TWI409468B - 用於量測長時間週期之裝置及方法 - Google Patents

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用於量測長時間週期之裝置及方法
本揭示案係關於時間及/或電容之量測，且更特定言之係關於藉由經一已知時間週期量測一精確產生之類比電壓來對時間及/或電容進行極精確及高解析度之量測。
用數位邏輯之時間量測需要時脈以超高頻率執行以便精確地量測具有極短時間週期(例如，100皮秒)之事件的時間。以超高頻率(例如，1至10GHz)執行、驅動邏輯能夠以約1GHz執行之時脈將需要大量功率來執行時脈及邏輯電路，且另外，以此等時脈速度操作之時脈及數位邏輯電路將產生大量電路雜訊。
因此，存在對在無需採取超高頻率之時脈及高功率消耗之數位邏輯的情況下極精確地量測事件時間週期及/或電容值之方式的需要。根據本揭示案之教示，一系統、方法及裝置用於提供極高解析度之時間及/或電容量測。時間量測可僅視一時基參考之頻率精確度及一類比至數位轉換器(ADC)之解析度(例如，8、10或12個位元)而將時間解析為皮秒解析度。舉例而言，100奈秒範圍可具有0.1奈秒之解析度，1000奈秒範圍可具有1奈秒之解析度，10,000奈秒範圍可具有10奈秒之解析度，且50,000奈秒範圍可具有50奈秒之解析度等。用兩個時間量測單元，動態時間量測範圍可擴展至超過百萬分之一(1)(ppm)。除量測電容器之 電容值以外，電容量測特徵可有利地用作一電容轉換感應器。此亦可用低時脈速度(較少數位雜訊)及低功率(經擴展之電池操作)電路實施來實現。
根據本揭示案之一特定實例實施例，一用於量測一時間週期之裝置可包含：一恆定電流源；一電流導引開關，其耦接至該恆定電流源；一電容器，其耦接至該電流導引開關，該電容器具有一已知電容值，其中當該電流導引開關將該恆定電流源耦接至該電容器時，該電容器上之一電壓實質上隨時間線性增加；一電路，其用於控制該電流導引開關，其中該電流導引開關在該電路偵測到一事件之開始時將該電容器耦接至該恆定電流源且在該電路偵測到該事件之終止時將該電容器自該恆定電流源去耦；一類比至數位轉換器(ADC)，其用於將該電容器上之電壓轉換成其一數位表示；及一數位處理器，其用於將該電容器上之電壓之數位表示轉換成一表示一處於該事件之開始與終止之間的時間週期的時間值。該數位處理器可自該已知電容值及該電壓之數位表示來計算該事件之時間週期。
根據本揭示案之另一特定實例實施例，一用於量測一時間週期之方法可包含以下步驟：提供一恆定電流源；提供一具有一已知電容值之電容器；在偵測到一事件之開始時自該恆定電流源將具有該已知電容值之該電容器充電；在偵測到該事件之終止時將該電容器上之電壓轉換成其一數位表示；及將該電壓之數位表示轉換成一表示一處於該事件之開始與終止之間的時間週期之時間值。將該電壓之數 位表示轉換成一時間值的步驟可包含在該事件之終止時自該已知電容值及該電容器上之電壓的數位表示計算該事件之時間週期的步驟。
根據本揭示案之又一特定實例實施例，一用於量測電容之裝置可包含：一恆定電流源；一電流導引開關，其耦接至該恆定電流源；一電容器，其耦接至該電流導引開關，該電容器具有一未知電容值，其中當該電流導引開關將該恆定電流源耦接至該電容器時，該電容器上之一電壓實質上隨時間線性增加；一電路，其用於控制該電流導引開關，其中該電流導引開關在該電路偵測到一時脈之一已知時間週期之開始時將該電容器耦接至該恆定電流源且在該電路偵測到該時脈之已知時間週期的終止時將該電容器自該恆定電流源去耦；一類比至數位轉換器(ADC)，其用於將該電容器上之電壓轉換成其一數位表示；及一數位處理器，其用於將該電壓之數位表示轉換成一電容值。該數位處理器可自該電壓之數位表示及該時脈之已知時間週期計算該未知值電容器的電容。
根據本揭示案之再一特定實例實施例，一用於量測一電容值之方法可包含以下步驟：提供一恆定電流源；提供一具有一未知電容值之電容器；在偵測到一時脈之一已知時間週期之開始時閉合該電流導引開關；在偵測到一具有一已知時間週期之時脈的開始時自該恆定電流源將具有該未知電容值之該電容器充電；在偵測到具有該已知時間週期之時脈的終止時將該電容器上之一電壓轉換成其一數位表 示；及將該電壓之數位表示轉換成一電容值。將該電壓之數位表示轉換成該電容值的步驟可包含自該電壓之數位表示及該時脈之已知時間週期計算該電容值的步驟。
