數字周期分頻器的制造方法
【專利摘要】本發明揭示一種系統，所述系統可具有：數字周期分頻器，其產生與由旋轉輸入信號界定的角度成比例的輸出信號；及間隔測量單元，其確定由所述輸入輸出信號的后續脈沖界定的間隔的間隔時間。在一種增強中，所述系統還可具有遺漏脈沖檢測器，其可操作以比較當前間隔與參數，以確定脈沖是否在所述輸入信號中遺漏。
【專利說明】
數字周期分頻器
[0001 ] 相關申請案的交叉參考
[0002] 此申請案主張2014年1月31日申請的標題為"數字周期分頻器(DIGITAL PERIOD DIVIDER)"的第61/934，218號美國臨時申請案的權益，所述美國臨時申請案以全文引用的 方式并入本文中。此申請案進一步涉及第14/200,317號美國申請案，所述美國申請案作為 美國專利US 8,908,823發布。
技術領域
[0003] 本發明涉及一種數字周期分頻器。
[0004] 在數字應用中，常需要精確劃分未知周期。舉例來說，由馬達的旋轉確定的周期需 要分為360個步長，其中每一步長指示一度的旋轉。其它信號（例如50Hz或60Hz的輸電干線 信號頻率)可能需要類似處理。特定來說，傳入的"旋轉"信號可提供每轉一個脈沖或每轉多 個脈沖。在后者情況中，一個周期可能比其它周期長，（例如）當使用(例如)具有用于指示上 死點位置的缺齒的雙缺口傳感器齒盤或飛輪時。

【發明內容】

[0005] 根據實施例，一種系統可包括:數字周期分頻器，其產生與由旋轉輸入信號界定的 角度成比例的輸出信號；間隔測量單元，其確定由所述輸出信號的后續脈沖界定的間隔的 間隔時間；及遺漏脈沖檢測器，其可操作以比較當前間隔與參數以確定脈沖是否在所述輸 入信號中遺漏。
[0006] 根據又一實施例，所述參數可為預定時間值。根據又一實施例，所述參數可由先前 測量的間隔及預定因子界定，所述先前測量的間隔必須超過所述預定因子。根據又一實施 例，所述系統可經編程以選擇輸入信號是否包括遺漏脈沖，在此情況中啟用所述間隔測量 單元及遺漏脈沖檢測器。根據又一實施例，可提供所述輸入信號的傳感器可從以下各項中 選出：跨零檢測器、缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。根據又一實施 例，所述系統可進一步包括產生所述遺漏脈沖的輸出。根據又一實施例，所述數字周期分頻 器可包括:第一計數器，其包括R個最低有效位(LSB)及P個最高有效位(MSB)且具有計數輸 入及復位輸入，其中所述計數輸入接收第一時鐘信號且所述復位輸入接收第二時鐘信號； 鎖存器，其具有P個位且與所述第一計數器的所述P個位耦合;第二計數器，其具有P個位且 包括計數輸入及復位輸入，其中所述計數輸入接收所述第一時鐘信號;及第一比較器，其可 操作以比較所述鎖存器的所述P個位與所述第二計數器的所述P個位且產生輸出信號，其中 所述輸出信號也被饋送到所述第二計數器的所述復位輸入。根據又一實施例，所述第一計 數器可包括串聯連接的MSB計數器及LSB計數器，其中所述LSB計數器為模數計數器。根據又 一實施例，所述第一時鐘信號可為已知系統時鐘且所述第二時鐘信號為具有小于所述系統 時鐘的未知頻率的信號。
[0007] 根據另一實施例，如上文描述包括所述數字周期分頻器的系統可進一步包括:第 三計數器，其具有P個位且包括復位輸入及計數輸入，其中所述復位輸入接收所述第二時鐘 信號且所述計數輸入接收所述第一比較器的所述輸出信號；用戶值寄存器;第二比較器，其 可操作以比較所述第三計數器的所述值與所述用戶值寄存器;及觸發器，其具有設定及復 位輸入，其中所述設定輸入接收所述第一時鐘信號且所述復位輸入接收所述第二比較器的 輸出信號。根據上述系統的又一實施例，所述第二時鐘信號可由與馬達耦合的傳感器產生， 所述馬達產生馬達軸件的每個完整旋轉的至少一個脈沖。根據上述系統的又一實施例，所 述傳感器可為霍爾(Hall)或光學傳感器。
[0008] 根據又另一實施例，一種用于劃分未知頻率的周期的方法可包括以下步驟:接收 一系列索引脈沖;借助于具有P個最高有效位及R個最低有效位且由系統時鐘計時的第一計 數器測量兩個連續索引脈沖之間的時間；比較當前間隔與參數以確定脈沖是否在所述輸入 信號中遺漏;且如果檢測到所述遺漏脈沖，那么產生遺漏脈沖信號。
[0009] 根據上述方法的又一實施例，所述參數為預定時間值。根據上述方法的又一實施 例，所述參數可由先前測量的間隔及預定因子界定，所述先前測量的間隔必須超過所述預 定因子。根據上述方法的又一實施例，所述方法可進一步包括選擇輸入信號的類型的步驟， 所述類型的輸入信號啟用或停用遺漏脈沖檢測。根據上述方法的又一實施例，所述方法可 進一步包括以下步驟:鎖存所述最高有效位，且比較所鎖存的值與由所述系統時鐘計時的 第二計數器且當所述第二計數器等于所鎖存的最高有效位時產生輸出脈沖。根據上述方法 的又一實施例，所述第一計數器可包括串聯連接的MSB計數器及LSB計數器，其中所述LSB計 數器為模數計數器。根據上述方法的又一實施例，所述方法可進一步包括從所述輸出脈沖 產生脈沖寬度調制(PWM)信號的步驟。根據上述方法的又一實施例，所述索引脈沖可由旋轉 機產生，且其中所測量的周期為旋轉的周期。根據上述方法的又一實施例，所述方法可進一 步包括以下步驟:用所述索引脈沖對具有P個位的第三計數器進行計時，且用所述輸出脈沖 復位所述第三計數器；比較所述第三計數器的值與用戶值;及用所述索引脈沖設定觸發器 且當所述第三計數器等于所述用戶值時復位所述觸發器。根據上述方法的又一實施例，所 述索引脈沖可由與馬達耦合的傳感器產生。根據上述方法的又一實施例，所述傳感器可從 以下各項中選出：跨零檢測器、缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。根 據上述方法的又一實施例，所述傳感器可產生馬達軸件的每個完整旋轉的至少一個脈沖。 根據上述方法的又一實施例，所述傳感器可為霍爾或光學傳感器。
