（测试计量技术及仪器专业论文）精密时间间隔测量方法及其应用的研究.pdf

摘要 在现代电子技术中，频率及时问的测量与它们的控制技术占有非常重要的地 位。本文主要探讨有关精密时间间隔垂勺测量方法及其应用。 首先，本文在对模拟内差法、游标法等高精度的短时问间隔测量方法进行研 究的基础上，提出了一种新的高分辨率的时间间隔测量方法，该方法将直接计数 法与量化延时法相结合，有效地消除了1 个字计数误差的影响。在此方法基础上， 设计了高精度的时| 川福测量仪，该测量仪具有4 3 n s 的分辨率，测量范凼1 0 0 n s 1 0 u s 。由于采用了可编程逻辑器件c p l d 和相应的e d a 开发工具，简化了电路设计， 缩短了丌发周期。本文还对无源延时线法，并行延迟锰阵测时法和双量化延迟链 测时法等短时问问隔测量方法作了进一步研究。 本文在第二部分详细介绍了基于g p s 锁定的高稳晶体振荡器，第一一部分所述 的高精度的时阃间隔测量仪在该课题中得到了应用，锁定后的晶体振荡器具有与 g p s 星载钟一致的长期频率稳定度。此晶体振荡器构成的频率标准可作为时间同 步网中的节点时钟。 关键词：高分辨率短时间问隔测量 g p s 稳定度 a b s t r a c t i nt h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n i q u e s ，f r e q u e n c ya n dt i m em e a s u r e m e n t a n dt h e i r c o n t r o l t e c h n i q u e sh a v eav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o n t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e s t u d yo f s o m en e wm e t h o d sa n di t sa p p l i c a t i o no f p r e c i s et i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t a tf i r s t ，t h i s p a p e rp r e s e n t s ak i n do ft h e o r yo fh i g h p r e c i s i o n t i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n tb a s e do nt h e s t u d yo f t h eo t h e rm e t h o d ss u c ha st h em e t h o do f i n t e r p o l a t o r a n dv e r n i e r t h i sk i n do fm e t h o do f f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti st h ec o m b i n a t i o no ft h e m e t h o do fd i r e c tc o u n t i n ga n dt h em e t h o do f q u a l i f i e dd e l a yt i m e ，w h i c he f f e c t i v e l y e l i m i n a t e st h ee f f e c to f 1e r r o r b a s e do nc p l dak i n do fh i g hp r e c i s i o nt i m e j n t e r v a im e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti s d e s i g n e d w i t ht h er e s o l u t i o no f4 3 n sa n dt h e m e a s u r e m e n tr a n g eo flo o n s lo u s b e c a u s eo fu s i n gp r o g r a m m i n gl o g i cd e v i c ea n d e d a s o f t w a r e ，t h ec i r c u i td e s i g ni ss i m p l ea n dt h ep e r i o do f d e v e l o p m e n t i ss h o r