根據本揭示案之另一特定實例實施例，一用於量測一長時間週期之裝置可包含：一時脈間隔計數器，其具有一耦合至一系統時脈之時脈輸入，其中該時脈間隔計數器在一事件之開始後開始計數系統時脈循環且在該事件之終止後停止計數系統時脈循環；一第一時間量測單元，其包含：一第一恆定電流源；一第一電流導引開關，其耦接至該第一恆定電流源；一第一電容器，其耦接至該第一電流導引開關，該第一電容器具有一已知電容值，其中當該第一電流導引開關將該第一恆定電流源耦接至該第一電容器時，該第一電容器上之一第一電壓實質上隨時間線性增加；一第一電路，其用於控制該第一電流導引開關，其中該第一電流導引開關在該第一電路偵測到該事件之開始時將該第一電容器耦接至該第一恆定電流源且在該第一電路偵測到在該事件之開始後出現的系統時脈循環時將該第一電容器自該第一恆定電流源去耦；一第二時間量測單元，其包含：一第二恆定電流源；一第二電流導引開關，其耦接至該第二恆定電流源；一第二電容器，其耦接至該第二電流導引開關，該第二電容器具有一已知電容值，其中當該第二電流導引開關將該第二恆定電流源耦接至該第二電容器時，該第二電容器上之一第二電壓實質上隨時間線性增加；一第二電路，其用於控制該第二電流導引開關，其中 該第二電流導引開關在該第二電路偵測到該事件之終止時將該第二電容器耦接至該第二恆定電流源且在該第二電路偵測到在該事件之終止後出現的系統時脈循環時將該第二電容器自該第二恆定電流源去耦；一類比至數位轉換器(ADC)，其用於將該第一電壓及該第二電壓分別轉換成其第一數位表示及第二數位表示；及一數位處理器，其中該數位處理器在判定該事件之一時間週期時分別將該第一電壓及該第二電壓之第一數位表示及該第二數位表示分別轉換成第一時間值及第二時間值，自該時脈間隔計數器讀取該等系統時脈循環之計數，將該等系統時脈循環之計數轉換成一第三時間值，將該第一時間值加至該第三時間值，且自該第一時間值與該第三時間值之和減去該第二時間值。該數位處理器可分別自該第一電容器及該第二電容器之已知電容值及該第一電壓及該第二電壓之第一數位表示及第二數位表示計算該第一時間值及該第二時間值。
根據本揭示案之另一特定實例實施例，一用於量測一長時間週期之方法可包含以下步驟：判定一第三時間值，其包含以下步驟：在一事件之開始後計數系統時脈循環且直至該事件之終止為止，及將系統時脈之一時間間隔乘以已計數之系統時脈循環的一數目以判定第三時間值；判定一第一時間值，其包含以下步驟：提供一第一恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第一電容器；在偵測到該事件之開始時自該第一恆定電流源將具有該已知電容值之該第一電容器充電；在偵測到在該事件之開始後出現之系統時 脈循環時將該第一電容器上之一第一電壓轉換成其一第一數位表示；及將該第一電壓之第一數位表示轉換成該第一時間值，其中該第一時間值表示一處於該事件之開始與在該事件之開始後出現之系統時脈循環之間的第一時間週期；判定一第二時間值，其包含以下步驟：提供一第二恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第二電容器；在偵測到該事件之終止時自該第二恆定電流源將具有該已知電容值之該第二電容器充電；在偵測到在該事件之終止後出現之系統時脈循環時將該第二電容器上之第二電壓轉換成其一第二數位表示；及將所取樣之第二電壓之第二數位表示轉換成該第二時間值，其中該第二時間值表示一處於該事件之終止與在該事件之終止後出現之系統時脈循環之間的第二時間週期；及判定該事件之一時間週期，其包含以下步驟：將該第一時間值加上該第三時間值；及自該第一時間值與該第三時間值之和減去該第二時間值。將所取樣之第一電壓及所取樣之第二電壓之數位表示轉換成第一時間值及第二時間值的步驟可包含分別自已知電容值及第一電壓及第二電壓之第一數位表示及第二數位表示計算第一時間值及第二時間值的步驟。
