【発明の詳細な説明】
位相測定装置
従来の技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の2つのディジタル入力信号間の位相
差を検出する装置に関する。
U.TietzeおよびCh.Schenk著の専門書”Halbleiter-Schaltungstechnik(半導
体回路技術)”、Springer-Verlag,1989,の第27.4.1〜27.4.4章
、第956〜967頁から、位相測定装置は公知である。第27.4.1章およ
び第27.4.2章に記載されているサンプル・アンド・ホールド素子ならびに
同期検波器(これらはそれぞれ位相測定装置として使用されている)の場合、位
相のシフトと出力信号との間の関係は、非直線的である。第27.4.3章およ
び第27.4.4章で述べられている回路案によれば、アナログの入力信号から
既知の振幅を有するディジタル信号を発生させ、この信号はアナログ低域通過フ
ィルタによりろ波される。そして低域通過フィルタの出力側から取り出すことの
できる電圧が、位相のシフトに対する尺度となる。第27.4.4章に記載され
ている回路によれば、360°の値を上回る位相差の検出が可能である。この回
路の場合も、位相情報は
ディジタル信号の平均値に含まれており、これはアナログ低域通過フィルタ処理
により供給される。
本発明の課題は、高い測定レートを可能にする位相測定装置を提供することに
ある。
この課題は、独立請求項に記載の特徴により解決される。
発明の利点
第1の構成による本発明の位相測定装置によれば、360°までになる可能性
のある2つの入力信号間の目下の位相差を求めることができる。第1の入力信号
の周波数は、第2の入力信号の周波数とかなり異なっている可能性がある。位相
測定の分解能は、クロック信号の周波数を第1の入力信号の周波数の所定の倍数
に設定することでまえもって定めることができる。
本発明の他の構成による位相測定装置によれば、第2の入力信号の周波数が第
1の入力信号の周波数よりも高い場合に、360°の倍数の2つの入力信号間の
位相差を求めることができる。その際、まずはじめにメモリに第1の入力信号の
所定の側縁の出現が記憶される。そして第1の入力信号の次の所定の側縁の前に
第2の入力信号においてy≧2であるy個の所定の側縁が生じると、y−1個の
スイッチング信号がカウンタへ供給され、このカウンタの計数状態が360°の
倍数の位相差に対する尺度として評価される。
さらに別の構成による本発明の位相測定装置によれ
ば、第1の入力信号の周波数が第2の入力信号の周波数よりも高い場合に、36
0°の倍数の2つの入力信号間の位相差を求めることができる。その際、まずは
じめにメモリに第1の入力信号の所定の側縁の出現が記憶される。第2の入力信
号の次の所定の側縁の前に第1の入力信号においてx≧1であるx個の後続の所
定の側縁が生じると、x個のスイッチング信号がカウンタへ供給され、計数状態
が360°の倍数の位相差に対する尺度として評価される。
本発明による位相測定装置の上述のすべての構成の有する利点とは、第2の入
力信号の1つの周期の経過後ただちに位相差の目下の測定値が得られることであ
る。これらの構成に共通するのは、それぞれカウンタが2つの入力信号の所定の
側縁によりその計数状態が位相差の尺度となるよう制御されることである。平均
値形成はもはや不要である。本発明による位相測定装置の種々の構成により、2
つの入力信号の周波数が著しく異なっていても精確な測定値が得られる。
従属請求項には、本発明による位相測定装置の有利な実施形態が示されている
。
1つの有利な実施形態によれば、本発明による位相測定装置の第2の構成と第
3の構成が組み合わせられ、カウンタとしてアップダウンカウンタを用いればこ
の実施形態を著しく簡単に実現できる。第1の入力信号の周波数が第2の入力信
号の周波数よりも大きいか
小さいかに依存して、カウントアップパルスまたはカウントダウンパルスが生成
される。したがって計数状態は、2つの入力信号の周波数差とは無関係に両入力
信号間の位相差を表す。カウンタの構成に依存して、正の位相差も負の位相差も
360°の倍数として出力できる。