t t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i g hs t a b l ec r y s t a lo s c i l l a t o rl o c k e db y g p si nw h i c h h i g hp r e c i s i o nt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti su s e d t h el o c k e d c r y s t a lo s c i l l a t o rh a st h es a m el o n gf r e q u e n c ys t a b i l i t ya so n eo fa t o m i cc l o c ki ng p s s a t e l l i t ea n dc a nb eu s e da sn o d ec l o c ki ns y n c h r o n o u sn e t w o r k k e yw o r d s ：h i g h r e s o l u t i o ns h o r tt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tg p s s t a b i l i t y 创新性声明 艇鞫 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过得研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：d 型江瘟 本人承担一切相关责任。 日期：赶口垒：z ：6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属谣安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：i 美! 三三缝 同期：。丛颦：一鱼 导师签名：f 国摺 同期：2 笾照 ：垒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 时问基准的发展和时间频率测量的重要性 时间和空问是物质存在的基本形式，任何物质的运动、变化或发展过程，都 是在时间和空问内发生的，人类的一切活动，离不开时间和空问。时间是一个基 本的物理量，它的单位是秒。许多世纪以来，人类是通过天文观测和计算的方法 获得准确的秒。随着科学技术等生产力的发展和进步人类对时1 1 1 i j 准确度要求越 来越来高，时间单位的确定也经过了世界时、历书时和原子时的过程。 在十九世纪二十年代，法国的一些学者出于对地球自转均匀性的信赖，将地 球自转周期的8 6 4 0 0 分之一定义为时间的单位秒。然而，由于地球的自转是不 均匀的，在不同的年代得到的世界时秒长并不一致，其精度只达到1 0 ”友右。在 1 9 6 0 年的1 1 届国际计量大会上决定采纳基于地球公转周期的历书时秒定义，这是 个不变的量，在理论上是一种均匀时标，但是观测比较困难，而且需要成年累月 地进行。利用对太阳和月亮的综合观测三年的资料才能得到1 0 1f 勺精度。随着量 子理论和电子学的发展，人们认识到，原子和分子只处于定的量子能级。当它 从一个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或i 吸收定频率的电磁波，而这种电磁 波的频率稳定性相当高。1 9 6 7 年1 3 届国际计量大会通过新的原子秒定义：“秒为 铯一1 3 3 原子基态两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 ，1 9 2 ，6 3 1 ，7 7 0 个周期 的持续时闯”。目前，铯原子钟的精度可达到1 0 ”量级，而且原子钟的性能仍在不 断提高，工作物质在不断更新，工作方式在不断优化。同时，各国的激光稳频工 作亦在开展，其目标是准确度和稳定度均优于微波量子频率标准的“光子钟”。 由此可见现代量子频标的出现和电子技术的进步，使得时间频率计量的稳定 度和准确度极大地提高了其计量水平遥遥领先于其它量值。时间频率也因此成 为当今物理量准确计量的基础。其它量值计量若能转换为时间频率计量，水平均 能得到显著提高。时间频率测量也是导航技术的基础，在军事上有重要的应用。 短时间间隔的精密测量，在时频领域中又是一切其它量( 如时f j 或相位的起伏、 频率与频率稳定度) 精密测量的基础，同时又可以被广泛地用于各种非时频量的 高精度测量中。高精度的一定范围内的短时间间隔测量方法可以宜接在高精度频 率、相位和时间以及许多非频率量的测量中获得应用。