TWI746342B - 時序誤差的偵測電路 - Google Patents

Abstract

一種時序誤差的偵測電路，包含第一通道、第二通道、第三通道、波形轉換單元、採樣單元及比較單元。該第一通道至該第三通道接收第一參考訊號以產生一組訊號。該波形轉換單元接收該組訊號以產生一組控制訊號。該採樣單元使用該組控制訊號採樣第二參考訊號，以產生一組採樣訊號。該比較單元根據該組採樣訊號以產生一組比較訊號。該第三通道為已知通道，且該組比較訊號用以計算該第一通道及該第二通道的相位差。

Description

時序誤差的偵測電路

本發明關於一種時序誤差的偵測電路，尤指一種使用已知通道以求得待測通道之時序誤差的偵測電路。

於訊號偵測之領域，有求取兩通道之時序誤差(相位差)之需求。 舉例而言，發射聲波後，若可求得回傳的訊號於兩通道傳送之時序誤差，則可據以求得被測物的距離及深度。

若欲求取兩通道之間的時序誤差，可量測訊號通過兩通道分別所需的時間，將兩時間予以相減。此法雖可得到時序誤差，但須使用量測儀器，及進一步分析量測結果，故於硬體及軟體需求上難以簡化。本領域中，兩通道的相位的先後關係也難以確認。此外，精密度亦為一大難題，當兩通道之間的相位差頗為微小，本領域缺乏妥適且簡化的解決方案，以求得微小的相位差。

實施例提供一種時序誤差的偵測電路，包含一第一通道、一第二通道、一第三通道、一波形轉換單元、一採樣單元及一比較單元。該第一通道接收一第一參考訊號以產生一第一訊號。該第二通道接收該第一參考訊號以產生一第二訊號。該第三通道，接收該第一參考訊號以產生一第三訊號。該波形轉換單元，接收該第一訊號、該第二訊號及該第三訊號以分別產生一第一控制訊號、一第二控制訊號及一第三控制訊號。該採樣單元使用該第一控制訊號、該第二控制訊號及該第三控制訊號分別採樣一第二參考訊號，以產生一第一採樣訊號、一第二採樣訊號及一第三採樣訊號。該比較單元，根據該第一採樣訊號、 該第二採樣訊號及該第三採樣訊號以分別產生一第一比較訊號、一第二比較訊號及一第三比較訊號。該第一通道及該第二通道為待測通道，且該第三通道為已知通道，且該第一比較訊號、該第二比較訊號及該第三比較訊號用以計算該第一通道及該第二通道的一相位差。

另一實施例提供一種時序誤差的偵測電路，包含一第一通道、一第二通道、一第三通道及一比較單元。該第一通道接收一參考訊號以產生一第一訊號。該第二通道接收該參考訊號以產生一第二訊號。該第三通道接收該參考訊號以產生一第三訊號。該比較單元根據該一第一訊號、該第二訊號及該第三訊號以分別產生一第一比較訊號、一第二比較訊號及一第三比較訊號。該第一通道及該第二通道為待測通道，且該第三通道為已知通道，且該第一比較訊號、該第二比較訊號及該第三比較訊號用以計算該第一通道及該第二通道的一相位差。

