[发明专利]积分时间和/或电容测量系统、方法及设备

说明书

本申请是发明名称为“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。

技术领域

本发明涉及时间和/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。

背景技术

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。

发明内容

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。根据本发明的教示，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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。