CN114636862B - 一种高精度脉冲宽度测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度脉冲宽度测量电路及测量方法，该电路包括：采样时钟和校准时钟电路，包括一组延时单元和时钟分频器；延时单元用来输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK，时钟分频器用来根据采样时钟信号HRCLK生成低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准；采样电路，只工作在HRCLK时钟域下，包括计数器HRCNT、四个捕捉寄存器HRCAP1～HRCAP4、边沿检测和中断控制电路；校准电路，包括计数器CALCNT、SYSCNT，位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP，位寄存器CALPRD及比较器。该方法是基于上述电路来实施。本发明具有原理简单、操作简便、软硬件开销小、测量精度高等优点。

Description

一种高精度脉冲宽度测量电路及测量方法

技术领域

本发明主要涉及到数字脉冲信号检测技术领域，特指一种高精度脉冲宽度测量电路及方法。

背景技术

高精度数字脉冲信号宽度测量广泛应用于精密仪器、声呐、机器人伺服、开关电源、功率器件、触摸屏等设备中，用来进行脉冲序列周期/占空比测量、瞬时速度测量、跨隔离边界的电压测量、距离/声呐测量和触摸感知。

通常，数字脉冲信号宽度测量就是用一个采样时钟HRCLK(频率为fHRCLK)，以一个时钟周期为基准单位，将一个脉冲信号的宽度表示成一个包含整数部分和小数部分的实数。参见图1所示，脉冲信号的宽度λ与fHRCLK、μ、α、β的关系为：

λ＝(μ-α-β)×1/fHRCLK，μ为正整数，α、β为小数    (1)

一般，采样时钟HRCLK的频率fHRCLK显著高于系统中的全局系统时钟SYSCLK的工作频率fSYSCLK，从而达到较高精度的脉冲宽度采样和测量目的。如果采样时钟HRCLK的频率fHRCLK足够高、测量精度能够满足要求，式(1)中的α和β可以忽略不计，即：

λ≈μ×1/fHRCLK，μ为正整数                        (2)

有从业者提出了美国专利申请US No.8384440B2，该技术方案所公开的测量方法具有高精度的特点，且不需要高频的采样时钟。但该方法限制了采样时钟的工作范围，同时，因需要一条捕捉延时链并周期性地执行软件校准程序，增加了软硬件开销。

另有中国专利申请CN202010404936.6，公开了一种数字脉冲信号宽度测量电路及测量方法，该测量电路包括：用于驱动电路中所有寄存器的采样时钟；边沿检测和中断控制单元，用于检测输入引脚输入上的脉冲信号的上升沿和下降沿，然后控制信号采集；整数编码单元，包括计数器和寄存器，用于通过使用采样时钟的1个周期的1/f作为参考单元来测量输入引脚输入上的高或低电平宽度的整数部分；信号捕获链，用于对每个延迟单元DLL的输出电平值进行采样；十进制编码单元，用于找出和记录在信号捕获链上传播的脉冲边沿的位置；以及校准控制单元，用于执行校准。所述测量方法基于前述测量电路实现，其具有精度高，结构简单，资源开销小等优点。但是这个方案的电路中同样包含延时链，从而导致硬件开销较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、软硬件开销小、测量精度高的一种高精度脉冲宽度测量电路及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高精度脉冲宽度测量电路，其包括：

采样时钟和校准时钟电路，包括一组延时单元和时钟分频器；所述延时单元用来输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK，所述时钟分频器用来根据采样时钟信号HRCLK生成低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准；

采样电路，只工作在HRCLK时钟域下，包括计数器HRCNT、四个捕捉寄存器HRCAP1～HRCAP4、边沿检测和中断控制电路；

校准电路，包括计数器CALCNT、SYSCNT，位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP，位寄存器CALPRD及比较器；当设置校准使能CALEN＝1后，计数器CALCNT、SYSCNT分别从0开始计数；当计数器SYSCNT的值等于位寄存器CALPRD时，比较器产生一个高电平脉冲CALDONE表示一个校准周期完成，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP中。