根據本揭示案之另一特定實例實施例，一用於產生一時間延遲事件之裝置可包含：一第一時間量測單元，其包含：一第一恆定電流源；一第一電流導引開關，其耦接至該第一恆定電流源；一第一電容器，其耦接至該第一電流導引開關，該第一電容器具有一已知電容值，其中當該第 一電流導引開關將該第一恆定電流源耦接至該第一電容器時，該第一電容器上之一第一電壓實質上隨時間線性增加；一第一電路，其用於控制該第一電流導引開關，其中該第一電流導引開關在該第一電路偵測到一事件之開始時將該第一電容器耦接至該第一恆定電流源；一第二時間量測單元，其包含：一第二恆定電流源；一第二電流導引開關，其耦接至該第二恆定電流源；一第二電容器，其耦接至該第二電流導引開關，該第二電容器具有一已知電容值，其中當該第二電流導引開關將該第二恆定電流源耦接至該第二電容器時，該第二電容器上之一第二電壓實質上隨時間線性增加；一第二電路，其用於控制該第二電流導引開關，其中該第二電流導引開關在該第二電路偵測到該事件之終止時將該第二電容器耦接至該第二恆定電流源；一第一類比比較器，其具有一用於接收該第一電壓之正輸入及一用於接收一第一參考電壓之負輸入；及一第二類比比較器，其具有一用於接收該第二電壓之負輸入及一用於接收一第二參考電壓之正輸入；其中一延遲事件之開始在該第一電壓等於或大於該第一參考電壓時發生，且該延遲事件之終止在該第二電壓等於或大於該第二參考電壓時發生。
根據本揭示案之再一特定實例實施例，一用於產生一時間延遲事件之方法可包含以下步驟：起始一時間延遲事件，其包含以下步驟：提供一第一恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第一電容器；閉合該第一電流導引開 關；在偵測到一事件之開始時自該第一恆定電流源將該第一電容器充電；將該第一電容器上之一第一電壓與一第一參考電壓比較；及在該第一電壓等於或大於該第一參考電壓時起始該時間延遲事件；及終止該時間延遲事件，其包含以下步驟：提供一第二恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第二電容器；在偵測到該事件之終止時自該第二恆定電流源將該第二電容器充電；將該第二電容器上之一第二電壓與一第二參考電壓比較；及在該第二電壓等於或大於該第二參考電壓時終止該時間延遲事件。
現參看圖式，示意性地說明實例實施例之細節。在圖式中，相似元件將由相似數字表示，且類似元件將由具有不同小寫字母字尾之相似數字表示。
參看圖1，描繪一自一恆定電流源充電之電容器的時間-電壓曲線圖。當一電容器118經由一恆定電流源104充電時，越過電容器118之電壓V根據方程式(1)隨時間線性增加：I=C*dV/dT　　　方程式(1)其中C為電容器118之電容值，I為來自恆定電流源104之電流且V為在時間T處電容器118上之電壓。當已知電流I；時間T；及電壓V中之任兩個值時，可自該兩個已知值計算出另一未知值。舉例而言，若已知電容器118之電容及來自恆定電流源104之充電電流，則可判定電壓V1 下之時間T1 及電壓V2 下之時間T2 。以一類似型式，若已知電壓V1 及 V2 (例如，V1 與V2 之間的電壓差)及時間T1 與T2 之間的消逝時間，則可判定電容C。
現參看圖2，描繪一根據本揭示案之一特定實例實施例之高解析度時間週期量測電路的示意圖。大體由數字200表示之高解析度時間量測電路可包含一恆定電流源104、電流導引開關112與114、一電容器118、一可選電壓取樣開關116及一電荷汲極開關120。可藉由閉合電荷汲極開關120將電容器118初始化為實質上零電荷，以使電容器118上之任何電荷(電壓)得以移除(短路至接地或共同，Vss)。電容器118上之一初始電荷(電壓)亦可藉由閉合電壓取樣開關116而用一類比至數位轉換器(ADC)108(例如，Σ-Δ)取樣彼電壓來判定。電容器118可為一切換式電容器逐次漸近類比至數位轉換器之部分，其中電壓取樣開關116為不必要的。
電流導引開關112及114可為整合至一積體電路基板(未圖示)上之場效電晶體及其類似物，該基板亦可含有本文中更充分論述之其他數位邏輯及類比電路。電流導引開關112及114經組態以使恆定電流源104始終經歷一負載，亦即，當開關114閉合且開關112斷開時恆定電流源104耦接至共同(Vss)，且當開關112閉合且開關114斷開時恆定電流源104耦接至電容器118。電流導引開關112及114可由一起始/終止控制信號132予以控制。舉例而言，當起始/終止控制信號132處於一邏輯"0"(低)時，開關114閉合且開關112斷開，或當起始/終止控制信號132處於一邏輯"1"(高)時， 開關114斷開且開關112閉合。恆定電流源104直接視如藉由上文中之方程式1所判定之電流導引開關112閉合之時間長度而將電容器118充電至一電壓值。