上述の第1の構成の有利な実施形態によれば、クロック周波数は第1の入力信
号の2のべき乗である倍数としている。2のべき乗を選ぶことで、2進カウンタ
を用いて回路技術的に簡単な実現が可能になる。
本発明による位相測定装置は、アナログの入力信号にもディジタルの入力信号
にも適している。アナログの入力信号を、ディジタル信号を送出するカウンタへ
それぞれ導くことができる。
平均値形成によって360°までの範囲内における位相測定の測定精度を高め
ることができ、これにより一義的な結果が得られる。
本発明による位相測定装置はたとえば、ヘテロダイン干渉計に組み込まれたフ
ォト検出器から出力される信号の位相差を評価するのに適している。このような
適用事例では、測定物体の運動に関する情報を得ようとする場合に高い測定レー
トが必要である。この場合、第1の入力信号を、まえもって定められた既知の一
定の周波数を有する基準信号とするとよい。そして第2の入力信号は測定物体の
作用を受けた測定信号であ
り、この信号は測定物体の運動中、可変の周波数を有する。360°の任意の倍
数の測定範囲における位相差を測定することで、相応に広い位置範囲での測定物
体の運動を求めることができる。
本発明による位相測定装置のさらに別の有利な実施形態は、以下の説明との関
連でその他の従属請求項に示されている。
図面
第1図は本発明による位相測定装置のブロック図であり、第2〜第4図は第1
図による装置において発生するパルスを時間に依存して示す図であり、この場合
、第2図では2つの入力信号の周波数は互いに等しく、第3図では第2の入力信
号の周波数は第1の入力信号の周波数よりも大きく、第4図では第2の入力信号
の周波数は第1の入力信号の周波数よりも小さく、さらに第5図は本発明による
位相測定装置において生じるプロセスシーケンスのフローチャートである。
第1図の場合、第1の入力信号S1は第1の比較器10へ供給され、第2の入
力信号S2は第2の比較器11へ供給される。第1の比較器10は第1の側縁検
出器12へ信号を転送し、第2の比較器11は第2の側縁検出器13へ信号を転
送する。第1の側縁検出器12は第1の信号F1を制御回路14へ供給する。第
1の信号F1は同時に、第1のカウンタ16に対するリセット信号15でもある
。第2の側縁検出器13は
制御回路14へ第2の信号F2を供給する。さらにクロック発生器17が設けら
れており、これはクロック信号TAKTを第1および第2の側縁検出器12,1
3ならびに制御回路14へ供給する。このクロック信号TAKTはさらに第1の
計数信号18として第1のカウンタ16へ供給される。第1のカウンタ16は、
計数状態を表すnビット幅のディジタル出力信号VZをレジスタ19へ送出し、
さらにこのレジスタへは制御回路14から送出される制御信号F2Eが導かれて
いる。レジスタ19の出力側から、nビット幅の第1のディジタル数値PHを取
り出し可能である。制御回路14はさらに、第1のスイッチング信号VORと第
2のスイッチング信号RUCKをmビット幅のカウンタ20へ供給し、このカウ
ンタの出力側からはmビット幅の第2のディジタル数値VRを取り出し可能であ
る。
次に、第1図に示した位相測定装置の動作を第2図〜第4図に示されている信
号経過特性に基づき詳細に説明する。
第2図〜第4図では、入力信号S1,S2がディジタル形式で示されている。
入力信号S1,S2がディジタル信号でないのであれば、アナログ入力信号S1
,S2を対応するディジタル信号へ変換する比較器10,11を設けることがで
きる。
第2図〜第4図には、どの信号が他の信号のレベル
または側縁の発生に依存して変化しているかを示す矢印が書き込まれている。
両方の入力信号S1,S2は基本的に、クロック信号TAKTに対し時間的関
連性を有していない。クロック信号に関連づけられて同期のとられた単純な信号
処理を行えるようにする目的で、両方の側縁検出器12,13により上述の時間
的関連性が形成される。これら両方の側縁検出器12,13はクロック信号TA
KTにより制御される側縁検出器であり、これらはそれぞれ入力信号S1,S2
の所定の側縁31,32に応じて、1クロック周期30の持続時間を有するパル
ス33,34を第1および第2の信号F1,F2として送出する。第2図〜第4
