积分时间和/或电容测量系统、方法及设备技术方案

通过在事件期间从恒定电流源对已知值电容器充电来确定所述事件的时间周期。所述电容器上的所得电压与所述事件时间周期成比例且可根据所述所得电压和已知电容值予以计算。通过在已知时间周期期间从恒定电流源对电容器充电来测量电容。所述电容器上的所得电压与其电容成比例且可根据所述所得电压和已知时间周期予以计算。可通过在所述事件开始时对第一电容器充电和在所述事件终止时对第二电容器充电且同时对其间的时钟时间进行计数来测量长时间周期事件。通过在事件起始和终止时充电第一和第二电容器上的电压且同时将其上的电压与参考电压进行比较来进行所述事件的延迟。

【技术实现步骤摘要】
积分时间和/或电容测量系统、方法及设备本申请是专利技术名称为“积分时间和/或电容测量系统、方法及设备”，申请号为200880001899.1，申请日为2008年1月9日，优先权日为2007年1月12日的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及时间和/或电容的测量，且更特定来说涉及通过经已知时间周期测量精确产生的模拟电压来对时间和/或电容进行极精确和高分辨率的测量。
技术介绍
用数字逻辑的时间测量需要时钟以超高频率运行以便精确地测量具有极短时间周期(例如，100皮秒)的事件的时间。时钟以超高频率(例如，1到10GHz)运行、驱动逻辑能够以约1GHz运行将需要大量功率来运行时钟和逻辑电路，且另外，以这些时钟速度操作的时钟和数字逻辑电路将产生大量电路噪音。
技术实现思路
因此，需要一种在无需采取超高频率时钟和高功率消耗数字逻辑的情况下极精确地测量事件的时间周期和/或电容值的方式。根据本专利技术的教示，一种系统、方法和设备用于提供极高分辨率的时间和/或电容测量。时间测量可仅视时基参考的频率精确度和模/数转换器(ADC)的分辨率(例如，8、10或12个位)而将时间解析为皮秒分辨率。举例来说，100纳秒范围可具有0.1纳秒的分辨率，1000纳秒范围可具有1纳秒的分辨率，10,000纳秒范围可具有10纳秒的分辨率，且50,000纳秒范围可具有50纳秒的分辨率等。用两个时间测量单元，动态时间测量范围可扩展到超过百万分之一(1)(ppm)。除测量电容器的电容值以外，电容测量特征还可有利地用作电容切换传感器。这也可用低时钟速度(较少数字噪音)和低功率(经扩展的电池操作)电路实施方案来实现。根据本专利技术的一特定实例实施例，一种用于测量时间周期的设备可包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有已知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到事件开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述事件终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电容器上的电压的数字表示转换成表示处于所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。所述数字处理器可根据所述已知电容值和所述电压的数字表示来计算所述事件的时间周期。根据本专利技术的另一特定实例实施例，一种用于测量时间周期的方法可包含以下步骤：提供恒定电流源；提供具有已知电容值的电容器；在检测到事件开始时从所述恒定电流源对具有所述已知电容值的所述电容器充电；在检测到所述事件终止时将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及将所述电压的数字表示转换成表示处于所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。将所述电压的数字表示转换成时间值的步骤可包含在所述事件终止时根据所述已知电容值和所述电容器上的电压的数字表示计算所述事件的时间周期的步骤。根据本专利技术的又一特定实例实施例，一种用于测量电容的设备可包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有未知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到时钟的已知时间周期的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述时钟的已知时间周期的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电压的数字表示转换成电容值。所述数字处理器可根据所述电压的数字表示和所述时钟的已知时间周期计算所述未知值电容器的电容。根据本专利技术的再一特定实例实施例，一种用于测量电容值的方法可包含以下步骤：提供恒定电流源；提供具有未知电容值的电容器；在检测到时钟的已知时间周期的开始时闭合电流导引开关；在检测到具有已知时间周期的时钟的开始时从所述恒定电流源对具有所述未知电容值的所述电容器充电；在检测到具有所述已知时间周期的时钟的终止时将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及将所述电压的数字表示转换成电容值。