起始/終止控制信號132在時間週期待判定之事件起始(開始)時在發生一正(例如，邏輯0至邏輯1)轉變(例如，↑事件邊緣1)後即可轉至一邏輯1。電容器118將由恆定電流源104充電，直至電流導引開關112因起始/終止控制信號132在時間週期待判定之事件終止時在發生一負(例如，邏輯1至邏輯0)轉變(例如，↓事件邊緣2)後即返回至一邏輯0而斷開為止。
可用一包含一第一正反器126、一第二正反器128、一及閘124及一反及閘130之邏輯電路產生起始/終止控制信號132。在事件發生之前，已重設第一正反器126及第二正反器128，以使Q輸出處於一邏輯0(第一正反器126及第二正反器128係在反及閘130之輸出轉至一邏輯0時予以重設或經由其他外部重設(例如，藉由數位處理器106)予以重設)。處於邏輯0之此等Q輸出使得及閘124輸出處於一邏輯0。及閘124之輸出產生起始/終止控制信號132。當↑事件邊緣1在第一正反器126之時脈輸入處出現時，其Q輸出轉至一邏輯1。因為第二正反器128之Q非輸出亦係處於一邏輯1，故及閘124之輸出將轉至一邏輯1，因此產生一用於起始/終止控制信號132之邏輯1。
當起始/終止控制信號132處於一邏輯1時，電流導引開關112閉合(接通)且恆定電流源104開始對電容器118充電。 恆定電流源104持續對電容器118充電，直至起始/終止控制信號132返回至一邏輯0為止，藉此斷開(切斷)電流導引開關112。在此特定實例中，當及閘124之輸入中之一或多者處於一邏輯0時，其輸出(亦即，起始/終止控制信號132)將轉至一邏輯0。當↓事件邊緣2在第二正反器128之時脈輸入處出現時，及閘124之一輸入處之一邏輯0出現。因此，電容器118僅在↑事件邊緣1之出現與↓事件邊緣2之出現之間充電。
藉由在↓事件邊緣2後用一類比至數位轉換器(ADC)108量測電容器118上之電壓，可將一表示↑事件邊緣1與↓事件邊緣2之間的時間間隔(週期)之電壓與電容器118之已知電容值結合使用以計算具有極精確解析度之時間間隔。舉例而言，事件時間週期之計算值可用一執行上文中方程式(1)之計算之數位處理器106藉由使用電容器118上之所量測之電壓及其已知電容值來判定。因此，時間週期量測精度為ADC 108解析度(例如，10或12個位元)及電容器118之所量測之電容之精確度的函數。
電荷汲極開關120及電壓取樣開關116僅用於標準取樣及保持操作，其中電容器118可為將一所取樣類比電壓饋至ADC 108之類比輸入之取樣及保持電路的部分，或可為一逐次漸近ADC的部分。高解析度時間週期量測電路200、ADC 108及數位處理器106可製造於一積體電路晶粒250上，且積體電路晶粒250可封閉於一積體電路封裝(未圖示)中。
現參看圖3，描繪一根據本揭示案之另一特定實例實施例之高解析度電容量測電路的示意圖。大體由數字300表示之高解析度電容量測電路可包含一恆定電流源104、電流導引開關112及114、一可選電壓取樣開關116、一電荷汲極開關120，及用於耦接至一待量測之外部電容器318的連接端子326及324。可藉由閉合電荷汲極開關120將外部電容器318上之電荷初始化為實質上為零，以使外部電容器318上之任何電荷(電壓)得以移除(短路至接地或共同，Vss)。外部電容器318上之一初始電荷(電壓)亦可藉由閉合電壓取樣開關116而用一類比至數位轉換器(ADC)108(例如，Σ-Δ)取樣彼電壓來判定。一電容器328表示高解析度電容量測電路300之雜散電路電容，可在計算外部電容器318之電容值時判定其電容貢獻且析出因數。電容器328可為一切換式電容器逐次漸近類比至數位轉換器之部分，其中電壓取樣開關116為不必要的。
電流導引開關112及114可為整合至一積體電路基板(未圖示)上之場效電晶體及其類似物，該基板亦可含有本文中更充分論述之其他數位邏輯及類比電路。電流導引開關112及114經組態以使恆定電流源104始終經歷一負載，亦即，當開關114閉合且開關112斷開時恆定電流源104耦接至共同(Vss)，且當開關112閉合且開關114斷開時恆定電流源104耦接至電容器118。電流導引開關112及114可由一起始/終止控制信號132控制。舉例而言，當起始/終止控制信號132處於一邏輯"0"(低)時，開關114閉合且開關112斷 開，或當起始/終止控制信號132處於一邏輯"1"(高)時，開關114斷開且開關112閉合。恆定電流源104直接視如藉由上文中之方程式1所判定之電流導引開關112閉合之時間長度而將電容器318及328充電至一電壓值。