[0010] 根據又另一實施例，一種系統可包括:數字周期分頻器，其產生與由旋轉輸入信號 界定的角度成比例的輸出信號；及間隔測量單元，其確定由所述輸入輸出信號的后續脈沖 界定的間隔的間隔時間。
[0011] 根據上述系統的又一實施例，所述系統可進一步包括:遺漏脈沖檢測器，其可操作 以比較當前間隔與參數以確定脈沖是否在所述輸入信號中遺漏，且其中所述系統可經編程 以選擇輸入信號是否包括遺漏脈沖，在此情況中啟用所述間隔測量單元及遺漏脈沖檢測 器。根據上述系統的又一實施例，提供所述輸入信號的傳感器可從以下各項中選出：跨零檢 測器、缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。根據上述系統的又一實施 例，所述數字周期分頻器可包括:第一計數器，其包括R個最低有效位(LSB)及P個最高有效 位(MSB)且具有計數輸入及復位輸入，其中所述計數輸入接收第一時鐘信號且所述復位輸 入接收第二時鐘信號;鎖存器，其具有P個位且與所述第一計數器的所述P個位耦合;第二計 數器，其具有P個位且包括計數輸入及復位輸入，其中所述計數輸入接收所述第一時鐘信 號；及第一比較器，其可操作以比較所述鎖存器的所述P個位與所述第二計數器的所述P個 位且產生輸出信號，其中所述輸出信號也被饋送到所述第二計數器的所述復位輸入。根據 上述系統的又一實施例，所述第一計數器可包括串聯連接的MSB計數器及LSB計數器，其中 所述LSB計數器為模數計數器。根據上述系統的又一實施例，所述第一時鐘信號可為已知系 統時鐘且所述第二時鐘信號為具有小于所述系統時鐘的未知頻率的信號。
[0012] 根據又另一實施例，如上文描述包括所述數字周期分頻器的系統可進一步包括： 第三計數器，其具有P個位且包括復位輸入及計數輸入，其中所述復位輸入接收所述第二時 鐘信號且所述計數輸入接收所述第一比較器的所述輸出信號；用戶值寄存器;第二比較器， 其可操作以比較所述第三計數器的所述值與所述用戶值寄存器;及觸發器，其具有設定及 復位輸入，其中所述設定輸入接收所述第一時鐘信號且所述復位輸入接收所述第二比較器 的輸出信號。根據上述系統的又一實施例，所述第二時鐘信號可由與馬達耦合的傳感器產 生，所述馬達產生馬達軸件的每個完整旋轉的至少一個脈沖。根據上述系統的又一實施例， 所述傳感器可為霍爾或光學傳感器。
[0013] 根據又另一實施例，一種微控制器可包括：中央處理單元(CPU);多個計時器;可編 程邏輯單元，其可在程序控制下經配置以形成至少一個邏輯元件;捕獲比較外圍設備；內部 系統總線，其耦合所述CPU、所述多個計時器、所述可編程邏輯單元及所述捕獲比較外圍設 備;及可編程內部路由邏輯，其可操作以連接所述多個計時器、所述可編程邏輯單元及所述 捕獲比較外圍設備，使得形成產生與由旋轉輸入信號界定的角度成比例的輸出信號的數字 周期分頻器;及間隔測量單元，其確定由所述輸出信號的后續脈沖界定的間隔的間隔時間。
【附圖說明】
[0014] 圖1展示數字周期分頻器的框圖；
[0015] 圖2展示根據實施例的數字周期分頻器的相應輸入及輸出信號；
[0016] 圖3及4展示數字周期分頻器及相關聯輸入輸出信號的更詳細實施例；
[0017] 圖5展示數字周期分頻器的各種輸入信號的實例；
[0018] 圖6展示用于檢測遺漏脈沖的時序圖；
[0019] 圖7及8展示根據實施例的角度計數器及相關聯輸入輸出信號。
[0020] 圖9展示數字周期分頻器的框圖；
[0021 ]圖10展示可用作所述周期分頻器的所述第一計數器的所述LSB計數器的模數計數 器的實施例。
[0022]圖11展示使用圖9的周期分頻器的第一應用實施例。
[0023]圖12展示使用圖9的周期分頻器的另一應用。
[0024] 圖13展示經設計以根據各種實施例體現所述周期分頻器的微控制器。
[0025] 圖14展示(例如)適用于微控制器內的集成的角度計時器外圍設備的框圖。
[0026] 圖15展示圖14的角度計時器外圍設備的周期計時器及角度計數器的框圖。
[0027] 圖16展示圖14的角度計時器外圍設備的周期計時器的細節。
[0028] 圖17展示圖14的角度計時器外圍設備的角度計數器的細節。
[0029] 圖18展示圖14的角度計時器外圍設備的設定點誤差特征。
[0030]圖19展示圖14的角度計時器外圍設備的中斷邏輯。
[0031] 圖20展示圖14的角度計時器外圍設備的比較及捕獲邏輯。
[0032] 圖21展示(例如)高速馬達控制中的第一 COG應用。
[0033] 圖22展示(例如)燃料噴射器應用中的第二COG應用。
[0034] 圖23展示(例如)馬達同步閃光燈系統中的CLC/CWG應用。