作为本发明电路的进一步改进：所述一组延时单元DLL[1]～DLL[i]在控制信号HREN＝1时构成振荡器，DLL[i]具有相位反转功能；设信号经过一个延时单元产生的延时为δ，则振荡器稳定可输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK。

作为本发明电路的进一步改进：所述时钟分频器用来对采样时钟信号HRCLK进行N倍分频产生低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准。

作为本发明电路的进一步改进：所述采样电路中，电路复位后所述计数器HRCNT从0开始计数，当边沿检测电路检测到输入脉冲信号INPUT的边沿时，所述计数器HRCNT的值依次加载到捕捉寄存器HRCAP1～HRCAP4。

作为本发明电路的进一步改进：加载方式为：INPUT信号的第1个边沿来临时，HRCNT→HRCAP1；第2个边沿来临时，HRCNT→HRCAP2；第3个边沿来临时，HRCNT→HRCAP3；第4个边沿来临时，HRCNT→HRCAP4；第5个边沿来临时，重复第1个边沿来临时的动作。

作为本发明电路的进一步改进：所述中断控制电路用来控制INPUT信号上多少个边沿来临后触发一次采样中断事件SAPINT，通知软件读取HRCAP1～HRCAP4寄存器值、完成后续处理。

作为本发明电路的进一步改进：所述计数器CALCNT、位捕捉寄存器CALCAP工作在CALCLK时钟域，计数器SYSCNT、捕捉寄存器SYSCAP工作在系统时钟域SYSCLK。

本发明进一步提供一种基于上述高精度脉冲宽度测量电路的测量方法，其步骤包括：

步骤S1：复位HRCNT；复位后，HRCNT在时钟HRCLK驱动下从零开始计数；

步骤S2：加载HRCAP1；复位计数器HRCNT后，边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第一个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP1；

步骤S3：加载HRCAP2；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第二个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP2；

步骤S4：加载HRCAP3；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第三个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP3；

步骤S5：加载HRCAP4；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第四个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4；

步骤S6：中断处理；采样中断事件来临后，中断服务程序读取HRCAP1～HRCAP4寄存器值、计算实际的脉冲宽度；中断服务程序中包括复位或清零HRCNT，使电路回到步骤S1重新进行一次新的采样周期。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，由电路上电时复位，或由软件复位。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，在中断控制电路中，设置INPUT信号上4个事件来临后触发一次采样中断事件，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4后，触发一次采样中断事件，以通知软件读取HRCAP1～HRCAP4寄存器值并完成后续处理。

作为本发明方法的进一步改进：还包括测量精度校准流程，其包括：

步骤S101：初始化；设置校准使能CALEN＝0，清零计数器CALCNT、SYSCNT，清零寄存器CALCAP、SYSCAP、CALPRD；

步骤S102：使能校准电路；设置CALEN＝1以使能校准电路；

步骤S103：启动校准计数；设置控制位CALSTART＝1启动校准计数；CALCNT、SYSCNT分别在时钟CALCLK、SYSCLK的驱动下从零开始计数；

步骤S104：保存校准值；当比较器检测到计数器SYSCNT等于CALPRD时，产生一个脉冲信号CALDONE，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到寄存器CALCAP、SYSCAP中，同时产生一个校准完成中断事件CALINT以通知软件读取CALCAP、SYSCAP寄存器的值以完成后续计算；

步骤S105：中断处理；中断服务程序读取寄存器CALCAP、SYSCAP的值完成后续计算，并决定是否进行后续校准过程；若继续进行后续校准，则回到步骤S103。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的高精度脉冲宽度测量电路及测量方法，采用结构简单、可移植性强的采样时钟电路，而且不需要引入硬件资源开销较大的延时链，具有简洁、直观、易用、软硬件开销小的特点。