起始/終止控制信號132在發生一正(例如，邏輯0至邏輯1)轉變(例如，↑系統時脈)後即可轉至一邏輯1。電容器318及328將由恆定電流源104充電，直至電流導引開關112因起始/終止控制信號132在發生一負(例如，邏輯1至邏輯0)轉變(例如，↓系統時脈)後即返回至一邏輯0而斷開為止。
起始/終止控制信號132可用一包含一第一正反器126、一第二正反器128、一及閘124及一反及閘130之邏輯電路產生。在↑系統時脈之前，第一正反器126及第二正反器128已經重設，以使Q輸出處於一邏輯0(第一正反器126及第二正反器128係在反及閘130之輸出轉至一邏輯0時重設或經由其他外部重設(例如，藉由數位處理器106)來重設)。處於邏輯0之此等Q輸出使得及閘124輸出處於一邏輯0。及閘124之輸出產生起始/終止控制信號132。當↑系統時脈在第一正反器126之時脈輸入處出現時，其Q輸出轉至一邏輯1。因為第二正反器128之Q非輸出亦係處於一邏輯1，故及閘124之輸出將轉至一邏輯1，因此產生一用於起始/終止控制信號132之邏輯1。
當起始/終止控制信號132處於一邏輯1時，電流導引開關112閉合(接通)且恆定電流源104開始對電容器318及328充電。恆定電流源104持續對電容器318及328充電，直至 起始/終止控制信號132返回至一邏輯0為止，藉此斷開(切斷)電流導引開關112。在此特定實例中，當及閘124之輸入中之一或多者處於一邏輯0時，其輸出(亦即，起始/終止控制信號132)將轉至一邏輯0。當↓系統時脈在第二正反器128之時脈輸入處出現時，及閘124之一輸入處之一邏輯0出現。因此，電容器318及328僅經一處於↑系統時脈與↓系統時脈之間的時間週期充電。系統時脈頻率(亦即，↑系統時脈與↓系統時脈之間的週期)可自一高穩定且精確之晶體振盪器產生。
藉由在↓系統時脈後用一類比至數位轉換器(ADC)108量測電容器318及328上之電壓，可將一表示↑系統時脈與↓系統時脈之間的時間間隔(週期)之電壓與系統時脈之已知週期(時間間隔)結合使用以計算電容器318與328之並聯組合的電容值，接著可針對未知電容器318之電容值自此結果減去電容器328之已知電容值。舉例而言，未知電容器318之電容值之計算值可用一執行上文中方程式(1)之計算之數位處理器106藉由使用電容器318及328上之所量測之電壓及已知系統時脈週期(例如，↑系統時脈與↓系統時脈之間的時間間隔)來判定。因此，電容量測精度為ADC 108解析度(例如，10或12個位元)及系統時脈頻率之精確度(解析度)的函數。
電荷汲極開關120及電壓取樣開關116僅用於標準取樣及保持操作，其中電容器328可為將一所取樣類比電壓饋至ADC 108之類比輸入之取樣及保持電路的部分，或可為一 逐次漸近ADC的部分。高解析度電容量測電路300、ADC 108及數位處理器106可製造於一積體電路晶粒350上，且積體電路晶粒350可封閉於一積體電路封裝(未圖示)中。
預期且處於本揭示案之範疇內，高解析度電容量測電路300可在判定一電容觸摸式感應器何時已得到啟動時量測電容觸摸式感應器之電容。
現參看圖4及圖5，根據本揭示案之又一特定實例實施例描繪高解析度長時間週期量測電路的示意性方塊圖及圖4之高解析度長時間週期量測電路的示意性時序圖。大體由400表示之高解析度長時間週期量測電路可包含一時脈間隔計數器402、一第一時間量測單元404、一第二時間量測單元406、一類比多工器408及邏輯電路，該等邏輯電路可包含正反器410、412及418；反相器414及420(兩者可組合成一個反相器)，及反及閘416。另外，一類比至數位轉換器(ADC)108及數位處理器106可用於判定長時間週期量測之一時間週期。高解析度長時間週期量測電路400、ADC 108及數位處理器106可製造於一積體電路晶粒450上，且積體電路晶粒450可封閉於一積體電路封裝(未圖示)中。
第一量測單元404及第二量測單元406可以與上文中所述之高解析度時間量測電路200實質上相同之方式操作。根據本揭示案之教示，其中當一↑事件邊緣1施加於正反器412之時脈輸入時，其Q輸出轉至一邏輯1且對第一時間量測單元404之起始/終止輸入產生一邏輯1信號426，藉此一第一定時電容器(未圖示)開始充電，直至出現一↑系統時脈 循環為止，藉此正反器412經重設且信號426返回至一邏輯0。此提供如圖5中所示之時間週期Ta 的量測。↑事件邊緣1亦在正反器410之Q輸出轉至一邏輯1時啟用時脈間隔計數器402，藉此對時脈間隔計數器402之啟用輸入產生一啟用信號424。一旦時脈間隔計數器402之啟用輸入得到啟用，便如圖5中所示在其中計數↑系統時脈循環。當一↓事件邊緣2出現時，正反器418之Q輸出轉至一邏輯1且第二時間量測單元406開始對一第二定時電容器(未圖示)充電，直至出現一↑系統時脈循環為止。此提供如圖5中所示之時間週期Tb 之量測。在出現↑系統時脈循環後，第二時間量測單元406即停止對第二定時電容器(未圖示)充電，且時脈間隔計數器402不再經啟用且將藉此停止計數↑系統時脈循環。
