TW201303315A - 頻率量測方法及系統 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種頻率量測方法及系統，利用參考信號以及與待測信號同步之時脈遮罩取得待測信號之時脈的週期數，基於該週期數可取得該待測信號之頻率值，同時利用基於該參考信號而產生的複數個相位移信號來修正前述之頻率值，並可隨著相位移信號數量的增加而將誤差進一步地縮小，進而可得到準確之待測信號的頻率值，且具有量測速度快、占用電路面積小之優點。

Description

頻率量測方法及系統

本發明係關於一種頻率量測方法及系統，更特別的是關於一種可快速且精確地取得頻率值之量測方法及系統。

時脈信號的頻率通常是使用計頻儀來量測，而一般的作法是於計頻儀內設定一閘門時間，利用閘門時間內對時脈信號之週期數進行計數，再利用計數值/閘門時間來取得時脈信號的頻率。

然而，由於閘門時間內之時脈信號的週期數量通常不會是整數值，因此，此種方式容易在閘門時間的開始與結束處造成誤差，例如：少計數半個週期數或多計數半個週期數等。基於此，一般在進行頻率量測時，會將閘門時間盡量拉長以涵蓋較多的週期數，藉此將誤差降低，但這樣的方式卻會大幅增加測試的時間，且解析度亦因閘門時間的短暫而降低。

本發明之一目的在於提高頻率量測的速度及量測的準確性。

本發明之另一目的在於可提供全自動程式控制之頻率量測方法及系統。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種頻率量測方法，係用於量測一待測信號，該方法包含：提供一參考信號；基於該參考信號產生具相同頻率的複數個相位移信號，該等相位移信號間係間隔一固定相位；設定一時脈遮罩，其係起始於該待測信號的一第一觸發狀態，終止於該待測信號的另一個第一觸發狀態；於該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1；於該時脈遮罩的時間區間內，計數該參考信號發生第一觸發狀態的次數Nb；於該時脈遮罩的時間區間內，計數該待測信號發生的週期次數Ni；於該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2；及，依下式取得該待測信號Fi之頻率值，Fi={Ni/[Nb+(Nd/M)]}×Fb，其中，Fb為該參考信號之頻率，Nd=(Nd1-Nd2)，M為該等相位移信號的個數，M≧2。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種頻率量測系統，係用於量測一待測信號，該系統包含：一待測信號輸入端，係用於接收該待測信號；一計數產生器，係連接該待測信號輸入端以接收該待測信號，以及用於產生頻率為Fb的一參考信號，並基於該參考信號產生具相同頻率且彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號，以及用於產生起始於該待測信號的一第一觸發狀態且終止於該待測信號的另一個第一觸發狀態的一時脈遮罩，以及用於在該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內計數該參考信號發生的週期次數Nb，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內計數該待測信號發生的週期次數Ni，以及用於在該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及用於輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2；及一運算裝置，係連接該計數產生器，用於接收該等計數數值並依下式進行運算以取得該待測信號Fi之頻率值，Fi={Ni/[Nb+(Nd/M)]}×Fb，其中，Nd=(Nd1-Nd2)，M≧2。

於一實施例中，該計數產生器包含：一基頻產生單元，係用於產生一基頻信號；一倍頻單元，係連接該基頻產生單元，用於將該基頻信號倍頻為該參考信號；及一可編程閘陣列，其係連接該待測信號輸入端以接收該待測信號，以及連接該倍頻單元以接收該參考信號，以及用於產生該等計數數值M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2並輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2。

於一實施例中，該運算裝置係為一控制單元及一電腦裝置之二者中的其中之一。

於一實施例中，該第一觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。

於一實施例中，該第二觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。

於一實施例中，該時脈遮罩包含之該待測信號發生的週期次數Ni值係為Ni≧2。

於一實施例中，所產生之該等相位移信號的個數係為4個或8個。

於一實施例中，該參考信號之頻率Fb可直接被取代為一預設值。

藉此，本發明之頻率量測方法及系統利用快速且精準的多相位處理方式消除了量測誤差，並隨著相位移信號的產生數量倍增量測準確度，並基於同步性的觸發來達到全自動程式控制的目的，以及達到較小電路占用面積的功效。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

本發明之頻率量測方法的具體實施例中所述之各步驟除特別指明外，其餘步驟係可相互對調而並非依所排列之說明次序來定步驟執行的先後順序；此外，本發明之頻率量測系統的具體實施例中所述之「連接」一詞，係非限定於直接連接，中間亦可連接其他單元。再者，所述之「第一觸發狀態」、「第二觸發狀態」一詞係包含上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一，第一觸發狀態與第二觸發狀態並不互斥，亦即，第一觸發狀態與第二觸發狀態可同時為上緣觸發狀態或同時為下緣觸發狀態。