[0035]圖24展示(例如)風扇控制器應用的脈沖工作循環測量實例。
[0036] 圖25展示模式ATMD = OO的時序圖。
[0037]圖26展示具有ATXRES = 5的實例操作的時序圖。
[0038]圖27展示根據寄存器ATMD的各種操作模式的表及模式ATMD = OO的時序圖。
[0039] 圖28展示模式ATMD = 01的時序圖。
[0040] 圖29展示模式ATMD = 11的時序圖。
【具體實施方式】
[0041]根據各種實施例，數字周期分頻器可經配置以產生將典型周期/間隔劃分為多個 脈沖的脈沖列，且檢測何時一個間隔超過預定閾值(例如)典型測量的間隔的50%。可由固 定時間量(例如，40毫秒)或通過與先前測量的間隔比較而識別異常。
[0042]舉例來說，如上文提及，用引擎飛輪，檢測器發射一系列等間距脈沖，一個脈沖遺 漏除外。因為遺漏脈沖可與引擎旋轉的"上死點"（TDC)位置重合，所以檢測可相當于及時定 位 TDC。
[0043] 檢測器被并入到角度計時器(也稱為數字周期分頻器）中，其提供用于測量脈沖間 隔的計時器。
[0044] 圖1展示操作以從輸入信號產生角度時鐘信號的數字周期分頻器100的框圖。輸入 信號的周期由測量單元110測量且由單元120除以R。按由時基140提供的較高頻率操作的計 數器130計算出角度持續時間。用戶可選擇角度時鐘輸出信號的角度參數。圖2展示相關聯 時序圖，其中頂部信號表示接收到的表示完整旋轉的脈沖。底部信號表示角度時鐘，（例如） 此處已選擇90°的劃分。如上文陳述，通過如在圖1中展示的時基140提供的快速時鐘測量信 號周期。接著，將測量計數除以角度/轉的數目，且產生等間隔的脈沖列。
[0045] 根據如圖3中展示的實施方案，測量周期可由R*P表示，其中R為每轉的角度的數 目。也在圖3中展示的實例中，周期分為各自表示90°的四個角度部分。圖3還展示舍入誤差， 其可取決于由時基信號提供的分辨率。圖4展示此類周期分頻器的相關聯框圖。
[0046] 輸入信號被饋送到計數器單元420,其計算出預縮放周期。為此，時基時鐘通過分 頻器410除以R。來自計數器單元420的輸出信號由鎖存器430鎖存。接收時基時鐘的分頻器 440將時基時鐘除以鎖存值以產生輸出信號。
[0047] 圖5展示由各種裝置提供的典型輸出信號，所述信號可被用作數字周期分頻器的 輸入信號。數字周期分頻器可經編程以能夠與如在圖5中展示的任何類型的信號操作。舉例 來說，圖5中的信號A表示與AC主線信號耦合的跨零檢測器的輸出。信號B可由缺口齒盤提 供。信號C可由雙缺口齒盤提供且信號D可由具有缺齒的齒狀飛輪提供。
[0048] 圖6解釋數字周期分頻器可如何檢測遺漏脈沖以可操作以使用如在圖5中展示的 第三及第四類型的輸入信號(信號C及D)。測量較短間隔且存儲其持續時間以確定何時出現 較長間隔。由于硬件折衷，可能無法測量完整周期。實情是，周期被劃分為較短間隔的倍數。 可基于用戶界定時間檢測遺漏脈沖。換句話來說，當由時基提供的預定數目的時鐘循環出 現而不具有由輸入信號造成的復位時，遺漏脈沖被確定且可如在圖6的頂部中展示般產生。 底部圖展示根據另一實施例的自適性測量，其中周期時間由先前測量的間隔確定。當當前 測量的間隔超過預定量(例如150%)時，那么遺漏脈沖被確定且可如在圖6的底部一半中展 示般而產生。
[0049] 圖7展示根據實施例的角度計數器700,且圖8展示相關聯輸入及輸出信號。角度計 數器可經配置以計算出如上文論述的角度。舉例來說，如圖4中展示的系統結合可操作以計 算出角度的額外計數器單元710-起使用。單元710接收分頻器440的輸入信號及輸出信號。 捕獲及比較單元720從計數器單元710接收輸出值及閾值，且由于比較而產生輸出信號。因 此，因為已知信號何時開始，所以標記每一角度且可產生與角度成比例的計數值。如圖7中 展示，捕獲及比較單元720被連接到計算出角度以執行此功能的輸出信號。
[0050] 圖9展示根據各種實施例的數字周期分頻器的框圖。第一計數器可由兩個計數器 910及915形成，其中具有P個位的第一計數器與具有R個位的第二計數器915序連。因此，計 數器910提供最高有效位(MSB)且計數器915提供最低有效位(LSB)。然而，根據其它實施例， 可使用具有P+R個位的單一計數器。在使用兩個計數器的情況中，計數器915的溢流為計數 器910的輸入計時。提供高頻率時鐘源950(例如，32MHz系統時鐘），其提供第一計數器910、 915的計數時鐘輸入信號。第一計數器(或組合計數器910、915)具有從頻率源930接收未知 頻率X的復位輸入。具有P個位的鎖存器920與計數器910耦合，且因此與第一計數器的MSB耦 合。未知頻率觸發鎖存器920的負載輸入。具有P個位的第二計數器960在其計數輸入處接收 系統時鐘的時鐘信號。提供比較器940，其比較鎖存器920的值與第二計數器960的計數值。 如果相等，那么比較器940的輸出變為高(或低），且可使用其復位第二計數器。此外，比較器 的輸出信號提供經分頻的時鐘信號X*2 R。
[0051] 廣泛接受當控制旋轉機時，正弦、余弦及正切計算是必要的，但根據各種實施例， 提供旋轉脈沖到角度轉換。
