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快速互惠频率计数器


这个项目, 快速互惠频率计数器方法 from 1990年,详细说明了一种使用互易计数技术创建快速计数器的方法。

互易计数技术对于测量低频是必不可少的。

您认为计数的正常方式是在集合时间段内测量输入信号的边缘转换。如果输入频率低,则有可能丢失传入边缘。

倒数计数测量传入信号的时段的时钟频率i.e.它被门控发表输入信号,因此错误只能通过一个时钟周期出来。

有趣的是它使用快速8x8乘法器,这块硬件融入了18F系列的PIC芯片 - 它可能不适合在这里的Exaxt设计,但是一个很好的起点。



快速互惠频率计数器的执行摘要

一种方法和装置通过测量一系列事件块的时间间隔来实现快速频率测量,每个块保持恒定的事件的数量。这使得事件/时间关系常量的分子使得不必测量,处理或存储。

通过测量时间间隔来确定信号的频率,然后采用测量值的倒数并通过适当的常数乘以乘法。快速逆电路使用数字电路中实现的泰勒级扩展技术,斜率分辨率调节小斜率的区域以提高精度。

快速互惠频率计数器的背景

精密频率计数器通常包括两个计数器,时间计数器以累积来自稳定时钟的事件,以及从输入信号累积事件的事件计数器。通过时间计数器的结果除以事件计数器中的事件数提供输入信号的平均频率。

通过称为门的信号启动和停止两个计数器。如果栅极与时钟同步,则准确控制栅极时间,并且输入信号事件的数量与一些不确定性(加上或减去一个事件)计数。如果栅极与输入信号同步,则输入输入信号事件的数量恰好,并且经过的时间计为一些不确定性(加上或减去一个时钟周期)。后一种方法称为互惠计数。

由于加号或减去一个事件计数不确定性提供了相对较差的频率分辨率,几乎所有现代精密频率计数器都使用互敏计数方法。通过平均超过一个输入信号事件,可以获得提高的精度。

但是,师是一个固有的慢速操作。在大多数现代仪器中使用的数字电路中,划分需要许多处理周期或非常大量的电路,因为每个输出位的计算使用先前输出位的中间结果的许多比特。

避免划分的一种方法是测量连续脉冲之间的周期并生成时间的逆,以产生频率。这种方法在美国专利No.5,199,080中公开。美国专利4,707,653(瓦格纳)。 Wagner使用一个舞会,其中包括查找表来提供该时段的倒数。

然而,WAGNER没有解决多个周期的测量,这是产生高精度频率测量所必需的。另外,因为瓦格纳'在每个输入事件上的设备测量,它限于相对较低的频率应用。最后,简单的查找表限制了所提供的准确性。

用于多个循环的测量划分施加的限制使得难以或不可能根据需要尽快进行连续频率测量。制造更多快速频率测量将允许触发频率转换的频率与时间测量,使得和显示频率调制或频率敏捷信号的几乎实时频率测量,或产生这种信号的频率分布的直方图。另一个应用程序正在为电压转换器进行精度,宽带,可编程频率。

用于使快速频率测量的另一个应用是在一种用于在信号上提供连续时间间隔测量的仪器。连续时间间隔测量使得研究信号的动态频率行为更简单:振荡器随着时间的推移,频率漂移,雷达系统中的敏捷发射机,啁啾线性和相位切换的跳频性能。

信号上的连续时间间隔测量提供了一种方法来分析调制域中的信号的特性,即信号与时间的频率或相位的行为。介绍了生成此类时间戳和连续时间间隔数据的仪器的示例"频率和时间间隔分析器测量硬件", Paul S.

Stephenson,Hewlett-Packard Journal,Vol。 40,1989年2月1日。

快速互惠频率计数器概述

设计的一个方面是用于通过测量一系列事件块的时间间隔来制造快速频率测量的方法和装置,该事件块与每个块中的事件的数量保持恒定。这使得事件/时间关系常量的分子使得不必测量,处理或存储。

通过测量时间间隔来确定信号的频率,然后采用测量值的倒数并通过适当的常数乘以乘法。

设计的另一个方面是快速逆电路。该电路采用数字电路中实现的泰勒型扩展技术,斜坡分辨率调整了小斜率的区域以提高精度。


图1:示出了使用恒定事件测量方法和本发明的快速逆电路的频率计数器的高级框图
对于快速互惠频率计数器



快速互惠频率计数器的描述

无花果。图1示出了使用恒定事件测量方法和设计的快速逆电路的频率计数器的高级框图。时间计数器101从稳定的高频时钟接收输入线103上的时钟信号,并在线109上产生累积计数的输出。