反相器424及420(可為相同反相器-未圖示)在出現每一↑系統時脈循環時分別清零(重設)正反器412及418。因此，藉由第一時間量測單元402及第二時間量測單元406所量測之時間週期始終小於一個系統時脈循環。然而，當將所得計算出之高解析度時間週期Ta 及Tb 與來自時脈間隔計數器402之已消逝之系統時脈循環計數組合時，可僅視系統時脈振盪器(大體受晶體控制)之頻率穩定性及精確度以及ADC 108在讀取第一定時電容器及第二定時電容器(未圖示)上之定時電壓時的解析度而用極精細解析度量測極長時間週期事件。
時脈間隔計數器輸出可經一數位資料匯流排430耦合至數位處理器106。第一定時電容器及第二定時電容器(未圖 示)上之電壓可分別經由類比信號434及436耦合至多工器408。又，多工器408將經由類比信號432將此等類比電壓中之每一者耦合至ADC 108。ADC 108之輸出可經由一數位資料匯流排438耦合至數位處理器106。
高解析度長時間週期量測電路400、ADC 108、類比多工器498及數位處理器106可製造於一積體電路晶粒(未圖示)上，且積體電路晶粒可封閉於一積體電路封裝(未圖示)中。
參看圖5，可藉由將Ta 加至由時脈間隔計數器402所計數之系統時脈循環Tsc 之數目的累積時間(所示之六個系統時脈循環)且減去Tb 來計算事件時間週期。因此，事件的第一次發生由第一量測單元404俘獲作為時間週期Ta ，直至時脈間隔計數器402接收一後續↑系統時脈循環為止，接著第二量測單元406判定一表示事件之終止與一時間上後續之↑系統時脈循環之間的時間週期的時間週期Tb 。根據本揭示案之教示，此允許長時間週期事件之極高解析度量測。
現參看圖6及圖7，根據本揭示案之又一特定實例實施例分別描繪一高解析度時間延遲電路的示意性方塊圖及圖6之高解析度時間延遲電路的示意性時序圖。大體由數字600表示之高解析度時間延遲電路可包含一第一時間量測單元602、一第二時間量測單元604、一第一類比比較器610、一第二類比比較器612、一及閘614、一第一數位至類比轉換器(DAC)616、一第二數位至類比轉換器(DAC)618，以及第一正反器606及第二正反器608。另外， 根據本揭示案之教示，一數位處理器102可發送數位延遲設定點至DAC 616及618。高解析度時間延遲電路600、DAC 616及618以及數位處理器106可製造於一積體電路晶粒650上，且積體電路晶粒650可封閉於一積體電路封裝(未圖示)中。
第一時間量測單元602及第二時間量測單元604可以與上文中所述之高解析度時間量測電路200實質上相同之方式操作。根據本揭示案之教示，其中當一↑事件邊緣1施加於正反器606之時脈輸入時，其Q輸出轉至一邏輯1且對第一時間量測單元602之起始/終止輸入產生一邏輯1信號，藉此一第一定時電容器(未圖示)開始充電。一類比輸入比較器610將第一定時電容器上之電壓與一第一參考電壓VREF1 比較，其中當第一定時電容器上之電壓等於或大於第一參考電壓VREF1 時，比較器610之一輸出轉至一邏輯1，藉此及閘614之一輸出轉至一邏輯1。及閘614之輸出為一延遲事件且該延遲事件可在時間上自事件延遲一等於TVREF1 之時間，參見圖7。TVREF1 直接與第一參考電壓VREF1 成比例，且可藉由改變參考電壓VREF1 之值而在時間上變化。
根據本揭示案之教示，當一↓事件邊緣2出現時，正反器608之Q輸出轉至一邏輯1且第二時間量測單元406開始對一第二定時電容器(未圖示)充電。一類比輸入比較器612將第二定時電容器上之電壓與一第二參考電壓VREF2 比較，其中當第二定時電容器上之電壓大於第二參考電壓VREF2 時，比較器612之一輸出轉至一邏輯0，藉此及閘614之輸 出轉至一邏輯0。及閘614之輸出為延遲事件且該延遲事件之終止可在時間上自事件之終止延遲一等於TVREF2 之時間，參見圖7。TVREF2 直接與第二參考電壓VREF2 成比例，且可藉由改變第二參考電壓VREF2 之值而在時間上變化。第一參考電壓VREF1 及第二參考電壓VREF2 可相同，例如來自同一來源，藉此產生一具有與原始事件實質上相同之時間週期但在時間上延遲了延遲時間TVREF 的延遲事件。