2、本发明的高精度脉冲宽度测量电路及测量方法，实施之后测量精度可达100ps量级；同时，测量精度能根据实际工作环境(如温度、工作电压)的变化周期性地校准。

附图说明

图1是数字脉冲信号测量的示意图。

图2是本发明在具体应用实例中采样时钟和校准时钟电路的结构原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中采样电路的结构原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中校准电路的结构原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中脉冲宽度测量的流程示意图。

图6是本发明在具体应用实例中脉冲宽度测量的原理示意图。

图7是本发明在具体应用实例中测量精度校准的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2-6所示，本发明的一种高精度脉冲宽度测量电路，其包括：

采样时钟和校准时钟电路，包括一组延时单元和时钟分频器；所述延时单元用来输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK，所述时钟分频器用来根据采样时钟信号HRCLK生成低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准；

采样电路，只工作在HRCLK时钟域下，包括32位计数器HRCNT、4个32位捕捉寄存器HRCAP1～HRCAP4、边沿检测和中断控制电路。

校准电路，包括32位计数器CALCNT、SYSCNT，32位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP，32位寄存器CALPRD及比较器；当设置校准使能CALEN＝1后，计数器CALCNT、SYSCNT分别从0开始计数。当计数器SYSCNT的值等于位寄存器CALPRD时，比较器产生一个高电平脉冲CALDONE表示一个校准周期完成，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP中。

在具体应用实例中，一组延时单元DLL[1]～DLL[i]在控制信号HREN＝1时构成振荡器。其中，DLL[i]具有相位反转功能。设信号经过一个延时单元产生的延时为δ，则振荡器稳定后可输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK。时钟HRCLK的周期THRCLK与延时单元的延时δ、延时单元的数量i之间的关系为：

THRCLK＝2×i×δ，i为偶数                       (3)

时钟分频器用来对采样时钟信号HRCLK进行N倍分频产生低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准。

校准时钟CALCLK的周期与时钟HRCLK的周期的关系为：

TCALCLK＝THRCLK×N，N为正整数                    (4)

在具体应用实例中，所述采样电路中，电路复位后，所述计数器HRCNT从0开始计数。当边沿检测电路检测到输入脉冲信号INPUT的边沿(上升或下降沿)时，所述计数器HRCNT的值依次加载到捕捉寄存器HRCAP1～HRCAP4。

作为优选方案，其加载方式为：INPUT信号的第1个边沿来临时，HRCNT→HRCAP1；第2个边沿来临时，HRCNT→HRCAP2；第3个边沿来临时，HRCNT→HRCAP3；第4个边沿来临时，HRCNT→HRCAP4；第5个边沿来临时，重复第1个边沿来临时的动作。以此类推。

所述中断控制电路用来控制INPUT信号上多少个边沿来临后触发一次采样中断事件SAPINT，通知软件读取HRCAP1～HRCAP4等寄存器值、完成后续处理。

在具体应用实例中，计数器CALCNT、位捕捉寄存器CALCAP工作在CALCLK时钟域，计数器SYSCNT、捕捉寄存器SYSCAP工作在系统时钟域SYSCLK。

参见图5，本发明进一步提供一种基于上述高精度脉冲宽度测量电路的测量方法，设中断控制电路中，设置INPUT信号上4个事件(边沿)来临后触发一次采样中断事件，其步骤包括：

步骤S1：复位HRCNT。可以由电路上电时复位，也可以由软件复位。复位后，HRCNT在时钟HRCLK驱动下从零开始计数。

步骤S2：加载HRCAP1。复位计数器HRCNT后，边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第一个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP1。

步骤S3：加载HRCAP2。边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第二个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP2。

步骤S4：加载HRCAP3。边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第三个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP3。

步骤S5：加载HRCAP4。边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第四个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4。因中断控制电路中，设置INPUT信号上4个事件(边沿)来临后触发一次采样中断事件，故将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4后，触发一次采样中断事件，以通知软件读取HRCAP1～HRCAP4等寄存器值并完成后续处理。

步骤S6：中断处理。采样中断事件来临后，中断服务程序读取HRCAP1～HRCAP4等寄存器值、计算实际的脉冲宽度。中断服务程序中通常包括复位或清零HRCNT，使电路回到步骤S1重新进行一次新的采样周期。

