能使用由第一计数值和先前的第二计数值得出的公差值，作为上述值的补充来确定对比值。例如由在由第一和/或第二计数值计算出的值上增加百分比得到对比值。对比值也可以通过第一计数值和先前的第二计数值进行大小比较而求得，从而仅使用两个值中的较大值或者较小值作为对比值。

频率确定的装置的示例性实施方式包含用于提供输入信号的输入端和第一计数器以及第二计数器。第一计数器作用为在输入信号对应于第一电平值的时间段内对参考时钟信号的时钟脉冲边沿进行计数。相应地，第二计数器作用为在输入信号对应于第二电平值的时间段内对参考时钟信号的时钟脉冲边沿进行计数。此外该装置还包括估值器，其为了确定第一和第二计数值而与第一和第二计数器耦合。估值器用于，根据第一和第二计数值确定输入信号的频率。

在所述装置的不同的实施方式中，装置的估值器用于，实施用来确定频率的方法的不同的前述设计方案。

附图说明

下面借助附图根据实施例详细阐明本发明。图中用同样的标号标识出同样类型的或同样作用的信号和部件。

图1示出了用于确定频率的装置的实施例，并且

图2示出了在图1的装置中的信号的示例性的信号-时间图。

具体实施方式

图1示出了用于确定频率的示例性装置，其设置用于确定输入端1处的输入信号IN的频率。该装置包含：第一与门20；第二与门30；第一计数器40；第二计数器50以及估值器60。将脉冲发生器70串联在装置的输入端1的前面，该脉冲发生器的输入端与辅助输入端1a耦合。此外在图1中示出了时钟信号发生器10，其设置用于产生参考时钟信号CLK。第一与门20在其第一输入端21与输入端1耦合而在其第二输入端22与时钟信号发生器10耦合。与门20的输出端23连接到第一计数器40的输入端41。以类似的方式，第二与门30在其第一输入端31（该输入端设计为倒相输入端）与输入端1耦合。与门30的第二个输入端32与时钟信号发生器10耦合。与门30的输出端33与第二计数器50的输入端51相连。

估值器60具有第一计数输入端61，该输入端与第一计数器40的输出端42耦合。此外在估值器60中还设有第二计数输入端62，第二计数器50的输出端52与该输入端相连。估值器60的控制连接端64、65与第一和第二计数器40、50的控制输入端43、53耦合。此外估值器60还具有信号输入端63，该输入端连接到输入端1上。在估值器60中示例性地示出了估值模块610、620，二者的输入端与第一和第二计数输入端61、62相连。模块610、620的输出端与另一个估值模块630耦合，估值模块630的输出端与整个装置的输出端2相连。

时钟信号发生器10可以设计为用于确定频率的装置的组成部件。或者整个装置的参考时钟信号CLK也可以从外部输入。根据所需的精确度，时钟信号发生器10可以设计成晶体振荡器、LC谐振电路或者其它的已知形式的振荡器。

在装置运行过程中通过辅助输入端1a输入一个信号，该信号例如具有正弦形式的波形。在脉冲发生器70中，由输入端的信号生成方波信号，其具有两个确定的电平。该信号作为用于确定频率的装置的输入信号IN。在不同的实施方式中，脉冲发生器70也可以是装置的组成部件。

输入信号IN输入到第一与门，以倒相输入的形式输入到第二与门30。同时参考时钟信号CLK连接到第一和第二与门20、30的各个第二输入端22、32。只有当输入信号为逻辑高电平时，参考时钟信号CLK的脉冲才能经与门20转发到输出端23。以同样的方式，由于倒相输入端31，只有当输入信号IN为逻辑低电平时，在输入端32的参考时钟信号CLK才能转发到输出端33。

将第一与门选择成高电平输入和第二与门选择成低电平输入的设计也可以在其它的实施方式中互相交换。原则上只需要，参考时钟信号CLK在第一电平值时转发到输出端23而在第二电平值时转发到输出端33。

计数器40、50设置用于，对经过转发的参考时钟信号CLK的时钟脉冲边沿进行计数并且将当前的计数状态C1和C2发到输出端42和52。可以将时钟脉冲边沿的上升沿、下降沿或者上升沿与下降沿作为待计数的时钟脉冲边沿。估值模块610、620设置用于由输入端的计数器状态C1、C2确定第一和第二计数值N1、N2。估值模块630设置用于由第一和第二计数值N1、N2确定输入信号IN的频率并且将确定的频率以适当的形式作为输出信号OUT发到输出端2。在确定计数值N1、N2和输出信号OUT的时候也可以利用输入信号IN的电平值，该电平值输入到信号输入端63。

