时序误差的检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种时序误差的检测电路，特别涉及一种使用已知通道以求得待测通道的时序误差的检测电路。


背景技术：

2.在信号检测的领域，有求取两通道的时序误差(相位差)的需求。举例而言，发射声波后，若可求得回传的信号在两通道传送的时序误差，则可据以求得被测物的距离及深度。
3.若欲求取两通道之间的时序误差，可测量信号通过两通道分别所需的时间，将两时间予以相减。此法虽可得到时序误差，但须使用测量仪器，及进一步分析测量结果，故在硬件及软件需求上难以简化。本领域中，两通道的相位的先后关系也难以确认。此外，精密度亦为一大难题，当两通道之间的相位差颇为微小，本领域缺乏妥适且简化的解决方案，以求得微小的相位差。


技术实现要素：

4.实施例提供一种时序误差的检测电路，包含一第一通道、一第二通道、一第三通道、一波形转换单元、一采样单元及一比较单元。该第一通道接收一第一参考信号以产生一第一信号。该第二通道接收该第一参考信号以产生一第二信号。该第三通道，接收该第一参考信号以产生一第三信号。该波形转换单元，接收该第一信号、该第二信号及该第三信号以分别产生一第一控制信号、一第二控制信号及一第三控制信号。该采样单元使用该第一控制信号、该第二控制信号及该第三控制信号分别采样一第二参考信号，以产生一第一采样信号、一第二采样信号及一第三采样信号。该比较单元，根据该第一采样信号、该第二采样信号及该第三采样信号以分别产生一第一比较信号、一第二比较信号及一第三比较信号。该第一通道及该第二通道为待测通道，且该第三通道为已知通道，且该第一比较信号、该第二比较信号及该第三比较信号用以计算该第一通道及该第二通道的一相位差。
5.优选地，该采样单元包含：一第一开关，被该第一控制信号控制，接收该第二参考信号以产生该第一采样信号；一第二开关，被该第二控制信号控制，接收该第二参考信号以产生该第二采样信号；及一第三开关，被该第一控制信号控制，接收该第二参考信号以产生该第三采样信号。
6.优选地，该比较单元包含：一第一比较器，比较该第一采样信号及一参考电压，以产生该第一比较信号；一第二比较器，比较该第二采样信号及该参考电压，以产生该第二比较信号；及一第三比较器，比较该第三采样信号及该参考电压，以产生该第三比较信号。
7.优选地，该第一比较器、该第二比较器及该第三比较器的每一者包含一第一截波器、一比较元件及一第二截波器，其中该比较元件耦接于该第一截波器及该第二截波器之间，且该第一截波器及该第二截波器由一截波时钟信号控制。
8.优选地，该第一比较信号、该第二比较信号及该第三比较信号的每一者为一一位元信号。
9.优选地，该波形转换单元包含：一第一波形转换器，接收该第一信号以产生该第一控制信号；一第二波形转换器，接收该第二信号以产生该第二控制信号；及一第三波形转换器，接收该第三信号以产生该第三控制信号。
10.优选地，该第一波形转换器、该第二波形转换器及该第三波形转换器的每一者为一反相器。
11.优选地，该第三通道的延迟小于该第一通道及该第二通道的每一者的延迟。
12.另一实施例提供一种时序误差的检测电路，包含一第一通道、一第二通道、一第三通道及一比较单元。该第一通道接收一参考信号以产生一第一信号。该第二通道接收该参考信号以产生一第二信号。该第三通道接收该参考信号以产生一第三信号。该比较单元根据该一第一信号、该第二信号及该第三信号以分别产生一第一比较信号、一第二比较信号及一第三比较信号。该第一通道及该第二通道为待测通道，且该第三通道为已知通道，且该第一比较信号、该第二比较信号及该第三比较信号用以计算该第一通道及该第二通道的一相位差。
13.优选地，该参考信号为一线性信号。
附图说明
14.图1为实施例中，第一参考信号输入两通道的示意图。
15.图2为另一实施例中，第一参考信号输入三通道的示意图。
