CN107228979A - 一种基于时钟移相的全数字频率测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，包括参考时钟模块、计数器模块、触发器模块、时分复用模块、寄存器模块、状态解码模块以及计算模块。参考时钟模块提供多路频率相同，但存在相位差的高频时钟信号，计数器模块对输入信号和一路高频时钟信号进行脉冲值计数。触发器模块、时分复用模块以及寄存器模块，用于锁定、存储在对输入信号进行计数的起始时刻、结束时刻时各路高频时钟的状态向量。状态解码模块对多路高频时钟的状态向量解码，再通过计算模块得到输入信号频率测量值。本发明避免了传统频率测量单纯追求提高时钟频率，来提高频率分辨率的技术方案，将提高时钟频率转换为存在相位差的多路时钟，实现时钟细分，提高频率测量分辨率。

Description

一种基于时钟移相的全数字频率测量系统
技术领域
本发明涉及频率测量技术领域，具体涉及一种基于时钟移相的全数字频率测量，在不提高参考时钟频率，不延长测试时间的前提下，能提高频率测量分辨率，适用于谐振类传感器高精度频率测量需求。
背景技术
振梁加速度计、谐振式压力表等谐振类传感器具有高分辨率、直接频率脉冲输出、易于和后续数字处理系统直接匹配的突出优点，为了保证传感器的输出分辨率，需要高分辨率的全数字频率测量方法。
现有频率测量技术中主要有多周期同步法和模拟内插法实现高分辨率的频率测量。
多周期同步法的频率测量分辨率与参考时钟频率、测试时间等密切相关，提高参考时钟频率，延长测试时间能够提高频率测量分辨率，但参考时钟频率达到1GHz就很难提高，测试时间的延长会降低频率采样率，牺牲系统带宽。
模拟内插法主要采用内插器来有效降低±1个字计数模糊度，从而提高精度和分辨率。但内插器一般采用电容充放电的方法来实现，需要采用模数混合电路，电路结构复杂，较多应用于对体积、功耗要求不高的专用频率计数设备中。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，在不提高参考时钟频率，不延长测试时间的前提下，能提高频率测量分辨率，适用于谐振类传感器高精度频率测量需求。
本发明采用的技术方案为：
一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，包括参考时钟模块、计数器模块、触发器模块、时分复用模块、寄存器模块、状态解码模块以及计算模块；
参考时钟模块提供多路高频时钟给触发器模块，同时，参考时钟模块还提供一路高频时钟给计数器模块；
计数器模块包含两个多位计数器，其中一个计数器对输入信号Cin进行脉冲值计数，计数的开始时刻和结束时刻与输入信号Cin触发同步，计数值为M，另一个计数器对其中一路高频参考时钟进行脉冲值计数，计数值为N；两个计数器的计数结果M和N均输出给计算模块；
输入信号Cin和高频时钟信号进入触发器模块，触发器模块用于锁定在对输入信号Cin进行计数的起始时刻、结束时刻时各路高频时钟的状态；
触发器模块将所述各路高频时钟的状态值输出给时分复用模块，时分复用模块将计数起始时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第一寄存器，将计数结束时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第二寄存器；
第一寄存器和第二寄存器的输出接入状态解码模块，完成各路高频时钟状态向量的解码，并将所述解码结果送入计算模块；
计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值，从而完成基于时钟移相的全数字频率测量。
所述参考时钟模块中包括多个参考时钟Cb1、Cb2、…Cbn-1、Cbn，每个参考时钟的频率相同，且相邻两个参考时钟之间的相位差为180°/n，n为参考时钟的数量。
起始时刻高频时钟的状态向量为P：[P1P2…Pn-1Pn]，结束时刻高频时钟的状态向量为Q：[Q1Q2…Qn-1Qn]。
所述状态解码模块完成各路高频时钟状态向量的解码，具体通过下表进行：
所述计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值得到输入信号频率值，具体为：
其中，fin为输入信号Cin频率值，fb为参考时钟频率值，ΔN1、ΔN2为n路参考时钟的状态向量P、Q的状态解码值。