通过在控制连接端64、65的控制信号R1、R2，估值器60能够将第一和第二计数器40、50的计数器状态复位到初始值，例如0。

在估值器60内可以以不同的方式确定输入信号IN的频率，第一和第二计数器40、50的各自的输出信号C1、C2原则上作用为确定计数值N1、N2的基础。此外频率的确定取决于第一和第二计数值N1、N2，例如根据第一和第二计数值N1、N2的和。在不同的实施方式中，估值器60也可以具有中间存储器或者寄存器，将先前的测量周期的计数值N1、N2存储在该存储器或者寄存器中，其中在本应用例中的一个测量周期定义为输入信号中的一个低电平和一个高电平的序列或者一个高电平和一个低电平的序列。这种情况下可以根据输入信号中的一个或者多个彼此相继的测量周期的第一和第二计数值的总和确定出频率。当在输入信号中的一个或者多个彼此相继的测量周期的第一和第二计数值的总和超过边界值的情况下确定频率，那么频率确定是基于在参考时钟信号CLK中的计数出的时钟脉冲边沿的最小数，这样特别提高了频率确定的可靠性。

确定频率的方法的另一个实施方式涉及第一和第二计数值N1、N2的确定。原则上可以使用在输入信号IN的一个电平阶段的计数结果，即在输入信号IN对应于某个电平值时的计数器的最高计数器状态作为计数值。换句话说，当输入信号IN不再对应于各自对应的电平值时，各个计数器40、50的计数器状态为计数值N1、N2。第二计数值可以额外地这样确定，当输入信号IN对应于相应的电平值并且该时刻的计数器状态C2超过对比值时，应用第二计数器50的当前的计数器状态C2。该对比值可以由当前的第一计数值N1得出。可以替代性地或者额外地将由先前对输入信号IN的频率确定得到的第二计数值用于确定对比值。

以类似的方式，在替代性的或者额外的实施方式中，可以应用第一计数值40的当前计数器状态C1来确定第一计数值N1。

图2示出了在图1中的装置内的不同信号的示例性的信号时间图。图中示出了参考时钟信号CLK（其以固定的参考频率呈矩形波振动）；以及输入信号IN，其具有交替出现的第一电平值L1和第二电平值L2。在本实施例中，输入信号IN在t1至t3时间段改变其自身频率。

此外还示出了第一计数器40的第一计数器状态C1，该计数器在输入信号IN的高电平阶段对参考时钟信号CLK的正时钟脉冲边沿进行计数，即在输入信号IN对应于第一个电平值L1的电平阶段内计数。在输入信号IN的电平从第一电平值L1变到第二电平值L2（低电平）的时间点，例如时间点t1和t4，将计数器状态C1记为计数值N1。在时间点t4能够特别明确地看出这个变化，在该点第一计数值N1从4变化到6。

此外在图2中还示出了第二计数器50的第二计数器状态C2，该计数器在输入信号IN的信号电平L2期间对参考时钟信号CLK的正时钟脉冲边沿进行计数。第二计数器50在时域上示出的第一个计数过程中，该过程达到计数器状态4，该计数器状态记为该时间点的第二计数值N2，在这个时间点输入信号IN再次回到高电平L1。在第二计数器50的第二个计数过程中，计数器状态C2从值4开始作为第二计数值N2。此外在该计数过程中的计数器状态也为接下来的计数器状态的继续提高记为第二计数值N2，因此该计数值逐级地提高到值8。该在时间点t3较高的计数值N2由t1至t3之间的较长的输入信号IN的低电平阶段限定。将计数器状态C2作为从值4开始的计数值N2是由第一计数过程中的前一个计数值N2限定的。

在接下来的第二个计数器50的第三个计数过程中，计数过程在时间点t5以计数结果6中止，然后将该结果记为第二计数值N2。

最下面示出的输出信号OUT，其呈现出某一频率，该输出信号基于参考时钟信号CLK的已知频率f_osc除以计数值N1、N2的总和。相应地，在t2至t3时间段内的输出值随着恒定不变的第一计数值N1和上升的第二计数值N2而逐级地下降并且趋近于输入信号的真实频率。在t4至t5时间段内，输出信号OUT由于上升了的第一计数值N1而继续下降并且在时间点t5随着新的第二计数值N2而变成与输入信号频率相当的值。

需要注意，在图2中所示的信号-时间图只是示例性示出。特别是为了清楚的表达，没有示出更大的计数状态，而更大的计数状态在实际的应用中能够进一步提高频率确定的方法的准确性。例如可以确定对于频率确定的输入信号的测量周期的最佳个数，这样将该个数个彼此相继的第一计数值和相应个数的第二计数值相累加，以确定输入信号的频率。