[0052] 參考圖11，提供圖9中展示的周期分頻器900的第一應用1100。如上文提及，（例如） 馬達或其它旋轉機930的未知頻率M被提供到周期分頻器1100。電路910、915、920、940、950 及960測量旋轉周期，且產生為旋轉頻率的固定倍數的時鐘970。通常此可能為每旋轉度數 的一個時鐘（即，乘360)，或任何適當倍數。系統可被應用到馬達系統或如同具有50Hz或 60HZ的頻率或任何其它未知頻率信號的AC電力線的系統。
[0053] 參考圖11，系統1100需要2個輸入。未知頻率輸入(例如，馬達脈沖)供應指示在馬 達930的情況中馬達930已轉過一轉的參考。此類信號可從(例如)霍爾效應傳感器或光學斷 續器(將在下文中更詳細論述)獲得。一些應用可供應每轉超過一個脈沖，且為此采取M cps (每秒循環）以供論述。另一輸入為具有任何適當頻率的固定時鐘源950,只要其遠快于所預 期的輸出信號。舉例來說，6000RPM馬達產生IOOcps的輸入，且如果機器被設定到乘以360 (每旋轉度的一個時鐘），那么輸出將為36000Hz J2MHZ時鐘信號950的時鐘源幾乎快1000 倍，此為足夠的。
[0054] 如上文提及，根據一些實施例，第一計數器實際上可為兩個計數器915及910。計數 器915隨著每一時鐘脈沖進位，且被說明為具有模數2R計數的R個位。計數器915可為任何模 數(如同360或180)，且出于論述，我們認為計數器915具有模數R。計數器920保留P位且在每 次計數器915翻轉時進位。合計起來，這些計數器915、910計數馬達的1轉所需的時鐘脈沖 數。對于每一轉，在鎖存器920中捕獲計數器910的當前值，且整個第一計數器915、910被復 位到零。算術上，鎖存器920接收每轉時鐘脈沖的總數除以R的值，其隨著未知頻率的每個循 環更新。應選擇計數器910的大小（值P)以防止計數器溢流辨識M及時鐘頻率。同時，第二計 數器960隨著每一時鐘脈沖進位，且計數直到其達到等于鎖存值的值。當相等時，相等邏輯 940發射單一脈沖且第二計數器960復位到零。如將了解，第二計數器960將在鎖存值改變之 前將此進行總計R次，且所以將存在針對未知信號(例如，馬達旋轉信號）的每一循環發射的 R個相等脈沖。因此，已實現在輸出970產生比馬達索引脈沖快R倍的時鐘列的目標，且新的 時鐘列每當馬達速度改變時（即使在一個循環后)均將改變頻率。可通過配置馬達以產生每 轉許多脈沖且按比例減少R來改進延時。
[0055]圖11中還展示第三計數器1150、用于存儲值UV的用戶值寄存器1130及SR鎖存器 1120。此表示類似于具有PffM布置的常規計時器的邏輯，除所述邏輯具有以來自源930的未 知信號的每個循環復位第三計數器1150的附加能力外。由于每轉R次計時第三計數器1150， 所以計數器值將在未知信號的每一循環內從零進位到(R-1)。在由馬達930提供未知信號的 情況中，假定馬達速度相對恒定，計數器將在索引脈沖后的360*(UV/R)度的旋轉角度處等 于用戶值。更重要的是，用戶值UV與度數成比例而無關于馬達速度。此允許UV直接表示角 度，而無從傳統計時器及PWM的固定時間測量到角度測量的轉換(或反之亦然)通常所需要 的正弦、余弦或正切計算。針對AC電力系統，不管使用50、還是60或甚至是400Hz的電力系 統，UV = 90(度)的值都將產生相同角度索引。
[0056]圖12展示具有馬達1210的實例，馬達包括(例如)傳感器1220(例如，霍爾傳感器或 光學傳感器），所述傳感器能夠隨著馬達軸件的每一旋轉產生脈沖。此信號被用作未知頻率 信號，且被饋送到圖1的周期分頻器及圖11的實施例中論述的額外邏輯中。此處，僅使用由 比較器邏輯940產生的復位信號計時計數器1150。觸發器1120包括輸出1140,輸出1140提供 用戶控制的脈沖寬度調制信號，所述信號可由與旋轉度成比例的值直接控制。
[0057]可優選地在微控制器內實現在圖中展示的布置。為此，可提供允許所展示布置的 靈活性計時器比較器單元。為此，鎖存器920可由與第一計數器耦合的捕獲單元形成，且可 提供允許比較圖12中展示的各種值的可編程路由。舉例來說，微控制器內的控制寄存器可 允許將待被指派的數字比較器的輸入指派到計時器或捕獲鎖存器。此外，微控制器可包含 可編程邏輯(例如提供組合邏輯的可配置邏輯單元)或各種類型的觸發器或鎖存器(例如D 觸發器、JK觸發器或SR鎖存器）。此類微控制器由申請者(例如）在PIC10F32X及PIClxF150X 族中制造。
[0058]圖13展示示范性微控制器1300,其經設計以能夠被編程以形成如圖9、11及12中展 示的功能單元。微控制器1300包括與內部總線1320連接的中央處理單元1310。各種外圍設 備(例如計時器1330、捕獲比較單元1340及可配置邏輯單元1350)可用且與內部總線1320耦 合。另外，每一外圍設備可具有可編程緊連邏輯，其允許將內部信號路由到其各種輸入，舉 例來說，內部或外部信號可對計時器進行計時。兩個計時器可經編程以形成單一序連計時 器，計時器值可與捕獲/比較單元等等的輸入耦合。替代地，可提供允許將各種內部或外部 信號指派到外圍裝置的各種輸入/輸出的相同功能的中央可編程內部路由邏輯1360。各種 外圍設備可具有允許選擇各種輸入/輸出信號的特殊功能寄存器。即使提供可編程內部路 由邏輯1360,仍可提供此類特殊功能寄存器來控制單元1360,其中特殊功能寄存器可與相 應外圍單元相關聯。因此，單元1360對于用戶無法被視為單獨外圍設備。因此，在無任何額 外硬件的情況下，如上文論述的周期分頻器及/或額外邏輯可在程序控制下被形成于微控 制器1300內。
