專利名稱：使用自動(dòng)頻率估計(jì)的相位瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)試和測(cè)量?jī)x器，并且更具體地涉及相位瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量。
背景技術(shù)：
通常，通過(guò)利用階躍輸入激勵(lì)系統(tǒng)并且繼而測(cè)量還稱作“階躍響應(yīng)”的系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)表征系統(tǒng)的特性。例如，可以通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)(PLL)編程來(lái)從第一頻率向第二頻率階躍或“跳變”并且繼而測(cè)量PLL產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)表征PLL。對(duì)于關(guān)于階躍響應(yīng)測(cè)量的更多信息，參見(jiàn) Katsuhiko Ogata 的書(shū)"Modern Control Engineering，，第五版，Prentice Hall，2009。諸如實(shí)時(shí)頻譜分析器、矢量信號(hào)分析器以及示波器之類(lèi)的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器通常用于測(cè)量PLL的瞬態(tài)響應(yīng)。這些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器對(duì)PLL的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并且繼而對(duì)其進(jìn)行處理以提供如圖1所示的對(duì)輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率的顯示，其也稱作“頻率階躍響應(yīng)”。某些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器還提供頻率階躍響應(yīng)的各種測(cè)量，諸如延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大過(guò)沖、平均安定值、安定時(shí)間等。指示輸出信號(hào)多快安定為第二頻率的安定時(shí)間是用戶特別感興趣的，因?yàn)槠鋵?duì)于PLL能夠在每跳之間傳輸多少數(shù)據(jù)具有直接影響。 對(duì)于使用測(cè)試和測(cè)量?jī)x器表征鎖相環(huán)的更多信息，參見(jiàn)可在http ://www. tek. com/獲得
Tektronix37W-18170, H g ^ "Characterizing Phase Locked Loops Using
Tektronix Real-Time Spectrum Analyzers，，。越來(lái)越多地，除了需要測(cè)量輸出信號(hào)多快安定為第二頻率之外，用戶還需要測(cè)量輸出信號(hào)多快安定為穩(wěn)定相位，也稱作“相位安定時(shí)間”。某些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器可以處理PLL 的輸出信號(hào)以提供如圖2所示的對(duì)輸出信號(hào)瞬時(shí)相位的顯示，其也稱作“相位瞬態(tài)響應(yīng)”。 然而，很難基于此類(lèi)相位瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)測(cè)量相位安定時(shí)間，因?yàn)樗矔r(shí)相位累積和卷褶太快，從而掩蓋了細(xì)微的相位安定特性。為了揭示細(xì)微的相位安定特性，某些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器處理相位瞬態(tài)響應(yīng)以提供如圖3所示的“平坦的”相位瞬態(tài)響應(yīng)。然而，為了這樣做，所有這些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器需要用戶以某些方式進(jìn)行干預(yù)。某些測(cè)試和測(cè)量?jī)x器需要用戶手工輸入第二頻率值。其他測(cè)試和測(cè)量?jī)x器需要用戶手工指定相位瞬態(tài)響應(yīng)上的多個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)處，用戶認(rèn)為相位瞬態(tài)響應(yīng)已經(jīng)安定為穩(wěn)定相位。在兩種情況之一中，需要用戶干預(yù)對(duì)于用戶而言是耗時(shí)的并且不方便的。需要一種無(wú)需任何用戶干預(yù)的、測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的實(shí)施方式提供一種測(cè)量被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法，其在無(wú)需任何用戶干預(yù)的情況下自動(dòng)地提供平坦的相位瞬態(tài)響應(yīng)。該方法包括以下步驟在被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)從第一頻率階躍到第二頻率時(shí)，基于表示所述輸出信號(hào)的瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形，基于瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)頻率波形，基于瞬時(shí)頻率波形計(jì)算第二頻率的估值，以及基于第二頻率的估值來(lái)平坦化瞬時(shí)相位波形。當(dāng)結(jié)合所附權(quán)利要求書(shū)和附圖閱讀時(shí)，根據(jù)以下詳細(xì)的描述，本發(fā)明的目的、優(yōu)勢(shì)和其他新穎特征將變得明顯。