由上可知，脉冲宽度测量方法的流程包括脉冲宽度采样和脉冲宽度计算过程，如图5所示。步骤S1～S5完成脉冲宽度采样，由硬件电路完成；脉冲宽度计算在步骤S6中进行，由软件完成。

设输入引脚INPUT上的脉冲如图6所示，INPUT信号上4个事件(边沿)来临后触发一次采样中断事件时，软件计算脉冲宽度方式如下：

T_High1＝(HRCAP2-HRCAP1)×T_HRCLK                       (5)

T_Low1＝(HRCAP3-HRCAP2)×T_HRCLK                       (6)

T_Period1＝(HRCAP3-HRCAP1)×T_HRCLK                      (7)

T_High2＝(HRCAP4-HRCAP2)×T_HRCLK                       (8)

T_Low2＝(HRCAP3-HRCAP2)×T_HRCLK                       (9)

T_Period2＝(HRCAP4-HRCAP2)×T_HRCLK                      (10)

式(5)～(10)中，T_HRCLK由式(11)～式(13)得出。

一般，延时单元DLL的延时δ随温度、工作电压的变化范围较大，采样时钟HRCLK的周期值需要进行校准才能得出精确的脉冲宽度测量结果。由于系统工作时钟SYSCLK一般由专门的PLL产生且稳定性较高，因而给定系统工作时钟SYSCLK的周期T_SYSCLK、通过校准CALCLK和SYSCLK两个时钟周期之间的关系，得出缩放因子ScaleFactor，即可精确确定采样时钟HRCLK的周期T_HRCLK。

ScaleFactor＝SYSCAP/CALCAP                        (11)

T_CALCLK＝ScaleFactor×T_SYSCLK                       (12)

T_HRCLK＝ScaleFactor×T_SYSCLK/N                    (13)

参见图7所示，作为较佳实施例，本发明进一步包括测量精度校准流程，其包括：

步骤S101：初始化。设置校准使能CALEN＝0，清零计数器CALCNT、SYSCNT，清零寄存器CALCAP、SYSCAP、CALPRD。

步骤S102：使能校准电路。设置CALEN＝1以使能校准电路。

步骤S103：启动校准计数。设置控制位CALSTART＝1启动校准计数。CALCNT、SYSCNT分别在时钟CALCLK、SYSCLK的驱动下从零开始计数。

步骤S104：保存校准值。当比较器检测到计数器SYSCNT等于CALPRD时，产生一个脉冲信号CALDONE，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到寄存器CALCAP、SYSCAP中，同时产生一个校准完成中断事件CALINT以通知软件读取CALCAP、SYSCAP等寄存器的值以完成后续计算。

步骤S105：中断处理。中断服务程序读取寄存器CALCAP、SYSCAP的值完成后续计算，并决定是否进行后续校准过程。若继续进行后续校准，则回到步骤S103。

校准电路中，同时也包括连续校准控制位CALCON。若在步骤S102或步骤S103中设置CALCON＝1，则步骤S105完成后校准电路自动回到步骤S103启动下一个校准过程，无需再设置控制位CALSTART。

给定系统时钟SYSCLK的周期TSYSCLK，中断服务程序按式(11)～式(13)计算校准时钟CALCLK、采样时钟HRCLK和时钟SYSCLK的周期之间的关系。

由上可知，测量精度校准流程实际上包括校准计数和精度计算过程，步骤S101～S104完成校准计数，由硬件电路完成；精度计算在步骤S105中进行，由软件完成。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高精度脉冲宽度测量电路，其特征在于，包括：

采样时钟和校准时钟电路，包括一组延时单元和时钟分频器；所述延时单元用来输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK，所述时钟分频器用来根据采样时钟信号HRCLK生成低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准；