雖然已參考本揭示案之實例實施例描繪、描述及界定了本揭示案之實施例，但該等參考並不暗示對本揭示案之限制，且將不推斷該等限制。如一般熟習相關技術者將想到且具有本揭示案之益處，所揭示之標的物能夠在形式及功能上具有相當修改、變更及等效物。本揭示案之所描繪及描述之實施例僅為實例，且並非窮舉本揭示案之範疇。
104‧‧‧恆定電流源
106‧‧‧數位處理器
108‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
112‧‧‧電流導引開關
114‧‧‧電流導引開關
116‧‧‧電壓取樣開關
118‧‧‧電容器
120‧‧‧電荷汲極開關
124‧‧‧及閘
126‧‧‧第一正反器
128‧‧‧第二正反器
130‧‧‧反及閘
132‧‧‧起始/終止控制信號
200‧‧‧高解析度時間量測電路
250‧‧‧積體電路晶粒
300‧‧‧高解析度電容量測電路
318‧‧‧外部電容器
324‧‧‧連接端子
326‧‧‧連接端子
328‧‧‧電容器
350‧‧‧積體電路晶粒
400‧‧‧高解析度長時間週期量測電路
402‧‧‧時脈間隔計數器
404‧‧‧第一時間量測單元/第一量測單元
406‧‧‧第二時間量測單元/第二量測單元
408‧‧‧類比多工器
410‧‧‧正反器
412‧‧‧正反器
414‧‧‧反相器
416‧‧‧反及閘
418‧‧‧正反器
420‧‧‧反相器
424‧‧‧啟用信號
426‧‧‧邏輯1信號
430‧‧‧數位資料匯流排
432‧‧‧類比信號
434‧‧‧類比信號
436‧‧‧類比信號
438‧‧‧數位資料匯流排
450‧‧‧積體電路晶粒
600‧‧‧高解析度時間延遲電路
602‧‧‧第一時間量測單元
604‧‧‧第二時間量測單元
606‧‧‧第一正反器
608‧‧‧第二正反器
610‧‧‧第一類比比較器/類比輸入比較器
612‧‧‧第二類比比較器/類比輸入比較器
614‧‧‧及閘
616‧‧‧第一數位至類比轉換器(DAC)
618‧‧‧第二數位至類比轉換器(DAC)
650‧‧‧積體電路晶粒
C‧‧‧電容
I‧‧‧電流
T1 ‧‧‧時間
T2 ‧‧‧時間
Ta ‧‧‧時間週期
Tb ‧‧‧時間週期
Tsc ‧‧‧系統時脈循環
TVREF1 ‧‧‧時間
TVREF2 ‧‧‧時間
V‧‧‧電壓
V1 ‧‧‧電壓
V2 ‧‧‧電壓
圖1為一自一恆定電流源充電之電容器的時間-電壓曲線圖；圖2為一根據本揭示案之一特定實例實施例之高解析度時間週期量測電路的示意圖；圖3為一根據本揭示案之另一特定實例實施例之高解析度電容量測電路的示意圖；圖4為一根據本揭示案之又一特定實例實施例之高解析度長時間週期量測電路的示意性方塊圖；圖5為圖4之高解析度長時間週期量測電路的示意性時序圖； 圖6為一根據本揭示案之再一特定實例實施例之高解析度時間延遲電路的示意性方塊圖；及圖7為圖6之高解析度時間延遲電路的示意性時序圖。
雖然本揭示案易於有各種修改及替代形式，但其特定實例實施例已展示於圖式中且在本文中得到詳細描述。然而，應理解本文中對特定實例實施例之描述並不意欲將本揭示案限於本文中所揭示之特定形式，而相反地，本揭示案將涵蓋如由隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效物。
104‧‧‧恆定電流源
106‧‧‧數位處理器
108‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
112‧‧‧電流導引開關
114‧‧‧電流導引開關
116‧‧‧電壓取樣開關
118‧‧‧電容器
120‧‧‧電荷汲極開關
124‧‧‧及閘
126‧‧‧第一正反器
128‧‧‧第二正反器
130‧‧‧反及閘
132‧‧‧起始/終止控制信號
200‧‧‧高解析度時間量測電路
250‧‧‧積體電路晶粒

Claims (8)