300,700:偵測電路

x(t):第一參考訊號

y(t):第二參考訊號

CH1,CH2,CHR:通道

x1,x2,xR:訊號

310:波形轉換單元

311,312,31R:波形轉換器

Sc1,Sc2,ScR:控制訊號

320:採樣單元

SW1,SW2,SWR:開關

S1,S2,SR:採樣訊號

VREF:參考電壓

ta,tb,tc:時點

330,730:比較單元

331,332,33R:比較器

D1(t),D2(t),DR(t):比較訊號

511,512:截波器

520:比較元件

CKc:截波時脈訊號

第1圖為實施例中，第一參考訊號輸入兩通道的示意圖。

第2圖為另一實施例中，第一參考訊號輸入三通道的示意圖。

第3圖為實施例中，時序誤差的偵測電路的示意圖。

第4圖為實施例中，第二參考訊號的示意圖。

第5圖為第3圖之比較單元中，每一比較器的示意圖。

第6圖為第5圖之比較器使用於第3圖之偵測電路的示意圖。

第7圖為另一實施例中，時序誤差的偵測電路的示意圖。

為了處理上述難題，實施例提供時序誤差的偵測電路如下述。第1圖 為實施例中，第一參考訊號x(t)輸入兩通道的示意圖。如第1圖所示，當第一參考訊號x(t)經由第一通道CH1及第二通道CH2傳送，其相位與振幅會改變，輸出後可分別表示為第一訊號x1及第二訊號x2。第一訊號x1及第二訊號x2可分別表示為A1*x(t+T1)及A2*x(t+T2)，其中*為乘法符號，A1與A2對應於振幅，T1與T2分別為第一通道CH1與第二通道CH2造成的延遲。第一通道CH1與第二通道CH2的相位差可表示為△T=T1-T2。若系統欲知△T，可計算訊號間的交互關聯(cross-correlation)：

且須評估經過通道響應(channel response)後的振幅A1與A2，故可計算交互關聯係數：

如此才能消除振幅的項，以評估相位差。

舉例來說，若第一參考訊號x(t)為弦波，且表示為sin(2πft)，其中f為頻率，π為圓周率，且t為時間。根據上述，第一參考訊號x(t)經過第一通道CH1與第二通道CH2後，可分別表示為x1=sin(2πft)=A1sin(2πf(t+T1))及x2=A2sin(2πf(t+T2))。代入算式(2)，可得算式(3)：

若系統的頻率為已知，方可得到相位差(T1-T2)，也就是△T。算式(3)中，由於cos為偶函數，故雖可得到(T1-T2)的值，但無法得知第一訊號x1及第二訊號x2的先後關係。為了得知先後關係，可使用第2圖之架構。

第2圖為另一實施例中，第一參考訊號x(t)輸入三通道的示意圖。第2圖與第1圖的差異在於，第一參考訊號x(t)可另進入第三通道CHR，以產生第三訊號xR=AR*x(t+TR)，其中AR對應於振幅，TR為第三通道CHR造成的延遲。其中，藉由適宜的設計，第三通道CHR的延遲TR可小於第一通道CH1的延遲T1， 且小於第二通道CH2的延遲T2。第三通道CHR於此可為虛設(dummy)通道，也就是已知的參考通道，用以求得相位差△T。比較第一通道CH1及第三通道CHR的交互關聯，及第二通道CH2及第三通道CHR的交互關聯，可得以下算式：

ρ_1R-ρ_2R=-2 sin(πf(T1-T2))sin(πf(T1+T2-2TR)) (6)

假定T1+T2-2TR>0是系統設計上可確定的，則可根據算式(6)之ρ1R-ρ2R的計算，評估訊號的時序相位之極性及大小關係。

然而，須使用較複雜的乘法器等電路，才能執行上述關於振幅及關聯性的計算，故實施例另提供偵測電路，以簡化訊號處理。第3圖為實施例中，時序誤差的偵測電路300的示意圖。偵測電路300包含第一通道CH1、第二通道CH2、第三通道CHR、波形轉換單元310、採樣單元320及比較單元330。第一通道CH1至第三通道CHR分別接收第一參考訊號x(t)以產生第一訊號x1、第二訊號x2及第三訊號xR。

波形轉換單元310接收第一訊號x1、第二訊號x2及第三訊號xR以分別產生第一控制訊號Sc1、第二控制訊號Sc2及第三控制訊號ScR。採樣單元320使用第一控制訊號Sc1、第二控制訊號Sc2及第三控制訊號ScR分別採樣第二參考訊號y(t)，以產生第一採樣訊號S1、第二採樣訊號S2及第三採樣訊號SR。比較單元330根據第一採樣訊號S1、第二採樣訊號S2及第三採樣訊號SR以分別產生第一比較訊號D1(t)、第二比較訊號D2(t)及第三比較訊號DR(t)。其中，第一控制訊號Sc1、第二控制訊號Sc2及第三控制訊號ScR可分別表示為：Sc1=y(t+T1)，Sc2=y(t+T2)及ScR=y(t+TR)。