16.图3为实施例中，时序误差的检测电路的示意图。
17.图4为实施例中，第二参考信号的示意图。
18.图5为图3的比较单元中，每一比较器的示意图。
19.图6为图5的比较器使用于图3的检测电路的示意图。
20.图7为另一实施例中，时序误差的检测电路的示意图。
21.附图标记说明：
22.300，700：检测电路
23.x(t)，y(t)：参考信号
24.ch1，ch2，chr：通道
25.x1，x2，xr：信号
26.310：波形转换单元
27.311，312，31r：波形转换器
28.sc1，sc2，scr：控制信号
29.320：采样单元
30.sw1，sw2，swr：开关
31.s1，s2，sr：采样信号
32.vref：参考电压
33.ta，tb，tc：时点
34.330，730：比较单元
35.331，332，33r：比较器
36.d1(t)，d2(t)，dr(t)：比较信号
37.511，512：截波器
38.520：比较元件
39.ckc：截波时钟信号
具体实施方式
40.为了处理上述难题，实施例提供时序误差的检测电路如下述。图1为实施例中，第一参考信号x(t)输入两通道的示意图。如图1所示，当第一参考信号x(t)经由第一通道ch1及第二通道ch2传送，其相位与振幅会改变，输出后可分别表示为第一信号x1及第二信号x2。第一信号x1及第二信号x2可分别表示为a1*x(t+t1)及a2*x(t+t2)，其中*为乘法符号，a1与a2对应于振幅，t1与t2分别为第一通道ch1与第二通道ch2造成的延迟。第一通道ch1与第二通道ch2的相位差可表示为δt＝t1
‑
t2。若系统欲知δt，可计算信号间的交互关联(cross
‑
correlation)：
[0041][0042]
且须评估经过通道响应(channel response)后的振幅a1与a2，故可计算交互关联系数：
[0043][0044]
如此才能消除振幅的项，以评估相位差。
[0045]
举例来说，若第一参考信号x(t)为弦波，且表示为sin(2πft)，其中f为频率，π为圆周率，且t为时间。根据上述，第一参考信号x(t)经过第一通道ch1与第二通道ch2后，可分别表示为x1＝sin(2πft)＝a1sin(2πf(t+t1))及x2＝a2sin(2πf(t+t2))。代入算式(2)，可得算式(3)：
[0046][0047]
若系统的频率为已知，方可得到相位差(t1
‑
t2)，也就是δt。算式(3)中，由于cos为偶函数，故虽可得到(t1
‑
t2)的值，但无法得知第一信号x1及第二信号x2的先后关系。为了得知先后关系，可使用图2的架构。
[0048]
图2为另一实施例中，第一参考信号x(t)输入三通道的示意图。图2与图1的差异在于，第一参考信号x(t)可另进入第三通道chr，以产生第三信号xr＝ar*x(t+tr)，其中ar对应于振幅，tr为第三通道chr造成的延迟。其中，通过适宜的设计，第三通道chr的延迟tr可小于第一通道ch1的延迟t1，且小于第二通道ch2的延迟t2。第三通道chr于此可为虚设(dummy)通道，也就是已知的参考通道，用以求得相位差δt。比较第一通道ch1及第三通道chr的交互关联，及第二通道ch2及第三通道chr的交互关联，可得以下算式：
[0049][0050][0051]
ρ
1r
‑
ρ
2r
＝
‑
2 sin(πf(t1
‑
t2))sin(πf(t1+t2
‑
2tr))
ꢀꢀ
(6)
[0052]
假定t1+t2
‑
2tr＞0是系统设计上可确定的，则可根据算式(6)的ρ1r
‑
ρ2r的计算，
评估信号的时序相位的极性及大小关系。
[0053]
然而，须使用较复杂的乘法器等电路，才能执行上述关于振幅及关联性的计算，故实施例另提供检测电路，以简化信号处理。图3为实施例中，时序误差的检测电路300的示意图。检测电路300包含第一通道ch1、第二通道ch2、第三通道chr、波形转换单元310、采样单元320及比较单元330。第一通道ch1至第三通道chr分别接收第一参考信号x(t)以产生第一信号x1、第二信号x2及第三信号xr。