  1. 一種用於量測一長時間週期之裝置，其包含：一時脈間隔計數器，其具有一耦合至一系統時脈之時脈輸入，其中該時脈間隔計數器在一事件之一開始後開始計數系統時脈循環且在該事件之一終止後停止計數系統時脈循環；一第一時間量測單元，其包含：一第一恆定電流源；一第一電流導引開關，其耦接至該第一恆定電流源；一第一電容器，其耦接至該第一電流導引開關，該第一電容器具有一已知電容值，其中當該第一電流導引開關將該第一恆定電流源耦接至該第一電容器時，該第一電容器上之一第一電壓實質上隨時間線性增加；一第一電路，其用於控制該第一電流導引開關，其中該第一電流導引開關在該第一電路偵測到該事件之該開始時將該第一電容器耦接至該第一恆定電流源且在該第一電路偵測到在該事件之該開始後出現的該系統時脈循環時將該第一電容器自該第一恆定電流源去耦；一第二時間量測單元，其包含：一第二恆定電流源；一第二電流導引開關，其耦接至該第二恆定電流 源；一第二電容器，其耦接至該第二電流導引開關，該第二電容器具有一已知電容值，其中當該第二電流導引開關將該第二恆定電流源耦接至該第二電容器時，該第二電容器上之一第二電壓實質上隨時間線性增加；一第二電路，其用於控制該第二電流導引開關，其中該第二電流導引開關在該第二電路偵測到該事件之該終止時將該第二電容器耦接至該第二恆定電流源且在該第二電路偵測到在該事件之該終止後出現的該系統時脈循環時將該第二電容器自該第二恆定電流源去耦；一類比至數位轉換器(ADC)，其用於將該第一電壓及該第二電壓分別轉換成其第一數位表示及第二數位表示；及一數位處理器，其中該數位處理器在判定該事件之一時間週期時，分別將該第一電壓及該第二電壓之該第一數位表示及該第二數位表示分別轉換成第一時間值及第二時間值，自該時脈間隔計數器讀取該等系統時脈循環之計數，將該等系統時脈循環之該計數轉換成一第三時間值，將該第一時間值加至該第三時間值，且自該第一時間值與該第三時間值之和減去該第二時間值。
  2. 如請求項1之裝置，其中該數位處理器分別自該第一電容器與該第二電容器之該等已知電容值及該第一電壓與 該第二電壓之該第一數位表示與該第二數位表示計算該第一時間值與該第二時間值。
  3. 如請求項1之裝置，其進一步包含一用於將該第一電壓及該第二電壓耦合至該ADC之類比多工器。
  4. 如請求項1之裝置，其中該數位處理器為一微控制器。
  5. 如請求項1之裝置，其中該時脈間隔計數器、該第一恆定電流源及該第二恆定電流源、該第一電流導引開關及該第二電流導引開關、該第一電容器及該第二電容器、用於閉合及斷開該等電流導引開關之該第一電路及該第二電路、該電壓取樣電路、該ADC及該數位處理器係製造於一積體電路晶粒上。
  6. 如請求項5之裝置，其中該積體電路晶粒係封閉於一積體電路封裝中。
  7. 一種用於量測一長時間週期之方法，該方法包含以下步驟：判定一第三時間值，其包含以下步驟：在一事件之一開始後計數系統時脈循環且直至該事件之一終止為止，及將該系統時脈之一時間間隔乘以已計數之系統時脈循環的一數目以判定該第三時間值；判定一第一時間值，其包含以下步驟：提供一第一恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第一電容器；在偵測到該事件之該開始時，自該第一恆定電流源 將具有該已知電容值之該第一電容器充電；在偵測到在該事件之該開始後出現之該系統時脈循環時，將該第一電容器上之一第一電壓轉換成其一第一數位表示；及將該第一電壓之該第一數位表示轉換成該第一時間值，其中該第一時間值表示一處於該事件之該開始與在該事件之該開始後出現的該系統時脈循環之間的第一時間週期；判定一第二時間值，其包含以下步驟：提供一第二恆定電流源；提供一具有一已知電容值之第二電容器；在偵測到該事件之該終止時，自該第二恆定電流源將具有該已知電容值的該第二電容器充電；在偵測到在該事件之該終止後出現之該系統時脈循環時，將該第二電容器上之該第二電壓轉換成其一第二數位表示；及將該所取樣之第二電壓之該第二數位表示轉換成該第二時間值，其中該第二時間值表示一處於該事件之該終止與在該事件之該終止後出現的該系統時脈循環之間的第二時間週期；及判定該事件之一時間週期，其包含以下步驟：將該第一時間值加上該第三時間值；及自該第一時間值與該第三時間值之和減去該第二時間值。
  8. 如請求項7之方法，其中將該所取樣之第一電壓及該所取樣之第二電壓之該等數位表示轉換成該第一時間值及該第二時間值的該等步驟包含：分別自該等已知電容值及該第一電壓與該第二電壓之該第一數位表示與該第二數位表示計算該第一時間值及該第二時間值的步驟。
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