図の場合、所定の側縁31,32はそれぞれ正の側縁であるものとしている。し
たがって第1の信号F1は、第1の入力信号S1の正の信号側縁31が発生した
ことを1クロック周期30の持続時間にわたり指示しており、第2の信号F2も
相応に、第2の入力信号S2の正の側縁32が発生したことを1クロック周期3
0の持続時間にわたりシグナリングしている。
本発明による装置の第1の構成の場合、360°までの値をとる可能性のある
両方の入力信号S1,S2間の位相差の検出が行われる。
クロック信号TAKTの周波数は、第1の入力信号S1の周波数の倍数とする
。入力信号S1を基準信号
とし、この基準信号に対し第2の入力信号S2の位相シフトを求めるものとする
。実践では、第1の入力信号S1の周波数は既知であることが多い。しかし既述
のように、クロック信号TAKTに対する位相の関連性はない。以下では、倍数
として2のべき乗が選択されるものとする。その利点は、第1のカウンタ16と
してnビット幅の2進カウンタを用いることができる点である。
第1のカウンタ16はたとえばnビット幅の同期アップカウンタであり、これ
はクロック信号TAKTと同一の第1の計数信号18の正の側縁が生じるたびに
インクリメントされる。このカウンタの特徴は、計数状態(2n−1)に達する
と後続のクロック信号TAKTが生じてもその計数状態(2n−1)にとどまり
続けることである(計数状態0,1,2...へさらにジャンプしない)。
目下の計数状態は、第1のカウンタ16のnビット幅の出力信号VZにより表
される。第1の信号F1のパルス33で指示される第1の入力信号S1のそのつ
どの正の信号側縁31により、第1のカウンタ16の所定の値(有利にはゼロ)
へのリセットがトリガされる。リセット信号15は第1の信号F1と同一である
。リセット過程を引き起こす第1の信号F1のアクティブな側縁として、第2図
〜第4図ではパルス33の立ち下がり縁が用いられており、これはクロック信号
TAKTにおける次のアクティブな(正の)側縁と同期して発生する。これらの
アクティブなクロック信号の側縁はそれぞれ矢印で示されている。
制御信号F2Eによって、第1のカウンタ16のnビット幅の出力信号VZが
いつ有効であるかが指示される。この制御信号F2Eは制御回路14において最
も簡単には第2の信号F2から、パルス34の立ち下がり縁に続いてクロックに
同期して生成される。制御信号F2Eは、たとえば1クロック周期の持続時間3
0を有するパルス35から成る。パルス35の持続時間中、出力信号VZは有効
である。そしてパルス35の負の側縁によって出力信号VZがレジスタ19へ転
送され、このレジスタは制御信号F2Eの後続のパルスが次に発生するまで第1
のカウンタ16の計数状態を記憶する。
レジスタ19の出力側からnビット幅の第1の数値PHを取り出し可能であり
、これは正の整数と解することができる。第1の数値PHは両方の入力信号S1
とS2の間の目下の位相差を表しており、この位相差は0°〜360°をとる可
能性がある。分解能は360°/(2n)となり、第2図〜第4図では2nが値8
を有するものとする。したがってクロック信号TAKTの周波数は第1の入力信
号S1の8倍、大きくなる。
第2図には、両方の入力信号S1,S2の周波数が
互いに等しい事例が示されている。この場合、(一定の)位相差を第1の数値P
Hの値2により表し、これは角度90°に対応づけられている。
第3図および第4図には、両方の入力信号S1,S2の周波数が互いに異なる
事例が示されている。第3図の場合、第2の入力信号S2の周波数は第1の入力
信号S1の周波数よりも高く、第4図には逆の事例が示されている。この場合、
位相差は常に変化している。とりわけ重要であるのは、第2の入力信号S2のそ
のつどの所定の側縁32の後に位相差の実際値が生じていることである。
本発明による位相測定装置の別の構成(これは有利には第1の構成と組み合わ
せられる)によれば、360°の倍数の位相差の一義的な位相測定が可能である
。2つの別の構成とも基本的に第2のカウンタ20を有しており、このカウンタ
へは第1のスイッチング信号VORまたは第2のスイッチング信号RUCKが第
2または第3の計数信号として導かれている。第1および第2のスイッチング信