采样电路，只工作在HRCLK时钟域下，包括计数器HRCNT、四个捕捉寄存器HRCAP1 ~HRCAP4、边沿检测和中断控制电路；

校准电路，包括计数器CALCNT、SYSCNT，位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP，位寄存器CALPRD及比较器；当设置校准使能CALEN=1后，计数器CALCNT、SYSCNT分别从0开始计数；当计数器SYSCNT的值等于位寄存器CALPRD时，比较器产生一个高电平脉冲CALDONE表示一个校准周期完成，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到位捕捉寄存器CALCAP、SYSCAP中；

所述一组延时单元DLL[1] ~ DLL[i]在控制信号HREN=1时构成振荡器，DLL[i]具有相位反转功能；设信号经过一个延时单元产生的延时为δ，则振荡器稳定可输出一个周期性的采样时钟信号HRCLK；

所述时钟分频器用来对采样时钟信号HRCLK进行N倍分频产生低频时钟信号CALCLK用于采样精度校准。

2. 根据权利要求1所述的高精度脉冲宽度测量电路，其特征在于，所述采样电路中，电路复位后所述计数器HRCNT从0开始计数，当边沿检测电路检测到输入脉冲信号INPUT的边沿时，所述计数器HRCNT的值依次加载到捕捉寄存器HRCAP1 ~ HRCAP4。

3. 根据权利要求2所述的高精度脉冲宽度测量电路，其特征在于，加载方式为：INPUT信号的第1个边沿来临时，HRCNT → HRCAP1；第2个边沿来临时，HRCNT → HRCAP2；第3个边沿来临时，HRCNT → HRCAP3；第4个边沿来临时，HRCNT → HRCAP4；第5个边沿来临时，重复第1个边沿来临时的动作。

4.根据权利要求1所述的高精度脉冲宽度测量电路，其特征在于，所述计数器CALCNT、位捕捉寄存器CALCAP工作在CALCLK时钟域，计数器SYSCNT、捕捉寄存器SYSCAP工作在系统时钟域SYSCLK。

5.一种基于上述权利要求1-4中任意一项高精度脉冲宽度测量电路的测量方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：复位HRCNT；复位后，HRCNT在时钟HRCLK驱动下从零开始计数；

步骤S2：加载HRCAP1；复位计数器HRCNT后，边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第一个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP1；

步骤S3：加载HRCAP2；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第二个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP2；

步骤S4：加载HRCAP3；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第三个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP3；

步骤S5：加载HRCAP4；边沿检测电路检测到输入信号INPUT上第四个边沿时，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4；

步骤S6：中断处理；采样中断事件来临后，中断服务程序读取HRCAP1 ~ HRCAP4寄存器值、计算实际的脉冲宽度；中断服务程序中包括复位或清零HRCNT，使电路回到步骤S1重新进行一次新的采样周期。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，由电路上电时复位，或由软件复位。

7. 根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，在中断控制电路中，设置INPUT信号上4个事件来临后触发一次采样中断事件，将HRCNT的当前值加载到寄存器HRCAP4后，触发一次采样中断事件，以通知软件读取HRCAP1 ~ HRCAP4寄存器值并完成后续处理。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，还包括测量精度校准流程，其包括：

步骤S101：初始化；设置校准使能CALEN=0，清零计数器CALCNT、SYSCNT，清零寄存器CALCAP、SYSCAP、CALPRD；

步骤S102：使能校准电路；设置CALEN=1以使能校准电路；

步骤S103：启动校准计数；设置控制位CALSTART=1启动校准计数；CALCNT、SYSCNT分别在时钟CALCLK、SYSCLK的驱动下从零开始计数；

步骤S104：保存校准值；当比较器检测到计数器SYSCNT等于CALPRD时，产生一个脉冲信号CALDONE，触发计数器CALCNT、SYSCNT的值分别加载到寄存器CALCAP、SYSCAP中，同时产生一个校准完成中断事件CALINT以通知软件读取CALCAP、SYSCAP寄存器的值以完成后续计算；

步骤S105：中断处理；中断服务程序读取寄存器CALCAP、SYSCAP的值完成后续计算，并决定是否进行后续校准过程；若继续进行后续校准，则回到步骤S103。

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