可以由估值器60（例如设计成微控制器）将输出信号OUT作为模拟值输出。例如将输出值形成为4至20毫安的电流值或者0至10伏特的电压值。或者可以将输出信号OUT输出为具有与输入信号相对应的频率的方波时钟信号，其中优选应用能够调节的分配器。

上述装置和方法能够在继电器中用于阈值信号化。

Claims

1.一种确定输入信号(IN)的频率的方法，所述方法包含以下步骤：

-在所述输入信号(IN)对应于第一电平值(L1)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数来确定第一计数值(N1)；

-在所述输入信号(IN)对应于第二电平值(L2)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数来确定第二计数值(N2)；

-根据所述第一和第二计数值(N1、N2)确定出所述频率并且存储所述第一和第二计数值(N1,N2)；

a)在所述输入信号(IN)再次对应于第一电平值(L1)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数来重新确定第一计数值或者

b)在所述输入信号(IN)再次对应于第二电平值(L2)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数来重新确定第二计数值；

-基于先前确定的第一和第二计数值(N1,N2)，以输入信号中的一个电平转换来实施新的频率确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一和第二计数值(N1、N2)的总和确定出所述频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述输入信号(IN)中的一个或者多个彼此相继的测量周期中的所述第一和第二计数值的总和确定出所述频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述输入信号(IN)中的一个或者多个彼此相继的测量周期中的所述第一和第二计数值的总和超过边界值时，才确定所述频率。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的方法，其特征在于，在第一计数过程中确定所述的第一计数值(N1)，在第二计数过程中确定所述的第二计数值(N2)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中

-在所述输入信号(IN)进行电平转换时，当所述输入信号(IN)不再对应于第一电平值(L1)时由第一计数过程的计数结果确定所述第一计数值(N1)，并且

-在所述输入信号(IN)进行电平转换时，特别是当所述输入信号(IN)不再对应于第二电平值(L2)后由第二计数过程的计数结果确定所述第二计数值(N2)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述输入信号(IN)对应于第二电平值(L2)并且当前的计数器状态超过对比值时，由所述第二计数过程的当前计数器状态确定所述第二计数值(N2)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对比值由至少一个以下数值给出：

-所述第一计数值(N1)；

-所述输入信号(IN)的先前的一个测量周期的第二计数值(N2)。

9.一种确定频率的装置，所述装置包括：

-输入端(1)，用于引入输入信号(IN)；

-第一计数器(40)，用于在输入信号(IN)对应于第一电平值(L1)时对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数；

-第二计数器(50)，用于在所述输入信号(IN)对应于第二电平值(L2)时对所述参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行计数；

-估值器(60)，其与所述第一和第二计数器(40、50)耦合以确定所述第一和第二计数值(N1、N2)，并且设置用于根据所述第一和第二计数值(N1、N2)确定所述输入信号(IN)的频率，并且进一步设置用于存储所述第一和第二计数值(N1,N2),

-其中所述确定频率的装置基于先前确定的第一和第二计数值(N1,N2)，以输入信号中的一个电平转换来实施新的频率确定，这通过

a)在所述输入信号(IN)再次对应于第一电平值(L1)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行重新计数来重新确定第一计数值或者

b)在所述输入信号(IN)再次对应于第二电平值(L2)时，通过对参考时钟信号(CLK)的时钟脉冲边沿进行重新计数来重新确定第二计数值而实现。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述估值器(60)设置用于，根据所述第一和第二计数值(N1、N2)的总和确定所述输入信号(IN)的频率。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述估值器(60)设置用于，根据所述输入信号(IN)中的一个或者多个彼此相继的测量周期中的所述第一和第二计数值的总和确定所述输入信号(IN)的频率。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述估值器(60)设置用于，当所述输入信号(IN)中的一个或者多个彼此相继的测量周期中的所述第一和第二计数值的总和超过边界值时，才确定所述输入信号(IN)的频率。

13.根据权利要求9至12的任意一项所述的装置，其特征在于，所述估值器(60)设置用于，这样确定所述第一和第二计数值(N1、N2)，在所述输入信号(IN)不再对应于第一电平值(L1)之后由所述第一计数器(40)的计数结果确定所述第一计数值(N1)；在所述输入信号(IN)不再对应于第二电平值(L2)之后由所述第二计数器(50)的计数结果确定所述第二计数值(N2)。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述估值器(60)设置用于，当所述输入信号(IN)对应于第二电平值(L2)并且当前的计数器状态超过对比值时，由所述第二计数器(50)的当前计数器状态确定所述第二计数值(N2)。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述对比值由至少一个以下数值给出：

-所述第一计数值(N1)；

-所述输入信号(IN)的先前的一个频率确定的第二计数值(N2)。