[0059]圖10展示具有變量模數的模數計數器的實例。為此，提供模數寄存器1020,其可經 編程以含有模數值。模數比較器1010比較LSB計數器915的值與模數寄存器1020的值且每當 值相等時產生脈沖。使用此脈沖復位LSB計數器915且對MSB計數器910進行計時。模數寄存 器1020可(例如)經編程以存儲值180或360或任何其它適當值以用于劃分未知頻率的周期。 [0060]圖14展示根據在微控制器內的集成的各種實施例的角度計時器1400的特定實施 例。角度計時器的主輸出為角度時鐘at_angle_cl 〇Ck(圖15、圖17)。在基本操作模式中，角 度時鐘具有為signal_in的倍數的頻率。其它模式提供其它特征。角度時鐘可為I/O引腳上 的輸出，或被用作其它裝置計時器的時基。
[0061 ]在此模塊1400內使用角度時鐘來產生角度數據值at_angle[9:0]，其可由軟件讀 取，由捕獲及比較邏輯使用，或被路由到其它系統CCP或PWM裝置。針對每一角度時鐘脈沖用 信號通知中斷。模塊1400還測量輸入信號的周期。比較測量的周期與設定點值(ATxSTPT)以 產生誤差值(ATxERR)。
[0062] 在圖15中展示基本計時器，且在圖16及圖17中分別詳細描述周期計時器及角度計 數器的細節。所屬領域的技術人員將了解，還在圖15中展示周期測量及角度產生器的各種 元件。
[0063]此框的輸出為：
[0064] at_angle_clock，其中由ATPHP(寄存器)控制極性，
[0065] at_angle[9:0)數據，
[0066] at_period_clock，其中極性控制ATPRP(寄存器），以及 [0067]周期及角度中斷。
[0068]存在到如圖14中展示的模塊1400的兩個類型的輸入:主輸入ATSIG及捕獲邏輯輸 入信號at_captUre[x]。所有信號及捕獲輸入使用類似于圖16中展示的邊緣檢測邏輯而被 同步到模塊時鐘。在圖15中說明遺漏脈沖檢測器。邏輯比較當前周期計數器值與來自先前 循環(ATxPER)的鎖存值，從而產生帶正負號號的差值。當差值等于ATxMI SS寄存器時，宣告 遺漏脈沖。用對應中斷，在所有ATMD模式中，使at_missed_pulse輸出產生脈沖。
[0069]當在ATMD模式寄存器中停用遺漏脈沖檢測時，每一輸入脈沖被視為"周期結尾"， 且產生周期時鐘脈沖。
[0070] 當啟用遺漏脈沖檢測時，僅在遺漏脈沖計時器與ATxMISS寄存器相等后產生周期 時鐘，且并不執行周期鎖存器更新。所有其它輸入脈沖鎖存周期數據。
[0071] 允許可在ATxMISS寄存器中設定負值，低字節必須在最后被寫入;高字節經遮蔽以 保證原子更新。注意，以時間（時鐘循環)而非以度數來測量遺漏脈沖延遲，因為周期計數器 被用作為參考。一般來說，遺漏脈沖檢測器僅觸發一次，且接著需要正常輸入邊緣來復位其 自身。此為自動行為，因為周期計數器將在FFFF最大化輸出且不再等于ATxMISS。
[0072] 如圖18中展示，用戶可在寄存器ATxSTPT中鍵入設定點值。從測量周期寄存器 ATxPER減去設定點以產生寄存器ATxERR。
[0073]在圖19中展示用于產生中斷的中斷邏輯的實施例。在圖20中說明比較及捕獲邏輯 的實施例，這些特征提供：
[0074]輸入同步，及 [0075]報告禁止。
[0076] 根據實施例，當寫入寄存器ATxCCy時，低字節必須在最后被寫入;高字節經遮蔽以 保證原子更新。
[0077] 以下部分描述每轉單一脈沖模式中的操作。
[0078] 在圖25中說明基本操作。如在圖15中展示，角度計時器包含兩個分頻器鏈，且兩者 測量輸入信號的周期。
[0079]第一鏈（圖16)將clock_in除以存儲于相應寄存器中的用戶指定的ATxRES值。使用 所得時鐘（clock_in/ATRES)對計數器進行計時。在輸入周期的結尾（即，signal_in的下一 有效邊緣），方程式1所給出的值被鎖存到寄存器ATxPER中，且用信號通知中斷（除禁止時 外)。
[0080]
[0081]
[_ (方程式1)
[0083]同時，第二鏈（圖17)將clock_in除以寄存器ATxPER，其保留在先前循環中測量的 值。所得時鐘（clock_in/ATPER)計時可被讀取為ATxANG的計數器。通過用于ATxPER的相同 推論，角度計數器(如果理論上在周期的結尾取樣)將為如在方程式2中所展示。
[0084]
(方程式2)
[0085]比較方程式1及方程式2將顯示，ATxANG應在ATSIG周期期間從零計數到等于 ATxRES的值。因此，可看出至IjATANG計數器的時鐘具有頻率F(信號）· A TRES，其為所需角度 時鐘。
[0086]注意，如果輸入周期改變，那么角度時鐘周期將直到下一循環才改變。因此，在一 循環的結尾，ATxANG中的值可為大于或小于ATxRES。還認識到，at_angle_clock的產生并不 需要ATxANG計數器。計數器為模塊特征，其允許捕獲及比較邏輯，且允許用戶監測瞬時輸入 角度。