号VOR,RUCKは、第1および第2の信号F1,F2に依存して制御回路1
4により生成される。本発明による位相測定装置の第2の構成と第3の構成の相
違点は、第2の構成では第2の入力信号S2の周波数は第1の入力信号S1の周
波数よりも高いのに対し、第3の構成ではこの関係が逆になっていることである
。しかしながら殊に有利に
は、第2のカウンタ20をアップダウンカウンタとすることで第2の構成と第3
の構成を組み合わせることができ、その際、第1のスイッチング信号VORは第
2のカウンタへ第2の計数信号として導かれ、第2のスイッチング信号RUCK
は第2のカウンタ20へ第3の計数信号として導かれる。
次に、第5図に示されているフローチャートに基づき、制御回路14による第
1および第2のスイッチング信号VOR,RUCKの準備処理について詳細に説
明する。
このプロセスは初期化40から始まり、その際、SETと称する補助量がゼロ
にセットされる。この補助量SETはたとえば次のようなメモリ内容であって、
これは入力信号S1,S2の所定の側縁31,32が生じたときに、あるいは(
第2図〜第4図に示されているクロック信号に同期した信号処理の実例によれば
)第1および/または第2の信号F1,F2のパルス33,34が発生したとき
に変化するものである。初期化40の後に側縁検査41が続く。側縁31,32
に応じてパルス33,34が検出されなかった平凡な事例が生じたならば、側縁
検査41が新たに実行される。側縁検査41において入力信号S1の所定の側縁
31に応じて第1の信号F1のパルス33の発生が検出されたならば、第1の質
問ステップ42において補助量SET=1であるか否かが調べられる。SET=
1でなければ、補助量SETに値1が割り当てられ、その後、再び側縁検査41
が行われる。これに対し第1の質問ステップ42において補助量SET=1であ
ると判明すれば、第1のスイッチング信号VORが制御回路14により生成され
、この信号は第3の計数信号として第2のカウンタ20へ導かれる。
第1のスイッチング信号VORの発生は、第1の入力信号S1の周波数が第2
の入力信号S2の周波数よりも高い場合の第4図に示されている事例に対応する
。この場合、第2のカウンタ20の出力側におけるmビット幅の第2の数値VR
は1だけ高められる。1だけ高められるということは、第1の入力信号S1が第
2の入力信号S2よりも360°だけ位相が進んでいることを意味している。
側縁検査41において第2の入力信号S2の所定の側縁32に応じて第2の信
号F2のパルス34の発生が検出されると、第2の質問ステップ43において補
助量SETが値1を有しているか否かが調べられる。SETが値1を有していれ
ば、次に補助量SETがゼロにセットされ、続いて再び側縁検査41が実行され
る。第2の質問ステップ43において補助量SETが値ゼロを有していると判明
すれば、制御回路14により第2のスイッチング信号RUCKが生成され、これ
は第3の計数信号として第2のカウンタ20へ供給される。この事例は第3図に
示されており、これは第1
の入力信号S1の周波数が第2の入力信号S2の周波数よりも小さい場合である
。第2のカウンタ20の出力側におけるmビット幅の第2の数値VRは、第3の
計数信号RUCKにより1だけ低減される。1だけ低減されるということは、第
1の入力信号S1が第2の入力信号S2に対し360°だけ位相が遅れているこ
とを意味している。
側縁検査41の実行に際し、両方の信号F1,F2のパルス33,34が同時
に出現する事例の生じる可能性がある。両方の信号F1,F2の代わりに両方の
ディジタル入力信号S1,S2を、所定の側縁31,32の発生に関してじかに
検査しているかぎり、この事例はまれにしか生じない。この場合、所定の信号側
縁31,32の同時発生は、制限された動作速度しか有していない後続の信号処
理に依存することになる。クロック信号TAKTと同期のとられている両方の信
号F1,F2を利用する状況においては、このような特殊な事例が頻繁に出現す
る。そしてこの出現の確率は、クロック信号TAKTの周波数が第1の入力信号
F1の周波数よりも整数倍でどの程度高くなっているかに依存する。2nが値8