在线107上将要测量的输入信号施加到下面更详细地描述的常数事件计数器105,其每n个输入信号事件在线111上产生输出脉冲。常数事件计数器105是可编程的,使得n可以变化。

线109上的计数数据应用于锁存器113的数据输入,并且线111上的脉冲被施加到锁存器113的使能输入。因此,在来自恒定事件计数器105的每个输出脉冲中,时间值计数器101存储在锁存器113中。线路115上的锁存器113的数据输出是对应于N个输入信号事件的顺序块的发生时间的一系列时间值。

该系列时间值被应用于时间值处理器117.时间值处理器在线119上产生一系列时间间隔值,表示时间值集之间的差异。时间值可以以各种方式处理,以产生时间间隔值。

处理方法的细节超出了这种设计的范围。处理时间值的一个简单方法,即足以演示设计的操作,是取得连续时间值之间的差异来产生一系列时间间隔。

线路119上的时间间隔值被施加到逆电路121,逆电路121,其取得值的逆电路121,以在线123上产生一系列相应的频率值。下面更详细地解释逆电路的操作。

线123上的频率输出值可以显示或存储用于后处理。因为它们是从恒定事件测量导出的,所以线路119上的时间间隔信号可以应用于利用适当的时间值限制来触发电路,以允许触发所需的频率。


图2示出了图2中的常数事件计数器105的更详细的框图。 1
对于快速互惠频率计数器



无花果。图2示出了图2中的常数事件计数器105的更详细的框图。 1.计数器105是可编程计数计数器,当它到达其终端数而不跳过任何周期时,可以重新加载初始值。因为它用于臂用于测量所计数的相同信号,所以它必须在紧接在边缘上的测量时产生输出。对于100 MHz的输入信号,在边缘启动输出后,这将在10 NS后立即发生。

计数器201是8位的柜台。该计数器可以以各种方式实现,一个优选电路是八个触发器,其具有以同步配置连接的两个最低有效位的触发器,并且通过配置在纹波中连接的剩余触发器连接。

计数器在来自线路204上的信号的发生的情况下,通过线202与寄存器203的初始状态异步加载。寄存器203可以用所需的预设初始值加载,以提供每n个输入的输出信号事件。

在线107上待测量的输入信号通过下面描述的延迟211施加到线206上的计数器201。计数器201的输出应用于线208的终端数逻辑207。

线路210上的终端计数逻辑207的锁存输出信号被施加到输出锁存触发器209的j输入.PRIP FLOP 209通过线路212通过输入信号时钟。因此,在锁存信号之后的下一个输入信号边缘上应用,触发器209在如上所述的施加到闩锁113上的线路111上产生输出信号。锁存触发器209在每次测量开始时复位。

当计数器201到达其终端数时,将终端计数逻辑207的重新加载输出信号应用于通过线路214重新加载逻辑205以启用重新加载。输入信号被应用于经由线路216重新加载逻辑205.重新加载逻辑205在每个测量块的开始处复位。

延迟211将输入信号延迟到计数器201,以提供计数器从重新加载恢复的时间。然而,该延迟也从输出锁存触发器209的设置时间中减去。因此,延迟211必须足够长,以允许由未能输入的输入事件边缘触发的终端逻辑和重新加载逻辑以重新加载柜台201以前重新加载计数器201以下延迟输入事件在线206到达。

延迟必须足够短,因此当延迟事件边缘到达行206时,不重新加载计数器并开始计数。延迟必须足够短,以便线路210上的锁存输出信号及时达到触发器209通过在线212上的未能输入事件边缘进行时钟。


图3示出了图3中的逆电路121的更详细的示意性框图。 1
对于快速互惠频率计数器



无花果。图3示出了图3中的逆电路121的更详细的示意性框图。该电路包括仅读取存储器(ROM)301,乘法器303,比特场选择器多路复用器305A为减法器307.对逆电路121的输入是线119上的时间间隔值。

在所描述的实施例中,这些是16位二进制单词。逆电路通过近似泰勒序列扩展来实现输入间隔值的倒数。

从附近点XO的1 / X的泰勒系列扩展是:

这是一个无限的系列,但高阶术语迅速接近零,特别是如果xo接近X.