[0054]
波形转换单元310接收第一信号x1、第二信号x2及第三信号xr以分别产生第一控制信号sc1、第二控制信号sc2及第三控制信号scr。采样单元320使用第一控制信号sc1、第二控制信号sc2及第三控制信号scr分别采样第二参考信号y(t)，以产生第一采样信号s1、第二采样信号s2及第三采样信号sr。比较单元330根据第一采样信号s1、第二采样信号s2及第三采样信号sr以分别产生第一比较信号d1(t)、第二比较信号d2(t)及第三比较信号dr(t)。其中，第一控制信号sc1、第二控制信号sc2及第三控制信号scr可分别表示为：sc1＝y(t+t1)，sc2＝y(t+t2)及scr＝y(t+tr)。
[0055]
第一通道ch1及第二通道ch2为待测通道，且第三通道chr为已知通道。第一比较信号d1(t)、第二比较信号d2(t)及第三比较信号dr(t)用以计算第一通道ch1及第二通道ch2的相位差δt。
[0056]
图3中，位于波形转换单元310之前的电路相同于图2。然而，图3中，不再检测通过通道的信号的行为，而是将通过通道的信号当作控制信号，用来采样已知的第二参考信号y(t)，并通过比较单元330得到三个比较信号d1(t)、d2(t)及dr(t)。由于第二参考信号y(t)为已知，因此，计算比较信号d1(t)、d2(t)及dr(t)之间的交互关联(cross
‑
correlation)，可得到所求的t1
‑
t2，亦即δt。当比较单元330输出的比较信号d1(t)、d2(t)及dr(t)为一位元(1bit)信号，仅用简单的数字逻辑即可完成后续的运算工作，故可大为简化所需的电路复杂度。
[0057]
根据实施例，如图3所示，波形转换单元310包含第一波形转换器311、第二波形转换器312及第三波形转换器31r，分别接收第一信号x1、第二信号x2及第三信号xr，从而分别产生第一控制信号sc1、第二控制信号sc2及第三控制信号scr。波形转换器311、312及31r可将信号x1、x2及xr转为具有信号缘的信号，例如由弦波转为方波，以便控制采样单元320。举例来说，波形转换器311、312及31r可为反相器。
[0058]
根据实施例，如图3所示，采样单元320包含第一开关sw1、第二开关sw2及第三开关swr，分别被第一控制信号sc1、第二控制信号sc2及第三控制信号scr控制，从而分别产生第一采样信号s1、第二采样信号s2及第三采样信号sr。
[0059]
由于第三通道chr的延迟tr最短，故第三采样信号sr可最先被采样及输出。然后，若第一通道ch1的延迟t1短于第二通道ch2的延迟t2，则第一采样信号s1会先于第二采样信号s2被采样及输出；反之，则第二采样信号s2会后于第一采样信号s1被采样及输出。
[0060]
根据实施例，如图3所示，比较单元330包含第一比较器331、第二比较器332及第三比较器33r，分别比较第一采样信号s1及参考电压vref、比较第二采样信号s2及参考电压vref及比较第三采样信号sr及参考电压vref，从而分别产生第一比较信号d1(t)、第二比较信号d2(t)及第三比较信号dr(t)。第一比较器331、第二比较器332及第三比较器33r可相当于一位元模拟转数字转换器，以产生各为一位元信号的比较信号d1(t)、d2(t)及dr(t)。
[0061]