[0087]當ATSIG表示機器或AC主線的旋轉時，輸入應被理解為提供每360度的1個有效邊 緣。由于角度時鐘等量劃分信號周期，所以時鐘也除360度旋轉周期，且每一時鐘脈沖標記 那次旋轉的固定角度AR(方程式3)。
[0088]
(方程式3)
[0089] ATxANG在旋轉的開始（即，在at_period_clk脈沖)處被清除到零，且接著共計數整 個循環，所以計數器的值如在方程式4中展示為與瞬時相位角度線性相關。
[0090] 在圖26中展示計時實例，其中ATxRES = 5,從而形成每360/5 = 72度的角度時鐘脈 沖。
[0091] (方程式4)
[0092] ATRES的值確定周期測量的分辨率，且極大地影響在每一轉的結尾處的角度時鐘 的時序。當ATRES較小時，ATxPER將計數到高值。ATxPER截斷實際周期值，所以固有精確度以 +0/-1計數，乘以ATRES(因為在ATRES的增量中測量周期）。計數到高ATxPER意味著誤差為總 數的較小百分比。當ATRES較大（例如，720)時，ATxPER中的值將為小的，且截斷將為重要誤 差源。截斷誤差在角度脈沖位置中累積，且其中每一者比其前者更早到達。如果ATRES較大， 那么最后周期時鐘可早許多時鐘。此處的實際問題為讀取ATxANG且應用方程式2到4可常產 生大于360°的值。
[0093] 較小ATxRES有利于精確度，但無法滿足系統需要。系統的優質數被界定為最小預 期的ATxPER值，且方程式1可被重寫為方程式5。建議為良好的操作，選擇c lock_in及ATxRES 來給定F0M>500。
[0094] 如方程式1展示，高頻率clock_in將產生較高計數及較低百分比誤差，但以較高系 統電力為代價。如果ATxPER溢位，那么ATPOV位將在控制寄存器中設定，且ATxPER的值將不 更新(因此，ATVALID可保持未設定直到第三信號循環）。 C〇〇95]
(方程式5)
[0096]當ATSIG的信號丟失時，周期計數器將溢位且ATPOV變為1。然而，不存在周期中斷， 且ATxPER中的值不更新，所以角度時鐘頻率不會改變。最后甚至ATxANG將溢位，且ATVALID 將變為〇。注意，應使用遺漏脈沖檢測器檢測輸入的損失且產生中斷。超時值將(a)被保證， 且(b)遠短于通過等待ATxANG溢位所實現的值。
[0097]角度時鐘輸出并不精確直到輸入周期已被正確取樣，此需要至少兩個完整輸入循 環(參見圖26中的實例）。因此，在ATVALId = O同時角度時鐘關閉，角度計數器不會進位，且 不會發生角度中斷。無論何時ATEN=O或ATxRES = O, ATVALID保持于0,或變為0,因為：
[0098] 任何復位(包含cfg_at_en = 0)，
[0099] 任何寫入到ATxRES(寄存器1-1)，
[0100]角度計數器溢位，或
[0101]凍結（freeze = l)。
[0102] 在鎖存ATxPER的信號的第三（3rd)有效輸入邊緣后ATVALID變為1。當ATVALID = 0 時，禁止以下特征：
[0103] 周期時鐘輸出及中斷，
[0104] 遺漏脈沖的脈沖輸出及中斷，
[0105] 角度時鐘輸出及中斷，
[0106] 角度計數器計數，
[0107] 捕獲邏輯及相關聯中斷，
[0108] 比較邏輯及相關聯中斷。
[0109] 此外，當ATVALId = O時，每個輸入邊緣捕獲周期持續時間，從而忽略遺漏脈沖檢測 器，使得可建立基線測量。換句話來說，當系統剛啟動時，不管選擇哪個ATMD，每一輸入循環 都被捕獲到ATxPER中。
[0110] 在圖27中概述操作模式
[0111] 每轉的單一脈沖
[0112] * ATMD = OO
[0113] 如在圖25中展示，馬達傳感器或跨零檢測器精確提供每一轉的一個脈沖。每一 ATSIG復位周期及角度計數器，且用每一輸入循環測量周期。
[0114] ATRES經設定以產生所需角度分辨率。此為上文描述的基本時序模式。at_miSSed_ pulse輸出及相關聯中斷為有效的，但不影響操作或其它模塊輸出。
[0115] 每轉的多個脈沖，固定時間遺漏脈沖
[0116] * ATMD = Ol
[0117] 馬達傳感器提供每轉的超過一個脈沖。針對圖28中展示的情況，馬達傳感器按已 知角度差值每轉產生兩次脈沖。第一脈沖被假定為"上死點"（TDC)參考，且使用第二脈沖測 量(部分)周期。
[0118]通常從內燃機的飛輪取得圖29的信號圖案。飛輪上常具有超過200個鋸齒，且除最 后鋸齒的鋸齒間隙外的所有鋸齒出現脈沖。周期計數器測量除所述間隙外的鋸齒到鋸齒的 持續時間。在所述間隙之后的第一脈沖標志為TDC。
[0119] 當ATVALId = O時，所有輸入邊緣更新ATxPER，且忽略遺漏脈沖檢測器以便建立基 線周期測量：
[0120] 因為如此多脈沖出現于ATSIG上，所以ATRES的值必須被設定相當低以實現適當 F0M。合理值可小于5。方程式3被重編為方程式6以包含鋸齒的效應。ATRES也必須較小，因為 ATxANG將共計到ATRES · TEETH的值，甚至在馬達速度下降時所述值必須保持低于1023(10 位)。
[0121]
(方程式6)
[0122] 自適性單一脈沖
[0123] * ATMD = IO
[0124] 此模式與ATMD = OO相同，除未使用ATxMISS中的值外。遺漏脈沖超時如圖27的時序 圖中展示為當前測量的周期的一半，且將追蹤改變的馬達速度。注意:ATxMISS中的值并不 改變。