对于二进制单词x,XO可以是X的更高的X(具有较低的有效位为零),并且(x-xo)可以是较小的比特。例如,如果x是16位二进制数,XO是最高有效位和(X-XO)是8个最低有效位。因此,不需要减法来产生扩展中使用的(X-XO)术语。

输入的两个最高有效位被施加到或门309,并且输出被施加到比特场选择多路复用器305,以控制其操作,如下所述。

输入值的八个最高有效位(表示XO)形成应用于ROM 301的地址。ROM 301是24位存储器的256字。 ROM 301作为带有两个数据输出的查找表操作,一个16位字偏移表示XO(1 / XO)的倒数,以及表示1 / XO的8位字斜率2. 偏移被施加到线路302上的减法器307,并且将8位斜率施加到线304上的乘法器303。

乘法器303还接收输入值的8个最低有效位(表示x-xo),并将其乘以8位斜率(1 / xo的输入2) 从ROM 301,产生16位输出,表示在线306上的泰勒序列扩展的第二项。线306上的结果由如下所述的比特选择字段调整,并通过线308施加到减法器。

减法器308从线302上的第一术语偏移值中减去线308上的第二术语值,以产生最终的16位输出值,表示16比特时间间隔输入值(x)的逆(1 / x)。

如果没有调整功能,比特场选择器能够执行电路,则电路将具有大约8位精度的16位输入。从实际值存储在ROM 301中存储在ROM 301中的调整函数和少量减少提高了大约12-13位的精度。

首先,泰勒扩展术语的总和始终是正的,因此通过减少存储在ROM 301中的偏移的值,可以减少平均误差。实际上,分段线性近似被调整为更紧密地覆盖实际的1 / x函数曲线。

其次,斜坡的大小(1 / xo2) 随着XO的增加而迅速减少,所以在大部分范围内,第二术语结果将受斜率量化的限制。通过存储ROM 301的范围的地址中的斜率的16倍,并将不同的比特(乘4)从乘法器303中施加到减法器307来避免这种情况。

由比特场选择多路复用器305完成的转换功能,由在线312上输入的时间值的ORED 2最高有效位进行。


图4a:如果x在输入范围的下部1/4中,则发送到减法器307的比特的组合
对于快速互惠频率计数器



比特场选择多路复用器的操作在图4和图5中示出。 4a和4b。无花果。图4A示出了如果X在输入范围的下部1/4中,则发送到减法器307的比特的组合。当线119上的输入值的两个最高有效位均为0时,指示这一点,并且在线312上的ORED值为0。

在由乘法器303产生的16位中,丢弃4个最小有效位,并且将12个最高有效位施加到减法器的12个最小有效位。


图4B:如果x位于输入范围的上部3/4中,则示出了发送到减法器307的比特的组合
对于快速互惠频率计数器



无花果。图4B示出了如果X位于输入范围的上部1/4中,则发送到减法器307的比特的组合。当线119上输入值的两个最高有效位中的任一个或两个最高有效位时表示,并且线路312上的ORED值是1。由乘法器303产生的16位,丢弃8个最小有效位并且,8个最高有效位适用于减法器的8个最低有效位。在这种情况下,乘数输出向下移动4位,以调整存储在ROM表中的16次斜率值。


图5:在图1中。 1
对于快速互惠频率计数器



无花果。图5以图形方式示出了逆电路121的操作。水平轴是输入值x,纵轴是输出值1 / x。曲线501显示1 / x关系。点503表示特定(16位)输入值x。点505表示应用于ROM 301的地址的XO(8比特)。

横轴上的散列标记示出了8位近似的量化极限。点511表示ROM 301中的近似偏移值1 / XO(16位),并施加到减法器307.虚线段507的长度指示发送到乘法器303的差x-xo(8位)。

虚线段515的斜率表示斜率值(1 / xo2) (8位)存储在ROM 301中并且还发送到乘法器303.虚线段509的长度表示乘法器303的输出,第二泰勒序列(x-xo)/ xo2, 当它应用于减法器307时。

最后,垂直轴上的点513表示减法器307的输出(16位),近似1 / x。

虽然已经示出和描述了目前所考虑的本发明的优选实施例的情况,但对于本领域技术人员来说,这将是显而易见的,即可以在不脱离所定义的设计范围的情况下在其中进行各种改变和修改所附权利要求。


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