圖1示出了瞬時(shí)頻率波形。圖2示出了瞬時(shí)相位波形。圖3示出了平坦的瞬時(shí)相位波形。圖4示出了用于測(cè)量被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的測(cè)試裝置的高級(jí)框圖。圖5示出了圖4的被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)。圖6示出了圖4的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的高級(jí)框圖。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的、測(cè)量被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法的流程圖。圖8示出了瞬時(shí)電壓波形和相移副本。圖9示出了瞬時(shí)相位波形。圖10示出了測(cè)量的相位斜坡。圖11示出了瞬時(shí)頻率波形。圖12示出了理想的相位斜坡。圖13示出了平坦的相位斜坡。圖14示出了平坦的瞬時(shí)相位波形。圖15示出了相位安定時(shí)間測(cè)量。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考圖4，例如通過(guò)對(duì)DUT 405內(nèi)的除法器(未示出)進(jìn)行編程來(lái)對(duì)被測(cè)設(shè)備 (DUT) 405編程以從第一頻率(Fl)階躍或“跳變”到第二頻率(F2)。作為響應(yīng)，DUT 405產(chǎn)生如圖5所示的輸出信號(hào)500，該輸出信號(hào)500輸入到測(cè)試和測(cè)量?jī)x器410。現(xiàn)在參考圖6， 測(cè)試和測(cè)量?jī)x器410使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)605對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而產(chǎn)生多個(gè)數(shù)字采樣，該多個(gè)數(shù)字采樣表示DUT 405輸出信號(hào)的瞬時(shí)電壓，該瞬時(shí)電壓也稱作“瞬時(shí)電壓波形”。處理器610以各種方式處理瞬時(shí)電壓波形，并且處理的結(jié)果可以在顯示設(shè)備615上顯示或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備620中。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，處理器610通過(guò)執(zhí)行圖7中所示的以及在下文中描述的步驟來(lái)處理瞬時(shí)相位波形。步驟1 基于瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形。在某些實(shí)施方式中，該步驟包括以下步驟(1)生成如圖8所示的、相移π/2弧度的瞬時(shí)電壓波形500的副本800。瞬時(shí)電壓波形表示同相(I)分量，并且相移副本表示正交(Q)分量。(2)使用以下等式計(jì)算如圖9所示的瞬時(shí)相位波形900
相位(等式1) /
為了提供更簡(jiǎn)單并且因此更易理解的針對(duì)以下步驟的示范，現(xiàn)在展開(kāi)瞬時(shí)相位波形以形成如圖10所示的展開(kāi)的瞬時(shí)相位波形1000，其在此也簡(jiǎn)稱為“測(cè)量的相位斜坡”。然而，
4應(yīng)該理解，在沒(méi)有該展開(kāi)步驟的情況下也可以執(zhí)行以下步驟。步驟2 基于瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)頻率波形。在某些實(shí)施方式中，該步驟包括以下步驟對(duì)測(cè)量的相位斜坡求導(dǎo)以產(chǎn)生如圖11所示的瞬時(shí)頻率波形1100。頻率等于相位的導(dǎo)數(shù)，如以下示例所示假設(shè)測(cè)量的相位斜坡的值在1微秒時(shí)間間隔上增加20 π弧度。測(cè)量的相位斜坡的導(dǎo)數(shù)等于相位改變除以時(shí)間改變，或20 π弧度/(1微秒)=20 π兆-弧度 /秒。由于2 π弧度等于一周，這等于20 π / (2π)兆-周/秒，或10MHz。應(yīng)該理解，可以以各種其他方式計(jì)算瞬時(shí)頻率波形。例如，可以通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)電壓波形每周的時(shí)段、計(jì)算每時(shí)段測(cè)量的逆以及繼而對(duì)結(jié)果進(jìn)行插值以產(chǎn)生基本上相似的瞬時(shí)頻率波形來(lái)計(jì)算瞬時(shí)頻率波形。步驟3 在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下，基于瞬時(shí)頻率波形自動(dòng)地估計(jì)第二頻率 (F2est)。在某些實(shí)施方式中，該步驟包括以下步驟(1)定位瞬時(shí)頻率波形的段1105，其對(duì)應(yīng)于輸出信號(hào)已經(jīng)安定為第二頻率的時(shí)段，該時(shí)段也稱作“安定時(shí)段”?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)識(shí)在跳變后其頻率值在指定容差范圍1110內(nèi)都等于相同頻率值的瞬時(shí)頻率波形的連續(xù)點(diǎn)集合來(lái)定位安定時(shí)段。例如，該安定時(shí)段可以由其頻率值在IMHz內(nèi)或等同地在1. 0 GHz的0. 1% 內(nèi)都等于IGHz的連續(xù)點(diǎn)集合組成。(2)計(jì)算安定時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)頻率波形的所有點(diǎn)的平均頻率值，從而產(chǎn)生第二頻率的估值。