を有しているような第2図〜第4図に示されている事例の場合、両方の信号F1
,F2の同時出現に対する確率は1/8である。第2図にはこのような特殊事例
が示されている。この場合、制御回路14からは第1のスイッチング信号VOR
も第2のスイッチング信号RUCKも発生しない。側縁検査41においてこのよ
うな状況が検出された後、側縁検査41が新たに実行され、その際、まえもって
補助量SETがゼロにセットされる。第2のカウンタ20は到達していた計数状
態をそのまま保持する。
第1の構成の場合のように、本発明による位相測定装置の他の構成においても
、位相差が360°の超えるとただちに目下の値がとられるようにすると有利で
ある。
mビット幅の第2の数値VZをnビット幅の第1の数値PHと統合することで
、ただ1つの(m+n)ビット幅の数値VZ.PHが得られ、これによって位相
測定値が完全に表される。クロック信号TAKTの周波数と第1の入力信号S1
の周波数の比が2のべき乗であれば、(m+n)ビット幅の数値VZ.PHはそ
のまま、m個の小数点以上の桁とn個の小数点以下の桁を有する2の補数と解す
ることができ、これは360°の単位で位相差を表すものである。
場合によっては測定レートが低減したときでも測定精度を高めるために、複数
の位相測定値VZ.PHを合算してから測定値の個数で除算することができる。
有利には、平均をとるべき位相測定値の個数は2のべき乗である。そしてこの
2のべき乗による除算は、平均結果を表す2進ワードの相応の桁数だけ単純に右
にシフトすることで実現できる。
【手続補正書】特許法第184条の8
【提出日】1995年11月10日
【補正内容】
請求の範囲
1.第1のディジタル入力信号と第2のディジタル入力信号の位相差を求める装
置において、
クロック発生器(17)が設けられており、該クロック発生器は、第1の入
力信号(S1)の周波数の整数倍の周波数を有するクロック信号(TAKT)を
送出し、
前記クロック信号(TAKT)は第1の計数信号(18)として第1のカウ
ンタ(16)へ導かれ、
該第1のカウンタ(16)は、前記第1の入力信号(S1)の所定の側縁(
31)によりリセットされ、
第2の入力信号(S2)の所定の側縁(32)が発生すると、前記第1のカ
ウンタ(16)の計数状態が0°〜360°の範囲内の位相差に対する尺度とし
て評価され、
第1の入力信号(S1)の所定の側縁(31)が発生し、第2の入力信号(
S2)の次の所定の側縁(32)の前に前記第1の入力信号(S1)においてx
≧1であるx個の後続の所定の側縁(31)が発生したとき、x個の第1のスイ
ッチング信号(VOR)が第2の計数信号としてアップダウンカウンタ(20)
へ導かれ、
該アップダウンカウンタ(20)の計数状態は3
60°の倍数の位相差に対する尺度として評価され、
第1の入力信号(S1)の所定の側縁(31)が発生し、該第1の入力信号
(S1)の次の所定の側縁(31)の前に第2の入力信号(S2)においてy≧
2であるy個の所定の側縁(32)が発生したとき、y−1個の第2のスイッチ
ング信号(RUCK)が第3の計数信号としてアップダウンカウンタ(20)へ
導かれ、
該アップダウンカウンタ(20)の計数状態は360°の倍数の位相差に対
する尺度として評価されることを特徴とする、
第1のディジタル入力信号と第2のディジタル入力信号の位相差を求める装
置。
2.前記クロック信号(TAKT)の周波数は、前記第1の入力信号(S1)の
周波数の2のべき乗の倍数に設定されている、請求項1記載の装置。
3.比較器(10,11)が設けられており、該比較器によりアナログの入力信
号(S1,S2)から対応のディジタル信号が形成される、請求項1記載の装置
。
4.評価結果の平均値形成が行われる、請求項1記載の装置。
5.第1のカウンタ(16)としてnビット幅のアップカウンタが設けられてい
る、請求項1記載の装置
。
6.前記第1のカウンタ(16)は、所定の計数状態(2n−1)に達すれば後
続のクロック信号(TAKT)が発生しても該計数状態(2n−1)にとどまり
続ける、請求項5記載の装置。
7.ヘテロダイン干渉計に用いられ、前記の2つの入力信号(S1,S2)は2
つのフォト検出器からの出力信号である、請求項1記載の装置。