它的发展不但对于时频技 术的发展有很大的促进作用而且对于各种量的精密测量和控制，对予测控技术 在工业、国防及科学技术的进步方面都起到举足轻重的作用。这方面所取得的新 技术及成果将会产生巨大的经济效益。 目前，国内外所使用的时间间隔测量方法。有计数法、内插法、游标法、时 精密时间间隔测量方法及其应用的研究 问电压变换法等。计数法一般是用计数器对来自时基的输入脉冲进行计数，使主 门的了1 ：启时间等于启动脉冲和停止脉冲之间的时间间隔，于是计数器读出的脉冲 数与被测时间间隔成f 比。这种方法较简单，但精度不高。内插法和游标法都是 用模拟的方法将时间间隔进行处理后再进行计数，虽然精度提高了，但线路设计 复杂，并没有从根本上解决1 个字的误差。时间一电压变换法是利用电容的充放 i 乜时问进行时f 日j f j 隔测量，它必须有a d 转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。 1 2 时间同步技术 时间测量的e l 的是建立用于时间计量的系统( 又称基准或尺度) 。它可以提供 尽可能准确和均匀的时间，并通过这个系统时间的传递，为分散在一定范围内的 l v j e q , 之d j 建立并保持同步运行提供了可靠的参考信号，以此来实现时间间距的测 量和时刻的测定。“同步”是指在某一系统中的各个钟相对于同一瞬时事件能够给 出相同的钟面读数，或者说，信号之间在时间和相位上保持严格的特定关系。一 般而南，它们不一定要求参考于某一时间尺度，如u t c 时间，而只需要有一个共 同的参考信号，任何可以清楚识别的电磁事件都可以作为这样的参考信号。 随着原子钟作为钟源的采用时间基准的准确度和稳定度指标远远高于它们之 m 的远距离同步t l ：x - j + 的能力，这促使了高精度时间、频率同步技术的发展。从陆基 到星基，从无线到有线，各种高精度的比对、传递技术的研究均到很高的水平。常 用的时间同步技术有地面远程时频同步技术、地面空间时频传递、微波t f 传递系 统、激光时问传递等。 ， g p s 系统是一种基于卫星的无线电导航系统g p s 信息中的时问信息和定时信 号可为地球上任何地方以及空间用户提供服务，其中获得的1 脉冲数s ( 标准秒) 信号的t t , - j - 亥f j 准确度可达5 0 n s l u s 。因此g p s 系统不仅是一个全天候的导航定位系 统，而且是一个高准确度的定时系统；利用g p s 信息中的标准时问和定时信号，能 实现标准时间尺度的建立、商准确度的时间( 频率) 统一和同步以及高准确度时问 频率比刑。 1 3 本论文的主要成果及内容安排 一、本论文成果 由于当前时间频率基准的稳定度和准确度不断提高，对相应的时间频率的测 量手段和方法提出了更高的要求。本论文一个成果就是根据这种情况。结合厂家 意见，对精密时间间隔的测量方法进行了深入的研究，设计出基于量化时延原理 第一章绪论 的高精度的时间间隔测量仪，测量范围为1 0 0 n s l o u s ，测量分辨率为4 3 n s 。 在本实验室周渭教授的指导下，本文研究了一种基于量化时延原理的短时间 间隔测量方法，结合直接计数法，完成了对时间间隔的高精度测量。即利用门电 路延时现象，对短时问间隔进行量化，通过单片机进行数据处理，完成对时问间 隔的测量。利用量化时延方法。寻找合适的延时单元至关重要。可作为延时器件 的可以是无源导线、有源门器件或其它电路，导线的延迟时m 较短( 接近光速传 播的时延) ，而门电路的延迟时间相对较长。在大多数情况下，门电路可以用于时 鬲的测量中，其中与门是最方便的延时电路。时问问隔的测量精度依赖于延 时器件的量化稳定度和单位延时单元的延时值。 本测量仪中采用了a i - i e r a 公司的c p l d 器件e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 一1 5 ，把除了单片 机之外的数字部分都做在一片c p l d 中。c p l o 器件的连线结构保证了延时单元延时 时间的一致性，而且电路的修改非常方便。a l t e r a 公司的m a x + p l u si i 是优秀的 i ：d a 软件。它为我们提供了丰富的电路输入方法，我们可以方便的使用原理图输入、 硬件描述语言输入、网表输入等各种方法输入我们所需要的电路，其次通过功能 强大的时仿真检查电路是否实现了所要求的功能，然后通过后仿真检查电路是甭 证确，最后可以通过下载电缆将可编程文件( p o f ) 下载到所逸器件中，并进行 i u 路渊试。这种设计方法可以大大缩小印制扳的面积，大最的器件币i 置在可编程 芯片中省去了器件之划的布线。