将所述电压的数字表示转换成所述电容值的步骤可包含根据所述电压的数字表示和所述时钟的已知时间周期计算所述电容值的步骤。根据本专利技术的另一特定实例实施例，一种用于测量长时间周期的设备可包含：时钟间隔计数器，其具有耦合到系统时钟的时钟输入，其中所述时钟间隔计数器在事件开始后起始对系统时钟周期进行计数且在所述事件终止后停止对系统时钟周期进行计数；第一时间测量单元，其包含：第一恒定电流源；第一电流导引开关，其耦合到所述第一恒定电流源；第一电容器，其耦合到所述第一电流导引开关，所述第一电容器具有已知电容值，其中当所述第一电流导引开关将所述第一恒定电流源耦合到所述第一电容器时，所述第一电容器上的第一电压大体上随时间线性增加；第一电路，其用于控制所述第一电流导引开关，其中所述第一电流导引开关在所述第一电路检测到所述事件开始时将所述第一电容器耦合到所述第一恒定电流源，且在所述第一电路检测到在所述事件开始后出现的系统时钟周期时将所述第一电容器从所述第一恒定电流源去耦；第二时间测量单元，其包含：第二恒定电流源；第二电流导引开关，其耦合到所述第二恒定电流源；第二电容器，其耦合到所述第二电流导引开关，所述第二电容器具有已知电容值，其中当所述第二电流导引开关将所述第二恒定电流源耦合到所述第二电容器时，所述第二电容器上的第二电压大体上随时间线性增加；第二电路，其用于控制所述第二电流导引开关，其中所述第二电流导引开关在所述第二电路检测到所述事件终止时将所述第二电容器耦合到所述第二恒定电流源，且在所述第二电路检测到在所述事件终止后出现的系统时钟周期时将所述第二电容器从所述第二恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述第一电压和所述第二电压分别转换成其第一和第二数字表示；以及数字处理器，其中所述数字处理器在确定所述事件的时间周期时分别将所述第一和第二电压的第一和第二数字表示分别转换成第一和第二时间值，从所述时钟间隔计数器读取所述系统时钟周期的计数，将所述系统时钟周期的计数转换成第三时间值，将所述第一时间值加到所述第三时间值，且从所述第一与第三时间值的和减去所述第二时间值。所述数字处理器可分别根据所述第一和第二电容器的已知电容值以及所述第一和第二电压的第一和第二数字表示计算所述第一和第二时间值。根据本专利技术的另一特定实例实施例，一种用于测量长时间周期的方法可包含以下步骤：确定第三时间值，其包含以下步骤：在一事件开始后对系统时钟周期进行计数且直到所述事件终止为止，以及将系统时钟的时间间隔乘以已计数的系统时钟周期的数目以确定第三时间值；确定第一时间值，其包含以下步骤：提供第一恒定电流源；提供具有已知电容值的第一电容器；在检测到所述事件开始时从所述第一恒定电流源对具有所述已知电容值的所述第一电容器充电；在检测到在所述事件开始后出现的系统时钟周期时将所述第一电容器上的第一电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量时间周期的设备，其包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有已知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到事件的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述事件的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器(ADC)，其用于将所述电容器上的所述电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电容器上的所述电压的所述数字表示转换成表示所述事件的开始与终止之间的时间周期的时间值，其中所述用于控制所述电流导引开关的电路包含：第一触发器，其具有耦合到指示所述事件起始的第一事件信号边缘的时钟输入；第二触发器，其具有耦合到指示所述事件终止的第二事件信号边缘的时钟输入；以及与门，其具有耦合到所述第一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第二输入和耦合到所述电流导引开关的控制输入的输出。

【技术特征摘要】