[0125] 每轉的多個脈沖，自適性遺漏脈沖
[0126] * ATMD = Il
[0127] 此模式與ATMD = Ol相同，除未使用ATxMISS中的值外。遺漏脈沖超時如圖27的時序 圖中展示為當前測量的周期的一半，且將追蹤改變的馬達速度。注意:ATxMISS中的值并不 改變。
[0128] 輸出應用
[0129] 模塊的主輸出為角度時鐘at_angle_Cl〇Ck。多數應用還將需要周期時鐘作為"零" 或"上死點"參考。
[0130] 角度計數器
[0131] 為簡化裝置邏輯，模塊包含使用兩個信號的角度計數器。在圖16中說明且在上文 描述此計數器。
[0132] P麗產生
[0133] 圖20的比較寄存器按ATxANG的指定值產生輸出信號。給定所需相位角度，使用方 程式4或方程式6且解出表示那個角度的ATxANG的值。說明比較輸出的三個應用。
[0134] 1.在具有COG的裝置中（圖21)，可使用單獨比較寄存器來設定輸出脈沖的開始及 停止角度。
[0135] 2.固定持續時間輸出常在值必須開放時有助于遞送固定體積產品。圖22展示COG 系統，其中設定開始角度，且由具有單獨計時器時鐘的TMR2+HLT確定輸出持續時間。
[0136] 3.圖23類似于#1，但使用CLC中的的RS翻轉以產生在僅具有CWG的裝置中的輸出脈 沖。CLC還有助于軟件必須涉及啟用或停用輸出的情況。
[0137] 工作循環測量
[0138] 當ATxRES = 100時，捕獲/比較特征可被解釋為循環的百分比。如果周期輸入信號 被施加到捕獲輸入，且捕獲極性為下降邊緣（圖24)，那么所捕獲的值將指示輸入信號的工 作循環。遺漏脈沖檢測器可指示輸入是否已丟失。不論輸入頻率為何，只要其相對恒定且非 DC，那么此應用將可實現。其也不受振蕩器校準誤差影響。
[0139] 因此，可使用所揭示的各種實施例用于馬達繞組的整流、產生固定小部分的脈沖 (例如，作為一類脈沖寬度調制）、按特定小部分切換某物(例如視覺暫留推進器顯示器）、計 時正弦波產生期間的輸出改變(其(例如)可使用數/模轉換器且不必使用脈沖寬度調制)等 等。
【主權項】
1. 一種系統，其包括： 數字周期分頻器，其產生與由旋轉輸入信號界定的角度成比例的輸出信號； 間隔測量單元，其確定由所述輸出信號的后續脈沖界定的間隔的間隔時間； 遺漏脈沖檢測器，其可操作以比較當前間隔與參數，以確定脈沖是否在所述輸入信號 中遺漏。2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述參數是預定時間值。3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述參數由先前測量的間隔及預定因子界定，所述 先前測量的間隔必須超過所述預定因子。4. 根據權利要求1所述的系統，其中所述系統可經編程以選擇輸入信號是否包括遺漏 脈沖，在此情況中啟用所述間隔測量單元及遺漏脈沖檢測器。5. 根據權利要求4所述的系統，其中提供所述輸入信號的傳感器可從以下各項中選出： 跨零檢測器、缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。6. 根據權利要求1所述的系統，其進一步包括產生所述遺漏脈沖的輸出。7. 根據權利要求1所述的系統，其中所述數字周期分頻器包括： 第一計數器，其包括R個最低有效位LSB及P個最高有效位MSB且具有計數輸入及復位輸 入，其中所述計數輸入接收第一時鐘信號，且所述復位輸入接收第二時鐘信號； 鎖存器，其具有P個位且與所述第一計數器的所述P個位耦合； 第二計數器，其具有P個位且包括計數輸入及復位輸入，其中所述計數輸入接收所述第 一時鐘信號;及 第一比較器，其可操作以比較所述鎖存器的所述P個位與所述第二計數器的所述P個 位，且產生輸出信號，其中所述輸出信號還被饋送到所述第二計數器的所述復位輸入。8. 根據權利要求7所述的數字周期分頻器，其中所述第一計數器包括經串聯連接的MSB 計數器及LSB計數器，其中所述LSB計數器為模數計數器。9. 根據權利要求7所述的數字周期分頻器，其中所述第一時鐘信號為已知系統時鐘，且 所述第二時鐘信號為具有小于所述系統時鐘的未知頻率的信號。10. -種包括根據權利要求7所述的數字周期分頻器的系統，且其進一步包括： 第三計數器，其具有P個位且包括復位輸入及計數輸入，其中所述復位輸入接收所述第 二時鐘信號，且所述計數輸入接收所述第一比較器的所述輸出信號； 用戶值寄存器； 第二比較器，其可操作以比較所述第三計數器的值及所述用戶值寄存器;及 觸發器，其具有設定及復位輸入，其中所述設定輸入接收所述第一時鐘信號，且所述復 位輸入接收所述第二比較器的輸出信號。11. 根據權利要求10所述的系統，其中所述第二時鐘信號由與馬達耦合的傳感器產生， 所述馬達產生馬達軸件的每個完整旋轉的至少一個脈沖。12. 根據權利要求11所述的系統，其中所述傳感器為霍爾或光學傳感器。13. -種用于劃分未知頻率的周期的方法，其包括： 接收一系列索引脈沖； 借助于具有P個最高有效位及R個最低有效位且由系統時鐘計時的第一計數器來測量 兩個連續索引脈沖之間的時間； 比較當前間隔與參數，以確定脈沖是否在所述輸入信號中遺漏;及 如果檢測到所述遺漏脈沖，那么產生遺漏脈沖信號。