第一通道CH1及第二通道CH2為待測通道，且第三通道CHR為已知 通道。第一比較訊號D1(t)、第二比較訊號D2(t)及第三比較訊號DR(t)用以計算第一通道CH1及第二通道CH2的相位差△T。

第3圖中，位於波形轉換單元310之前的電路相同於第2圖。然而，第3圖中，不再偵測通過通道的訊號的行為，而是將通過通道的訊號當作控制訊號，用來採樣已知的第二參考訊號y(t)，並透過比較單元330得到三個比較訊號D1(t)、D2(t)及DR(t)。由於第二參考訊號y(t)為已知，因此，計算比較訊號D1(t)、D2(t)及DR(t)之間的交互關聯(cross-correlation)，可得到所求的T1-T2，亦即△T。當比較單元330輸出的比較訊號D1(t)、D2(t)及DR(t)為一位元(1bit)訊號，僅用簡單的數位邏輯即可完成後續的運算工作，故可大為簡化所需的電路複雜度。

根據實施例，如第3圖所示，波形轉換單元310包含第一波形轉換器311、第二波形轉換器312及第三波形轉換器31R，分別接收第一訊號x1、第二訊號x2及第三訊號xR，從而分別產生第一控制訊號Sc1、第二控制訊號Sc2及第三控制訊號ScR。波形轉換器311、312及31R可將訊號x1、x2及xR轉為具有訊號緣之訊號，例如由弦波轉為方波，以便控制採樣單元320。舉例來說，波形轉換器311、312及31R可為反相器。

根據實施例，如第3圖所示，採樣單元320包含第一開關SW1、第二開關SW2及第三開關SWR，分別被第一控制訊號Sc1、第二控制訊號Sc2及第三控制訊號ScR控制，從而分別產生第一採樣訊號S1、第二採樣訊號S2及第三採樣訊號SR。

由於第三通道CHR的延遲TR最短，故第三採樣訊號SR可最先被採樣及輸出。然後，若第一通道CH1的延遲T1短於第二通道CH2的延遲T2，則第一採樣訊號S1會先於第二採樣訊號S2被採樣及輸出；反之，則第二採樣訊號S2會後於第一採樣訊號S1被採樣及輸出。

根據實施例，如第3圖所示，比較單元330包含第一比較器331、第二 比較器332及第三比較器33R，分別比較第一採樣訊號S1及參考電壓VREF、比較第二採樣訊號S2及參考電壓VREF及比較第三採樣訊號SR及參考電壓VREF，從而分別產生第一比較訊號D1(t)、第二比較訊號D2(t)及第三比較訊號DR(t)。第一比較器331、第二比較器332及第三比較器33R可相當於一位元類比轉數位轉換器，以產生各為一位元訊號之比較訊號D1(t)、D2(t)及DR(t)。

第4圖為實施例中，第二參考訊號y(t)的示意圖。第4圖僅為舉例，用以描述原理，而非限制實施例的範圍。如第4圖所示，第二參考訊號y(t)為線性訊號，其電壓可隨時間線性上升，具有單一的斜率。假設第一通道CH1的延遲T1長於第二通道CH2的延遲T2，則採樣訊號SR、S2及S1分別於時點ta、tb及tc輸出。如第4圖所示，採樣訊號S1之電壓高於採樣訊號S2之電壓，且採樣訊號S2之電壓高於採樣訊號SR之電壓。於比較單元330，因採樣訊號S1之電壓高於採樣訊號S2之電壓，故與參考電壓VREF比較後，比較訊號D1(t)及D2(t)的值可為1及0。因第二參考訊號y(t)為給定的訊號，故第4圖的斜率可調整：藉由將斜率放緩，比較訊號D1(t)及D2(t)的值可變為0及0，藉此，可得第二通道CH2的延遲T2的臨界值；同理，藉由將斜率調為更陡，比較訊號D1(t)及D2(t)的值可變為1及1，藉此，可得第一通道CH1的延遲T1的臨界點。據此原理，可根據比較訊號D1(t)及D2(t)，求得延遲T1及T2。