首先請參閱第1圖，係一實施例中之頻率量測方法的運作時序圖。於此實施例中係以8個相位移信號來作為示例，熟悉該項技術者應了解的是，只要有2個以上的相位移信號即能消除量測誤差進而提升準確度。

於本發明實施例中之頻率量測方法包含兩種頻率量測方式，其可包含以下步驟：

如第1圖所示，除了所輸入的待測信號Fi外，量測動作開始前會先提供一參考信號Fb，以及基於該參考信號產生具相同頻率的多階相位移信號Fb-p1~Fb-p8，每一階相位移信號Fb-p1~Fb-p8間係間隔一固定相位。

該參考信號Fb用來作為一個基礎的頻率以求取待測信號的頻率。相位移信號則是從該參考信號Fb來產生的，通常可利用可編程閘陣列(FPGA)中的數位時脈管理器(DCM)來完成信號的相位移。以本實施例來說，係具有8個相位移信號Fb-p1~Fb-p8，因此可利用兩組的數位時脈管理器來達成，其中，一組數位時脈管理器係可將參考信號Fb分解成4個相位移信號。然而熟悉該項技術者應了解的是，即使僅使用一組的數位時脈管理器，使用者仍可對其中之4個相位移分解動作進行選擇性的關閉，亦即，僅使用一組的數位時脈管理器之下仍可將參考信號Fb分解成2個或3個相位移信號，因此，使用者可根據需求並搭配數位時脈管理器的運用來選擇所需的相位移信號數量。至於相位移信號間的間隔則是由數位時脈管理器來將360度的相位等分給各個相位移信號，例如：相位移信號的數量為M個，則間隔相位為360/(M-1)。

接著是設定一時脈遮罩mk，其係起始於待測信號Fi的第一觸發狀態，終止於待測信號Fi的另一個第一觸發狀態。於本實施例中之第一觸發狀態係以上緣觸發狀態為示例，亦即，時脈遮罩mk可同步於待測信號Fi，而於待測信號Fi的某一個上緣觸發狀態下被同步地觸發。時脈遮罩mk維持高位準狀態直到經過預定的待測信號Fi之數量才停止，亦即，時脈遮罩mk終止於待測信號Fi的另一個第一觸發狀態。以第1圖之實施例來說，時脈遮罩mk終止於待測信號Fi的第7個第一觸發狀態，如此即會經過6個待測信號Fi的週期數，而得到待測信號Fi的週期次數Ni=6，即Ni=(待測信號Fi發生第一觸發狀態的次數)-1。其中，待測信號Fi的週期次數Ni需至少為1個，較佳為2個以上。

當時脈遮罩mk一被初始化時，量測動作隨即展開。請參考第1圖，由於參考信號Fb並不與待測信號Fi同步，因此於所量測到之參考信號Fb的週期次數Nb中，其所經過的時間實際上是與時脈遮罩mk的範圍不符合的，會造成前端誤差及後端誤差，此乃因計數的方式通常是直接取上緣觸發狀態或下緣觸發狀態的次數來計數的。

因此，本發明之實施例中即利用該等相位移信號來消除該等前端及後端的誤差。

於前端誤差中，係於時脈遮罩mk之起始時序點至參考信號Fb發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態(上緣或下緣觸發狀態)的次數Nd1。

於後端誤差中，係於時脈遮罩mk之終止時序點至參考信號Fb發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態(上緣或下緣觸發狀態)的次數Nd2。

所述的「該等相位移信號Fb-p1~Fb-p8發生第二觸發狀態」係指當前端誤差選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態時，於後端誤差就選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態；反之，當前端誤差選擇下緣觸發狀態作為該第二觸發狀態時，於後端誤差就選擇下緣觸發狀態作為該第二觸發狀態。以第1圖之示例來說，係選擇上緣觸發狀態作為該第二觸發狀態，因此，於第1圖中的Nd1係為「3」，Nd2係為「5」。

於後續之計算中，Nd1的次數會減去Nd2的次數以取得實際上在時脈遮罩mk的範圍內所需被校正的週期數，進而消除前端及後端誤差。

取得上述的各個數值後即可進行待測信號Fi之頻率的計算，其係依下式(1)來取得的：

Fi={Ni/[Nb+(Nd/M)]}×Fb　(1)