這樣，在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下就自動(dòng)地估計(jì)了第二頻率。步驟4 基于第二頻率的估值平坦化瞬時(shí)相位波形。在某些實(shí)施方式中，該步驟包括以下步驟(1)生成如圖12所示的理想的展開(kāi)瞬時(shí)相位波形1200，該展開(kāi)瞬時(shí)相位波形 1200在此也簡(jiǎn)稱為“理想的相位斜坡”。理想的相位斜坡是具有等于XF2EST弧度/秒坡度的的直線。可以將理想相位斜坡的y截距設(shè)置成任何任意值，然而，出于將在下面變得明顯的原因，設(shè)置y截距使得理想的相位斜坡的最終值等于測(cè)量的相位斜坡的最終值是有益的。(2)將理想的相位斜坡從測(cè)量的相位斜坡中減去以產(chǎn)生如圖13所示的展開(kāi)的平坦瞬時(shí)相位波形1300，該展開(kāi)的平坦瞬時(shí)相位波形1300在此也簡(jiǎn)稱為“平坦的相位斜坡”?？蛇x地，可以卷褶平坦的相位斜坡以產(chǎn)生如圖14所示的平坦的瞬時(shí)相位波形1400。平坦的瞬時(shí)相位波形安定為零弧度，因?yàn)槔硐氲南辔恍逼碌淖罱K值等于測(cè)量的相位斜坡的最終值。平坦的瞬時(shí)相位波形在對(duì)應(yīng)于安定時(shí)段的區(qū)域中是平坦的，因?yàn)?，在該時(shí)段中，理想的相位斜坡的相位累積率和測(cè)量的相位斜坡的相位累積率相等。然而，平坦的瞬時(shí)相位波形在其他區(qū)域中不是平坦的，因?yàn)樵谄渌麉^(qū)域中，測(cè)量的相位斜坡的相位累積率是不同的。某些實(shí)施方式包括可選步驟5，在該步驟中，用戶或測(cè)試和測(cè)量?jī)x器615對(duì)第二頻率的估值進(jìn)行細(xì)調(diào)整，從而優(yōu)化平坦的相位瞬態(tài)響應(yīng)。即，用戶或測(cè)試和測(cè)量?jī)x器可以稍微增加或減少估計(jì)的第二頻率，直到平坦的瞬時(shí)相位波形的安定時(shí)段盡可能地平坦并且其持續(xù)時(shí)間最大。如果瞬時(shí)頻率波形是有噪聲的或如果安定時(shí)段太過(guò)簡(jiǎn)短以至于不能提供準(zhǔn)確的頻率測(cè)量，則該附加步驟特別有用。在某些實(shí)施方式中，測(cè)試和測(cè)量?jī)x器410可以提供對(duì)相位瞬態(tài)響應(yīng)的相位安定時(shí)間的測(cè)量?，F(xiàn)在參考圖15，相位安定時(shí)間等于時(shí)間參考點(diǎn)1510和安定時(shí)段1515開(kāi)始之間的持續(xù)時(shí)間1505。時(shí)間參考點(diǎn)1510可以是測(cè)試和測(cè)量?jī)x器410檢測(cè)到的觸發(fā)事件或用戶選擇的點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)識(shí)在跳變后其相位值都等于指定容差范圍1520內(nèi)相同相位值的平坦瞬時(shí)相位波形的所有連續(xù)點(diǎn)來(lái)定位安定時(shí)段。例如，安定時(shí)段可以由其相位值在一毫弧度內(nèi)都等于零弧度的連續(xù)點(diǎn)集合組成。應(yīng)該理解，上述實(shí)施方式不限于對(duì)如圖所示的、僅具有單個(gè)頻率跳變的信號(hào)的操作，而是也可以應(yīng)用于具有多個(gè)頻率跳變的信號(hào)。例如，給定表示具有多個(gè)頻率跳變的信號(hào)的瞬時(shí)電壓波形，測(cè)試和測(cè)量?jī)x器可以(步驟1)基于瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形。(步驟2)基于瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)頻率波形。(步驟3)通過(guò)(1)定位對(duì)應(yīng)于輸出信號(hào)已經(jīng)安定為目的頻率的時(shí)段的瞬時(shí)頻率波形的每個(gè)段，以及(2)計(jì)算每個(gè)安定時(shí)段內(nèi)所有點(diǎn)的平均頻率值以產(chǎn)生每個(gè)目的頻率的估值，來(lái)基于瞬時(shí)頻率波形計(jì)算每個(gè)“跳變到的”或“目的” 頻率的估值。(步驟4)基于目的頻率的估值平坦化瞬時(shí)相位波形的每個(gè)安定時(shí)段。在上述實(shí)施方式中，基于根據(jù)瞬時(shí)頻率波形確定的第二頻率的估值生成理想的相位斜坡。在替代實(shí)施方式中，直接從測(cè)量的相位斜坡生成理想的相位斜坡，從而消除了對(duì)于計(jì)算瞬時(shí)頻率波形的需求。在該實(shí)施方式中，諸如線性最小二乘算法的曲線擬合算法用于將直線擬合到測(cè)量的相位斜坡的安定時(shí)段，并且繼而外推該直線以產(chǎn)生理想的相位斜坡。 可以通過(guò)標(biāo)識(shí)測(cè)量的相位斜坡的連續(xù)點(diǎn)集合來(lái)定位安定時(shí)段，該連續(xù)點(diǎn)集合的值都等于指定容差范圍內(nèi)的直線的值。應(yīng)該理解，這里描述的方法不僅對(duì)于測(cè)量PLL的相位瞬態(tài)響應(yīng)有用，而且還可以用于測(cè)量可能產(chǎn)生頻率跳變輸出信號(hào)的任何設(shè)備或系統(tǒng)的相位瞬態(tài)響應(yīng)，這些設(shè)備或系統(tǒng)諸如是壓控振蕩器、混合器等。在各種實(shí)施方式中，處理器610可以以硬件、軟件或兩者的組合實(shí)現(xiàn)，并且可以包括通用微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 等。此外，盡管上述方法被描述為由測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的處理器執(zhí)行，但是應(yīng)該理解，在其他實(shí)施方式中，可以向另一計(jì)算機(jī)(未示出)傳輸瞬時(shí)電壓波形，并且上述方法可以由該計(jì)算機(jī)的處理器執(zhí)行。根據(jù)上述討論應(yīng)該理解，本發(fā)明在相位瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量領(lǐng)域中表現(xiàn)出顯著的進(jìn)步。 盡管已經(jīng)出于示范的目的示出并描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種修改。因而，除了由所附權(quán)利要求書(shū)限制以外， 本發(fā)明不應(yīng)被限制。