所述参考时钟模块提供一路高频时钟给计数器模块，具体为：提供参考时钟Cb1给计数器模块。
本发明的显著优点：
(1)本发明的基于时钟移相的全数字频率测量系统，能够在不增加时钟频率的基础上，提高频率测量分辨率。与多周期同步法相比，避免了单纯追求提高时钟频率，来提高频率分辨率的技术方案，将提高时钟频率转换为存在相位差的多路时钟，提高频率测量分辨率。
(2)本发明的基于时钟移相的全数字频率测量系统，在不增加测量时间的基础上，能提高频率测量分辨率。
(3)本发明的基于时钟移相的全数字频率测量系统，避免采用电容充放电来实现模拟内插，算法简单，可实现全数字频率测量。
附图说明
图1为本发明基于时钟移相的全数字频率测量系统原理图。
图2表示基于时钟移相的频率测量工作波形图。
图3表示实施例-四路时钟移相45°频率测量电路工作波形图。
图4表示传统频率测量电路工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，包括参考时钟模块、计数器模块、触发器模块、时分复用模块、寄存器模块、状态解码模块以及计算模块；
参考时钟模块提供多路高频时钟给触发器模块，同时，参考时钟模块还提供一路高频时钟给计数器模块；
计数器模块包含两个多位计数器，其中一个计数器对输入信号Cin进行脉冲值计数，计数的开始时刻和结束时刻与输入信号Cin触发同步，计数值为M，另一个计数器对其中一路高频参考时钟进行脉冲值计数，计数值为N；两个计数器的计数结果M和N均输出给计算模块；
输入信号Cin和高频时钟信号进入触发器模块，触发器模块用于锁定在对输入信号Cin进行计数的起始时刻、结束时刻时各路高频时钟的状态；
触发器模块将所述各路高频时钟的状态值输出给时分复用模块，时分复用模块将计数起始时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第一寄存器，将计数结束时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第二寄存器；
第一寄存器和第二寄存器的输出接入状态解码模块，完成各路高频时钟状态向量的解码，并将所述解码结果送入计算模块；
计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值，从而完成基于时钟移相的全数字频率测量。
本发明各组成部分的波形示意图如图2所示，频率测试的实际闸门由输入信号Cin和测试闸门共同形成，使得实际闸门和输入信号Cin完全触发同步，避免了输入信号脉冲计数的±1个计数误差。这样的处理方法对于输入信号Cin相比参考时钟为低频信号是有效的，因为输入信号Cin为低频信号(十几KHz～几百KHz)时，其出现的±1个计数误差要远大于参考时钟(几十MHz～几百MHz)的±1个计数误差。
图2中参考时钟模块中包括多个参考时钟Cb1、Cb2、…Cbn-1、Cbn，每个参考时钟的频率相同，且相邻两个参考时钟之间的相位差为180°/n，n为参考时钟的数量。其中参考时钟模块提供参考时钟Cb1给计数器模块用于脉冲计数。
图2中在实际闸门的起始时刻n个高频时钟的状态向量为P：[P1 P2…Pn-1 Pn]，实际闸门的结束时刻n个高频时钟的状态向量为Q：[Q1 Q2…Qn-1 Qn]。
所述状态解码模块完成各路高频时钟状态向量的解码，具体通过下表进行：
计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值得到输入信号频率值，具体为：
其中，fin为输入信号Cin频率值，fb为参考时钟频率值，ΔN1、ΔN2为n路参考时钟的状态向量P、Q的状态解码值。
实施例：
图3表示实施例的工作波形图。参考时钟模块提供四路频率相同，但存在相位差的高频时钟Cb1、Cb2、Cb3、Cb4。各路参考时钟同相位差，值为45°。参考时钟频率设为fb。
计数器模块包含两个多位计数器，其中一个计数器对输入信号进行脉冲值计数，计数的开始时刻和结束时刻与输入信号触发同步，避免输入信号脉冲个数的±1个计数误差，设计数器值为M。另一个计数器对高频时钟Cb1进行脉冲值计数，设计数器值为N。
触发器模块、时分复用模块以及寄存器模块用于锁定、存储对输入信号进行计数的起始时刻、结束时刻时四路高频时钟的状态值。设起始时刻四路高频时钟的状态值向量为P：[P1 P2 P3 P4]，结束时刻四路高频时钟的状态值向量为Q：[Q1 Q2 Q3 Q4]。