图4为实施例中，第二参考信号y(t)的示意图。图4仅为举例，用以描述原理，而非限制实施例的范围。如图4所示，第二参考信号y(t)为线性信号，其电压可随时间线性上升，具有单一的斜率。假设第一通道ch1的延迟t1长于第二通道ch2的延迟t2，则采样信号sr、s2及s1分别于时点ta、tb及tc输出。如图4所示，采样信号s1的电压高于采样信号s2的电压，且采样信号s2的电压高于采样信号sr的电压。于比较单元330，因采样信号s1的电压高于采样信号s2的电压，故与参考电压vref比较后，比较信号d1(t)及d2(t)的值可为1及0。因参考信号y(t)为给定的信号，故图4的斜率可调整：通过将斜率放缓，比较信号d1(t)及d2(t)的值可变为0及0，因此，可得第二通道ch2的延迟t2的临界值；同理，通过将斜率调为更陡，比较信号d1(t)及d2(t)的值可变为1及1，因此，可得第一通道ch1的延迟t1的临界点。据此原理，可根据比较信号d1(t)及d2(t)，求得延迟t1及t2。
[0062]
图5为图3的比较单元330中，每一比较器的示意图。比较器331、332及33r的每一者可包含第一截波器(chopper)511，比较元件520及第二截波器512。比较元件520可耦接于第一截波器511及第二截波器512之间，且截波器511及512由截波时钟(chopper clock)信号ckc控制。
[0063]
使用截波器511及512可消除偏移电压(offset)的干扰。因为截波器可切换比较元件520两端的输入，因此比较元件520所产生的偏移电压，会一次走在正极，另一次走在负极。但对输入端而言，当偏移电压走在正极时，其输出也位于正极；而偏移电压走在负极时，其输出会被反向回来，因此，无论何种情况，输出总是与输入关系相同，而比较元件520的偏移电压则会在输出端上从固定值变成载波，其频率对应于截波时钟信号ckc。使用如图5的截波比较器，可滤出比较元件520取样时所造成的偏移电压的干扰，避免偏移电压影响时序的评估。
[0064]
图5的结构可为选择性的使用。图6为图5的比较器使用于图3的检测电路300的示意图。通过使用图5的比较器，可降低偏移电压的干扰。因使用截波器，故图5的比较单元330接收截波时钟信号ckc。图6的操作原理相似于图3，故不重复叙述。
[0065]
图7为另一实施例中，时序误差的检测电路700的示意图。检测电路700包含第一通道ch1、第二通道ch2、第三通道chr及比较单元730。第一通道ch1、第二通道ch2及第三通道chr接收参考信号x(t)以分别产生第一信号x1、第二信号x2及第三信号xr。同理于图3，信号x1、x2及xr可分别表示为x1＝a1*x(t+t1)、x2＝a2*x(t+t2)及xr＝a1*x(t+tr)。比较单元730可根据信号x1、x2及xr以分别产生第一比较信号d1(t)、第二比较信号d2(t)及第三比较信号dr(t)。通道ch1及ch2为待测通道，且通道chr为已知通道。比较信号d1(t)、d2(t)及dr(t)可用以计算通道ch1及ch2的相位差。图7与图3的差异在于，检测电路700中不执行采样操作。然而，检测电路700用于参考信号x(t)比较简单的情况。例如，当参考信号x(t)为相似于图4的简单线性信号，则可如图7所示，使用比较单元730将信号x1、x2及xr转为一位元数字信号，以执行处理，从而求得通道ch1及ch2的相位差δt。图7的比较单元730接收截波时钟信号ckc，其相似于图6的比较单元330。
[0066]
综上，通过使用实施例提供的检测电路300及700，可有效的简化电路的复杂度，即可求得两待测通道的相位差及先后关系。实际应用上，例如声纳信号，超声波发射前后，所经过的通道响应不同，通过与参考通道(如上述通道chr)的比对，可找到被测物的距离及深度。又例如飞时测距(tof，time of flight)的应用，激光发出后，根据反射的激光信号，比
对关联性(correlation)的关系后，即可得到测量距离。又如低速的相位检测电路，可通过关联性的长时间计算比较，得到相当微小的相位差，故有助于检测的精密度。使用实施例提供的检测电路，可确认两通道传送的信号的相位先后。因此，实施例提供的检测电路，实有助于处理本领域的难题。