第5圖為第3圖之比較單元330中，每一比較器的示意圖。比較器331、332及33R之每一者可包含第一截波器(chopper)511，比較元件520及第二截波器512。比較元件520可耦接於第一截波器511及第二截波器512之間，且截波器511及512由截波時脈(chopper clock)訊號CKc控制。

使用截波器511及512可消除偏移電壓(offset)的干擾。因為截波器可切換比較元件520兩端的輸入，因此比較元件520所產生的偏移電壓，會一次走在正端，另一次走在負端。但對輸入端而言，當偏移電壓走在正端時，其輸 出也位於正端；而偏移電壓走在負端時，其輸出會被反向回來，因此，無論何種情況，輸出總是與輸入關係相同，而比較元件520的偏移電壓則會在輸出端上從固定值變成載波，其頻率對應於截波時脈訊號CKc。使用如第5圖之截波比較器，可濾出比較元件520取樣時所造成的偏移電壓的干擾，避免偏移電壓影響時序的評估。

第5圖之結構可為選擇性的使用。第6圖為第5圖之比較器使用於第3圖之偵測電路300的示意圖。藉由使用第5圖之比較器，可降低偏移電壓的干擾。 因使用截波器，故第5圖之比較單元330接收截波時脈訊號CKc。第6圖的操作原理相似於第3圖，故不重複敘述。

第7圖為另一實施例中，時序誤差的偵測電路700的示意圖。偵測電路700包含第一通道CH1、第二通道CH2、第三通道CHR及比較單元730。第一通道CH1、第二通道CH2及第三通道CHR接收第一參考訊號x(t)以分別產生第一訊號x1、第二訊號x2及第三訊號xR。同理於第3圖，訊號x1、x2及xR可分別表示為x1=A1*x(t+T1)、x2=A2*x(t+T2)及xR=A1*x(t+TR)。比較單元730可根據訊號x1、x2及xR以分別產生第一比較訊號D1(t)、第二比較訊號D2(t)及第三比較訊號DR(t)。通道CH1及CH2為待測通道，且通道CHR為已知通道。比較訊號D1(t)、D2(t)及DR(t)可用以計算通道CH1及CH2的相位差。第7圖與第3圖之差異在於，偵測電路700中不執行採樣操作。然而，偵測電路700用於第一參考訊號x(t)比較簡單的情況。例如，當第一參考訊號x(t)為相似於第4圖之簡單線性訊號，則可如第7圖所示，使用比較單元730將訊號x1、x2及xR轉為一位元數位訊號，以執行處理，從而求得通道CH1及CH2的相位差△T。第7圖之比較單元730接收截波時脈訊號CKc，其相似於第6圖之比較單元330。

總上，藉由使用實施例提供的偵測電路300及700，可有效的簡化電路的複雜度，即可求得兩待側通道的相位差及先後關係。實際應用上，例如聲 納訊號，超聲波發射前後，所經過的通道響應不同，藉由與參考通道(如上述通道CHR)的比對，可找到被測物的距離及深度。又例如飛時測距(TOF，time of flight)的應用，雷射發出後，根據回彈的雷射訊號，比對關聯性(correlation)的關係後，即可得到量測距離。又如低速的相位偵測電路，可透過關聯性的長時間計算比較，得到相當微小的相位差，故有助於偵測的精密度。使用實施例提供的偵測電路，可確認兩通道傳送的訊號之相位先後。因此，實施例提供的偵測電路，實有助於處理本領域的難題。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