其中，Nd為校正值，Nd=(Nd1-Nd2)；M為該等相位移信號的個數，M≧2，亦即所產生之該等相位移信號的個數係至少為2個。

接著將說明本發明實施例中之方法可提高準確度的程度。待測信號Fi基本上的頻率算式係由下式(2)來決定：

(Ni/Fi)=(Nb/Fb)　(2)(2)

式又可改寫為：

Fi≒(Ni/Nb)×Fb　(3)

滿足(3)式的條件為參考信號Fb之頻率大於待測信號Fi之頻率。

然而，由前述可知，若不進行前端及後端誤差的校正，式(3)取得的待測信號Fi頻率將不準確。準確的算法是要將前端誤差補回來並消去後端誤差，如此才可完全符合時脈遮罩mk的範圍。因此，由校正值Nd的運算結果即可得到最後應補回或消去多少的計數數值，進一步地，由式(1)亦可了解到相位移信號的數量越多，能提升的準確度倍數就越高，亦即，本發明實施例中之方法相較於未進行前端誤差及後端誤差校正的方法共至少提升了8倍的準確度。

接著請參閱第2圖，係一實施例中之頻率量測方法的運作流程圖。請同時參考第1圖，其係依據時序運作的流程來做說明，首先是(S101)提供待測信號Fi、參考信號Fb、及複數個相位移信號Fb-p1~Fb-p8；(S102)接著同步於待測信號Fi啟動時脈遮罩mk；接著，(S103)取得前端誤差計數值Nd1；接著，(S104)關閉時脈遮罩mk並取得待測信號Fi及參考信號Fb的週期數計數值Ni及Nb；接著，(S105)取得後端誤差計數值Nd2；最後，(S106)進行式(1)的結果運算。

接著請參閱第3圖，係本發明於一實施例中之頻率量測系統的功能方塊圖。該頻率量測系統100包含：一待測信號輸入端110、一計數產生器120及一運算裝置130。

待測信號輸入端110用於接收該待測信號Fi。

計數產生器120係連接待測信號輸入端110以接收該待測信號Fi，以及計數產生器120用於產生前述之參考信號Fb、彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號、時脈遮罩mk、該等相位移信號於前端誤差區間內發生第二觸發狀態的次數Nd1、在該時脈遮罩mk內該參考信號Fb發生第一觸發狀態的次數Nb、在該時脈遮罩mk內該待測信號Fi發生第一觸發狀態的次數Ni、該等相位移信號於後端誤差區間內發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2。

於一實施例中，該計數產生器120可包含：一基頻產生單元121、一倍頻單元123、及一可編程閘陣列125。基頻產生單元121用於產生一基頻信號。通常是利用晶體震盪器來產生較低的基頻，如此可降低成本，再由連接該基頻產生單元121的倍頻單元123來將基頻提昇，以作為該參考信號Fb。通常會將基頻提昇至大於待測信號Fi之可能頻率範圍，亦即，對於不同種類之待測信號可對應不同的參考信號Fb之頻率值，當然，越高頻的參考信號Fb能適用的範圍越廣。可編程閘陣列125可具有：用來作為相位移產生電路的數位時脈管理器、用來進行上或下微分(上緣觸發或下緣觸發)以計數Nd1及Nd2的微分電路、用來產生時脈遮罩mk及對待測信號Fi與參考信號Fb進行計數的遮罩電路等，據此，該可編程閘陣列125可用於產生該等計數數值M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2並輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2。

可編程閘陣列係為習知元件，本發明實施例之量測系統係利用其內含之各個邏輯元件來達成本發明之目的，並在本發明實施例中使用之方法下可使用較少的邏輯元件，而不需選用大面積的可編程閘陣列晶片，進而可減少電路占用的面積而縮小產品尺寸。舉例來說，若將運算裝置的運算功能也納入可編程閘陣列內的話將會大幅增加所需的邏輯元件數量，進而增加電路占用面積，且因結構上的設計所致，可編程閘陣列的運算能力低且速度慢並不適用於運算的處理，特殊高價的可編程閘陣列雖可達高速運算處理，但成本過高。

運算裝置130係連接該計數產生器120，用於接收該等計數數值並依前述式(1)進行運算以取得該待測信號Fi之頻率值。其中，該運算裝置130可為一控制單元(MCU)或一電腦裝置。若為一控制單元，則該控制單元通常會被設置在與計數產生器120同一塊的電路板上，使得整個頻率量測系統100被整合在一模組上；然而，該運算裝置130亦可為外部的電腦裝置，量測模組僅提供各個數據值，所有的計算由該電腦裝置來處理。