權(quán)利要求
1.一種在被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)從第一頻率階躍到第二頻率時(shí)基于表示所述輸出信號(hào)的瞬時(shí)電壓波形測(cè)量所述被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法，所述方法包括以下步驟基于所述瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形； 基于所述瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)頻率波形；在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下基于所述瞬時(shí)頻率波形來(lái)自動(dòng)地估計(jì)所述第二頻率；以及基于所述第二頻率的估值來(lái)平坦化所述瞬時(shí)相位波形。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中計(jì)算瞬時(shí)相位波形的步驟包括以下步驟 生成相移η /2弧度的所述瞬時(shí)電壓波形的副本；以及基于所述瞬時(shí)電壓波形、相移副本以及反正切函數(shù)來(lái)計(jì)算所述瞬時(shí)相位波形。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中計(jì)算瞬時(shí)頻率波形的步驟包括以下步驟對(duì)所述瞬時(shí)相位波形求導(dǎo)以產(chǎn)生所述瞬時(shí)頻率波形。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中自動(dòng)地估計(jì)步驟包括以下步驟定位對(duì)應(yīng)于所述輸出信號(hào)已經(jīng)安定為所述第二頻率的時(shí)段的所述瞬時(shí)頻率波形的段；以及計(jì)算安定時(shí)段內(nèi)所有點(diǎn)的平均頻率值，以產(chǎn)生所述第二頻率的估值。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中定位步驟包括以下步驟標(biāo)識(shí)其頻率值都等于指定容差范圍內(nèi)的相同頻率值的連續(xù)點(diǎn)的集合。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中平坦化所述瞬時(shí)相位波形的步驟包括以下步驟 生成理想的瞬時(shí)相位波形；以及從所述瞬時(shí)相位波形中減去所述理想的瞬時(shí)相位波形以產(chǎn)生平坦的瞬時(shí)相位波形。
7.如權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟調(diào)整所述第二頻率的估值以優(yōu)化所述平坦的瞬時(shí)相位波形。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法測(cè)量被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器。
9.一種在被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)從第一頻率階躍到第二頻率時(shí)基于表示所述輸出信號(hào)的瞬時(shí)電壓波形測(cè)量所述被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法，所述方法包括以下步驟基于所述瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形；在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下基于所述瞬時(shí)相位波形來(lái)自動(dòng)地生成理想的瞬時(shí)相位波形；以及基于所述理想的瞬時(shí)相位波形來(lái)平坦化所述瞬時(shí)相位波形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用自動(dòng)頻率估計(jì)的相位瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量，具體地涉及一種測(cè)量被測(cè)設(shè)備的相位瞬態(tài)響應(yīng)的方法，其在沒(méi)有用戶干預(yù)的情況下自動(dòng)地提供平坦的相位瞬態(tài)響應(yīng)。該方法包括以下步驟在被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)從第一頻率階躍到第二頻率時(shí)，基于表示所述輸出信號(hào)的瞬時(shí)電壓波形計(jì)算瞬時(shí)相位波形，基于所述瞬時(shí)相位波形計(jì)算瞬時(shí)頻率波形，在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下基于瞬時(shí)頻率波形來(lái)自動(dòng)地估計(jì)第二頻率，以及基于第二頻率的估值來(lái)平坦化所述瞬時(shí)相位波形。
文檔編號(hào)G01R27/28GK102411094SQ20111013024
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者A. 恩格霍姆 K., J. 馬托斯 S., 托里恩 S. 申請(qǐng)人:特克特朗尼克公司