2007.01.12 US 11/622,9471.一种用于测量时间周期的设备，其包含：恒定电流源；电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；电容器，其耦合到所述电流导引开关，所述电容器具有已知电容值，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；电路，其用于控制所述电流导引开关，其中所述电流导引开关在所述电路检测到事件的开始时将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在所述电路检测到所述事件的终止时将所述电容器从所述恒定电流源去耦；模/数转换器，其用于将所述电容器上的所述电压转换成其数字表示；以及数字处理器，其用于将所述电容器上的所述电压的所述数字表示转换成表示所述事件的开始与终止之间的时间周期的时间值，其中所述用于控制所述电流导引开关的电路包含：第一触发器，其具有耦合到指示所述事件起始的第一事件信号边缘的时钟输入；第二触发器，其具有耦合到指示所述事件终止的第二事件信号边缘的时钟输入；以及与门，其具有耦合到所述第一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第二输入和耦合到所述电流导引开关的控制输入的输出。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述模/数转换器为逐次逼近模/数转换器。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述模/数转换器为Σ-Δ模/数转换器。4.根据权利要求3所述的设备，其进一步包含用于对所述电容器上的所述电压进行取样且将所述取样的电压耦合到所述Σ-Δ模/数转换器的电压取样电路。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述数字处理器根据所述已知电容值和所述电压的所述数字表示计算所述事件的所述时间周期。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述数字处理器为微控制器。7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含与非门，所述与非门具有耦合到所述第一触发器的所述Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的Q输出的第二输入以及耦合到所述第一和第二触发器的重置输入的输出。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述恒定电流源、所述电流导引开关、所述电容器、所述用于控制所述电流导引开关的电路、所述模/数转换器和所述数字处理器制造于集成电路裸片上。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述集成电路裸片封闭于集成电路封装中。10.一种用于测量时间周期的方法，所述方法包含以下步骤：提供恒定电流源；提供具有已知电容值的电容器；一旦接收到第一事件信号边缘，设定具有耦合到所述第一事件信号边缘的时钟输入的第一触发器，从而指示事件起始，且一旦接收到第二事件信号边缘，设定具有耦合到所述第二事件信号边缘的时钟输入的第二触发器，指示所述事件终止；对所述第一触发器的Q输出和第二触发器的非Q输出进行与运算，以控制用于从所述恒定电流源对具有已知电容值的所述电容器进行充电的电流导引开关；在所述事件的终止后，将所述电容器上的电压转换成其数字表示；以及将所述电压的所述数字表示转换成表示所述事件开始与终止之间的时间周期的时间值。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述将所述电压的所述数字表示转换成时间值的步骤包含：在所述事件的所述终止时根据所述已知电容值和所述电容器上的所述电压的所述数字表示计算所述事件的所述时间周期的步骤。12.一种用于测量时间周期的方法，其包含：提供恒定电流源；提供电流导引开关，其耦合到所述恒定电流源；提供电容器，其耦合到所述电流导引开关，其中当所述电流导引开关将所述恒定电流源耦合到所述电容器时，所述电容器上的电压大体上随时间线性增加；一旦接收到第一事件信号边缘，设定具有耦合到所述第一事件信号边缘的时钟输入的第一触发器，从而指示事件起始，且一旦接收到第二事件信号边缘，设定具有耦合到所述第二事件信号边缘的时钟输入的第二触发器，指示所述事件终止；对所述第一触发器的Q输出和第二触发器的非Q输出进行与运算，以控制用于将所述电容器耦合到所述恒定电流源或者将所述电容器从所述恒定电流源去耦的电流导引开关；在所述事件终止后，将所述电容器上的所述电压转换为其数字表示。13.根据权利要求12所述的方法，进一步包含从已知电容值以及所述电压的数字表示来确定所述事件起始与所述事件终止之间的时间周期。14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一事件信号边缘由第一控制信号的上升边缘提供，且所述第二事件信号边缘由第二控制信号的下降边缘提供。15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一事件信号边缘由控制信号的上升边缘提供，且所述第二事件信号边缘由所述控制信号的下降边缘提供。16.一种用于测量时间周期的设备，其包含：恒定电流源；电流导引开...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·E·巴特林，
申请(专利权)人：密克罗奇普技术公司，
类型：发明
国别省市：