300:偵測電路

x(t):第一參考訊號

y(t):第二參考訊號

CH1,CH2,CHR:通道

x1,x2,xR:訊號

310:波形轉換單元

311,312,31R:波形轉換器

Sc1,Sc2,ScR:控制訊號

320:採樣單元

SW1,SW2,SWR:開關

S1,S2,SR:採樣訊號

VREF:參考電壓

330:比較單元

331,332,33R:比較器

D1(t),D2(t),DR(t):比較訊號

Claims (9)

1. 一種時序誤差的偵測電路，包含：一第一通道，接收一第一參考訊號以產生一第一訊號；一第二通道，接收該第一參考訊號以產生一第二訊號；一第三通道，接收該第一參考訊號以產生一第三訊號；一波形轉換單元，接收該第一訊號、該第二訊號及該第三訊號以分別產生一第一控制訊號、一第二控制訊號及一第三控制訊號；一採樣單元，使用該第一控制訊號、該第二控制訊號及該第三控制訊號分別採樣一第二參考訊號，以產生一第一採樣訊號、一第二採樣訊號及一第三採樣訊號；及一比較單元，根據該第一採樣訊號、該第二採樣訊號及該第三採樣訊號以分別產生一第一比較訊號、一第二比較訊號及一第三比較訊號；其中該第一通道及該第二通道為待測通道，且該第三通道為已知通道，且該第一比較訊號、該第二比較訊號及該第三比較訊號用以計算該第一通道及該第二通道的一相位差。
2. 如請求項1所述的偵測電路，其中該採樣單元包含：一第一開關，被該第一控制訊號控制，接收該第二參考訊號以產生該第一採樣訊號；一第二開關，被該第二控制訊號控制，接收該第二參考訊號以產生該第二採樣訊號；及一第三開關，被該第一控制訊號控制，接收該第二參考訊號以產生該第三採樣訊號。
3. 如請求項1所述的偵測電路，其中該比較單元包含：一第一比較器，比較該第一採樣訊號及一參考電壓，以產生該第一比較訊號；一第二比較器，比較該第二採樣訊號及該參考電壓，以產生該第二比較訊號；及一第三比較器，比較該第三採樣訊號及該參考電壓，以產生該第三比較訊號。
4. 如請求項3所述的偵測電路，其中該第一比較器、該第二比較器及該第三比較器的每一者包含一第一截波器，一比較元件及一第二截波器，其中該比較元件耦接於該第一截波器及該第二截波器之間，且該第一截波器及該第二截波器由一截波時脈訊號控制。
5. 如請求項3所述的偵測電路，其中該第一比較訊號、該第二比較訊號及該第三比較訊號的每一者為一一位元訊號。
6. 如請求項1所述的偵測電路，其中該波形轉換單元包含：一第一波形轉換器，接收該第一訊號以產生該第一控制訊號；一第二波形轉換器，接收該第二訊號以產生該第二控制訊號；及一第三波形轉換器，接收該第三訊號以產生該第三控制訊號。
7. 如請求項1所述的偵測電路，其中該第一波形轉換器、該第二波形轉換器及該第三波形轉換器的每一者為一反相器。
8. 如請求項1所述的偵測電路，其中該第三通道的延遲小於該第一通道及該第二通道之每一者的延遲。
9. 一種時序誤差的偵測電路，包含：一第一通道，接收一第一參考訊號以產生一第一訊號；一第二通道，接收該第一參考訊號以產生一第二訊號；一第三通道，接收該第一參考訊號以產生一第三訊號；及一比較單元，根據該一第一訊號、該第二訊號及該第三訊號以分別產生一第一比較訊號、一第二比較訊號及一第三比較訊號；其中該第一通道及該第二通道為待測通道，且該第三通道為已知通道，該第一比較訊號、該第二比較訊號及該第三比較訊號用以計算該第一通道及該第二通道的一相位差，該第一參考訊號為一線性訊號，且該第一參考訊號之電壓隨時間線性上升且具有單一的斜率。

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