進一步地，為了更加降低誤差，亦可對所產生的參考信號Fb進行預先的高精度量測，亦即，為了避免基頻產生器及倍頻器實際上產生之頻率與給予之標示值不同而發生的誤差，可利用解析度高於參考信號Fb頻率之高精密計頻儀來預先對模組上產生之參考信號Fb進行量測，並以此量測值作為一預設值直接儲存於運算裝置130中。如此使得每一次的量測中，參考信號Fb的頻率值都會使用該預設值，而不會選用基頻產生器及倍頻器於規格上所標示之參數。

綜合上述，本發明之頻率量測方法及系統利用快速且精準的多相位處理方式消除了量測誤差，並隨著相位移信號的產生數量倍增量測準確度，以本發明之實施例來說係將誤差縮小的8倍(對應8個相位移信號)，並基於同步性的觸發來達到全自動程式控制的目的，以及達到較小電路占用面積的功效。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

100．．．頻率量測系統

110．．．待測信號輸入端

120．．．計數產生器

121．．．基頻產生單元

123．．．倍頻單元

125．．．可編程閘陣列

130．．．運算裝置

Fi．．．待測信號及其頻率

Fb．．．參考信號及其頻率

mk．．．時脈遮罩

Ni．．．待測信號之週期次數

Nb．．．參考信號之週期次數

Nd1．．．第二觸發狀態的次數

Nd2．．．第二觸發狀態的次數

S101~S106．．．步驟

第1圖為本發明於一實施例中之頻率量測方法的運作時序圖。

第2圖為本發明於一實施例中之頻率量測方法的運作流程圖。

第3圖為本發明於一實施例中之頻率量測系統的功能方塊圖。

S101~S106．．．步驟

Claims (12)

1. 一種頻率量測方法，係用於量測一待測信號，該方法包含：提供一參考信號；基於該參考信號產生具相同頻率的複數個相位移信號，該等相位移信號間係間隔一固定相位；設定一時脈遮罩，其係起始於該待測信號的一第一觸發狀態，終止於該待測信號的另一個第一觸發狀態；於該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1；於該時脈遮罩的時間區間內，計數該參考信號發生的週期次數Nb；於該時脈遮罩的時間區間內，計數該待測信號發生的週期次數Ni；於該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內，計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2；及依下式取得該待測信號Fi之頻率值，Fi={Ni/[Nb+(Nd/M)]}×Fb其中，Fb為該參考信號之頻率，Nd=(Nd1-Nd2)，M為該等相位移信號的個數，M≧2。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該時脈遮罩包含之該待測信號發生的週期次數Ni值係為Ni≧2。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，所產生之該等相位移信號的個數係為4個或8個。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中更包含：將該參考信號之頻率Fb取代為一預設值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該固定相位之值係為360/(M-1)。
8. 一種頻率量測系統，係用於量測一待測信號，該系統包含：一待測信號輸入端，係用於接收該待測信號；一計數產生器，係連接該待測信號輸入端以接收該待測信號，以及用於產生頻率為Fb的一參考信號，並基於該參考信號產生具相同頻率且彼此互相間隔一固定相位的M個相位移信號，以及用於產生起始於該待測信號的一第一觸發狀態且終止於該待測信號的另一個第一觸發狀態的一時脈遮罩，以及用於在該時脈遮罩之起始時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd1，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內計數該參考信號發生第一觸發狀態的次數Nb，以及用於在該時脈遮罩的時間區間內計數該待測信號發生第一觸發狀態的次數Ni，以及用於在該時脈遮罩之終止時序點至該參考信號發生第一觸發狀態的時間區間內計數該等相位移信號發生第二觸發狀態的次數Nd2，以及用於輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2；及一運算裝置，係連接該計數產生器，用於接收該等計數數值並依下式進行運算以取得該待測信號Fi之頻率值，Fi={Ni/[Nb+(Nd/M)]}×Fb其中，Nd=(Nd1-Nd2)，M≧2。
9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該計數產生器包含：一基頻產生單元，係用於產生一基頻信號；一倍頻單元，係連接該基頻產生單元，用於將該基頻信號倍頻為該參考信號；及一可編程閘陣列，其係連接該待測信號輸入端以接收該待測信號，以及連接該倍頻單元以接收該參考信號，以及用於產生該等計數數值M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2並輸出該等計數數值Fb、M、Nb、Ni、Nd1、及Nd2。
10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該運算裝置係用於將該計數數值Fb取代為一預設值。
11. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該運算裝置係為一控制單元及一電腦裝置之二者中的其中之一。
12. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中，該第一觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一；該第二觸發狀態係為上緣觸發狀態及下緣觸發狀態之二者中的其中之一。