状态解码模块用于对四路高频时钟的状态向量P，Q进行解码，实现高频脉冲非整周期计数误差的细分，提高测量分辨率。解码状态对照表如下表所示。
实施例-状态解码表
状态 P1 P2 P3 P4 解码值ΔN1
状态1 0 0 0 0 0
状态2 1 0 0 0 7
状态3 1 1 0 0 6
状态4 1 1 1 0 5
状态5 1 1 1 1 4
状态6 0 1 1 1 3
状态7 0 0 1 1 2
状态8 0 0 0 1 1
状态 Q1 Q2 Q3 Q4 解码值ΔN2
状态1 0 0 0 0 0
状态2 1 0 0 0 7
状态3 1 1 0 0 6
状态4 1 1 1 0 5
状态5 1 1 1 1 4
状态6 0 1 1 1 3
状态7 0 0 1 1 2
状态8 0 0 0 1 1
输入信号频率值fin由下式给出。
其中ΔN1、ΔN2为四路高频时钟的状态值向量P、Q根据状态解码模块得到的值。
图4为传统频率测量电路的工作波形图，输入信号频率值fin由式(2)给出。
式(1)中的N、ΔN1、ΔN2都为整数，则8N+ΔN1-ΔN2也为整数。与式(2)相比，式(1)通过ΔN1、ΔN2对图4中的参考时钟非整周期进行细分，相当于将参考时钟频率提高了8倍，进而提高了输入信号Cin的测量分辨率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：包括参考时钟模块、计数器模块、触发器模块、时分复用模块、寄存器模块、状态解码模块以及计算模块；
参考时钟模块提供多路高频时钟给触发器模块，同时，参考时钟模块还提供一路高频时钟给计数器模块；
计数器模块包含两个多位计数器，其中一个计数器对输入信号Cin进行脉冲值计数，计数的开始时刻和结束时刻与输入信号Cin触发同步，计数值为M，另一个计数器对其中一路高频参考时钟进行脉冲值计数，计数值为N；两个计数器的计数结果M和N均输出给计算模块；
输入信号Cin和高频时钟信号进入触发器模块，触发器模块用于锁定在对输入信号Cin进行计数的起始时刻、结束时刻时各路高频时钟的状态；
触发器模块将所述各路高频时钟的状态值输出给时分复用模块，时分复用模块将计数起始时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第一寄存器，将计数结束时刻各路高频时钟状态值存入寄存器模块的第二寄存器；
第一寄存器和第二寄存器的输出接入状态解码模块，完成各路高频时钟状态向量的解码，并将所述解码结果送入计算模块；
计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值，从而完成基于时钟移相的全数字频率测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：所述参考时钟模块中包括多个参考时钟Cb1、Cb2、…Cbn-1、Cbn，每个参考时钟的频率相同，且相邻两个参考时钟之间的相位差为180°/n，n为参考时钟的数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：起始时刻高频时钟的状态向量为P：[P1 P2…Pn-1 Pn]，结束时刻高频时钟的状态向量为Q：[Q1Q2…Qn-1 Qn]。
4.根据权利要求1所述的一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：所述状态解码模块完成各路高频时钟状态向量的解码，具体通过下表进行：
5.根据权利要求1所述的一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：所述计算模块根据接收到的脉冲计数值和状态向量解码结果进行数据运算，得到输入信号Cin的频率测量值得到输入信号频率值，具体为：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>N</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，fin为输入信号Cin频率值，fb为参考时钟频率值，ΔN1、ΔN2为n路参考时钟的状态向量P、Q的状态解码值。
6.根据权利要求1所述的一种基于时钟移相的全数字频率测量系统，其特征在于：所述参考时钟模块提供一路高频时钟给计数器模块，具体为：提供参考时钟Cb1给计数器模块。
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