14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述參數為預定時間值。15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述參數由先前測量的間隔及預定因子界定， 所述先前測量的間隔必須超過所述預定因子。16. 根據權利要求13所述的方法，其包括選擇輸入信號的類型的步驟，所述類型的輸入 信號啟用或停用遺漏脈沖檢測。17. 根據權利要求13所述的方法，其進一步包括： 鎖存所述最高有效位，及 比較鎖存值與由所述系統時鐘計時的第二計數器，且當所述第二計數器等于所述鎖存 的最高有效位時產生輸出脈沖。18. 根據權利要求17所述的方法，其中所述第一計數器包括經串聯連接的MSB計數器及 LSB計數器，其中所述LSB計數器為模數計數器。19. 根據權利要求13所述的方法，其進一步包括： 從所述輸出脈沖產生脈沖寬度調制PWM信號。20. 根據權利要求13所述的方法，其中所述索引脈沖由旋轉機產生，且其中所述測量的 周期為旋轉的周期。21. 根據權利要求19所述的方法，其包括： 用所述索引脈沖對具有P個位的第三計數器進行計時，且用所述輸出脈沖復位所述第 三計數器； 比較所述第三計數器的值與用戶值;及 用所述索引脈沖設定觸發器，且當所述第三計數器等于所述用戶值時復位所述觸發 器。22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述索引脈沖由與馬達耦合的傳感器產生。23. 根據權利要求22所述的方法，其中所述傳感器可從以下各項中選出：跨零檢測器、 缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。23. 根據權利要求22所述的方法，其中所述傳感器產生馬達軸件的每個完整旋轉的至 少一個脈沖。24. 根據權利要求23所述的方法，其中所述傳感器為霍爾或光學傳感器。25. -種系統，其包括： 數字周期分頻器，其產生與由旋轉輸入信號界定的角度成比例的輸出信號； 間隔測量單元，其確定由所述輸入輸出信號的后續脈沖界定的間隔的間隔時間。26. 根據權利要求25所述的系統，其進一步包括:遺漏脈沖檢測器，其可操作以比較當 前間隔與參數以確定脈沖是否在所述輸入信號中遺漏，且其中所述系統可經編程以選擇輸 入信號是否包括遺漏脈沖，在此情況中啟用所述間隔測量單元及遺漏脈沖檢測器。27. 根據權利要求26所述的系統，其中提供所述輸入信號的傳感器可從以下各項中選 出：跨零檢測器、缺口齒盤傳感器、雙缺口齒盤傳感器及飛輪齒盤傳感器。28. 根據權利要求25所述的系統，其中所述數字周期分頻器包括： 第一計數器，其包括R個最低有效位LSB及P個最高有效位MSB且具有計數輸入及復位輸 入，其中所述計數輸入接收第一時鐘信號，且所述復位輸入接收第二時鐘信號； 鎖存器，其具有P個位且與所述第一計數器的所述P個位耦合； 第二計數器，其具有P個位且包括計數輸入及復位輸入，其中所述計數輸入接收所述第 一時鐘信號;及 第一比較器，其可操作以比較所述鎖存器的所述P個位與所述第二計數器的所述P個位 且產生輸出信號，其中所述輸出信號也被饋送到所述第二計數器的所述復位輸入。29. 根據權利要求28所述的數字周期分頻器，其中所述第一計數器包括經串聯連接的 MSB計數器及LSB計數器，其中所述LSB計數器為模數計數器。30. 根據權利要求28所述的數字周期分頻器，其中所述第一時鐘信號為已知系統時鐘， 且所述第二時鐘信號為具有小于所述系統時鐘的未知頻率的信號。31. -種包括根據權利要求28所述的數字周期分頻器的系統，且其進一步包括： 第三計數器，其具有P個位且包括復位輸入及計數輸入，其中所述復位輸入接收所述第 二時鐘信號，且所述計數輸入接收所述第一比較器的所述輸出信號； 用戶值寄存器； 第二比較器，其可操作以比較所述第三計數器的值及所述用戶值寄存器;及 觸發器，其具有設定及復位輸入，其中所述設定輸入接收所述第一時鐘信號，且所述復 位輸入接收所述第二比較器的輸出信號。32. 根據權利要求31所述的系統，其中所述第二時鐘信號由與馬達耦合的傳感器產生， 所述馬達產生馬達軸件的每個完整旋轉的至少一個脈沖。33. 根據權利要求32所述的系統，其中所述傳感器為霍爾或光學傳感器。34. 一種微控制器，其包括： 中央處理單元CPU; 多個計時器； 可編程邏輯單元，其在程序控制下可配置以形成至少一個邏輯元件； 捕獲比較外圍設備； 內部系統總線，其耦合所述CPU、所述多個計時器、所述可編程邏輯單元及所述捕獲比 較外圍設備； 及可編程內部路由邏輯，其可操作以連接所述多個計時器、所述可編程邏輯單元及所 述捕獲比較外圍設備，使得形成數字周期分頻器，所述數字周期分頻器產生與由旋轉輸入 信號界定的角度成比例的輸出信號；及間隔測量單元，其確定由所述輸出信號的后續脈沖 界定的間隔的間隔時間。
【文檔編號】H03K23/64GK105917584SQ201580005048
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月29日
【發明人】約瑟夫·朱利謝爾, 凱文·基爾策, 科伯思·范伊登
【申請人】密克羅奇普技術公司