较之传统的测量方法，应用量化时延方法，同 寸基于c p l d 器件测量短时f j j 间隔，在测量精度相当的情况下，电路结构更为简单， 成本和体积大大缩小。该测量仪的相关技术成果已成功转让给四川成都星华时频 技术有限公司，技术转订：协议见附录b 。 本文的第二大部分介绍了基于g p s 锁定的高稳晶体振荡器技术方案，在浚设 计中，利用g p s 接收机，可以收到并产生长期稳定性较好的秒信号，将它与本地 频标( 高稳晶体振荡器) 的分频信号进行比对。基于第一部分论述的时问问隔测 量仪所能实现的对相位差的高精度、近实时的测量，同时利用卡尔曼滤波的方法 对测量数据进行处理，消除了秒信号的定时误差。按照相位差的变化的速率，计 算出相对频差，和本地频标的压控灵敏度综合考虑，产生出对本地晶体振荡器的 控制修正电压。经过多个测量和控制反复最终实现了把本地晶体振荡器的长期 准确度锁定在6 p s 标准的长期准确度上。 一般的时间阃隔的测量中，用l o n z 的信号作为填充脉冲频率，只有l o o n s 的测量分辨率要累积给出l x l 0 1 1 的比对精度，就需要1 0 0 0 0 s 以上的比对时间。 虽然，现在的成品测量仪器有很高的测量精度但造价很高，且不利于整个系统 的集成和小型化。而利用基于量化时延原理的高精度时间间隔测量仪，可以获得 4 3 n s 的测量分辨率，这样，达到lx1 0 “的比对精度，只要4 0 0 多秒的时唰这 是对原子钟的比对和锁定精度，如果对高稳定度的晶体振荡器进行锁定和比对在 4 精密时间间隔测量方法及其应j - h 的研究 l l o 。”的比对精度，只要4 0 多秒的时间就够了。 二二、内容安排 全文各章节内容安排如下： 笫二章简要介绍了常用的短时间问隔的测量方法和一种特殊短时问问隔的 测量方法，分析比较了它们的优缺点和适用场合。 第三章讲述了基于量化时延原理的短时问问隔的测量方法，同时给出了基于 此原理和c p l d 器件的时间间隔测量仪的设计方法及实验结果。最后围绕着量化时 延法，提出了进一步提高测量分辨率的几种方法。 第四章给出了基于g p s 锁定的高稳晶体振荡器的系统方案设计，介绍了系统 组成和： 作原理。 1 4 小结 术章回顾时问基准的发展历程，介绍了由此推动的时间频率测量技术及时问 司步技术的发展现状及论文的主要成梁、内容安排。 第二章常用的高精度时间间隔测挺方法 第二章常用的高精度时间间隔测量方法 2 1 直接计数法 时间间隔的精确测量在许多领域都得到了广泛的应用，如激光测距系统、数 字集成电路动态参数的测量和时闻基准信号的高精度比对等。最简单的测量时问 间隔的方法是直接计数法。直接计数法就是在出待测n 寸问州隔构成的闸门信号中 填入脉冲，通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测的时问闻 隔。这种方法测量精度很低，主要决定于填充脉冲的频率，频率越高，精度越商， 但实际应用中，填充脉冲的频率如果太高，对相应的器件及线路的要求提高，而 且我们希望使用常用的标准频率源信号为5 m h z 或1 0 m h z ，单纯提高j ! ! ! 充脉冲的 频率不能从本质上解决问题。对于特别小的短时问问隔可能无能为力。下面分析 直接计数法的误差产生原因，如图2 1 所示。 竹测叫n j 从图2 ，l 可以得出由于填充脉冲与时间问隔构成的闸门边沿的相位关系具有 随机性，因此会产生1 个字的计数误差。r = t o ，。一，2 + ，如果我们能准确 测量出短时间问隔，。和，：，也就能够准确测量出时间恻隔7 、，消除1 个字的计 数误差。 短时间间隔精密测量的主要方法是模拟时间展宽法和时间电压变换法。 模拟时阃展宽法是先用模拟的方法将时间间隔处理后再进行计数：时问电压 变换法是先将时间间隔通过积分电路转换成为电压幅度信号，再用模数转换器对 其进行转换测量的方法。这两种方法通常都会再与n u t t 发明的内插法相结合，从 而达到皮秒级的时问间隔测量口1 1 6 1 。游标法是将短时阊间隔的开始和结束信号分j ) 1 5 作为一个振荡器的激励信号，产生两组脉冲序列，通过类似机械游标卡尺原理实 现高精度的测量。 精密时间间隔测量方法及其应埘的研究 2 2 模拟内差法 内插法2 1 是以测量时间问隔为基础的测量方法，它主要解决的问题是测出量 化单位以下的尾数，如图2 2 所示。内插法实际上要进行三次测量，即分别测出 n 、7 f 、乃。时间r 的测量和通用电子计数器测量时洲问隔的方法没有区别。 乃、乃的测量，要用内插器( 扩展器) ，将它们扩大1 0 0 0 倍，用“起始”扩展器 测量乃，在，时间内，用一个恒流源将一个电容器充电，随后以充电时间n 的 9 9 9 倍的时叫放电至电容器原电平。内插扩展器控制门由起始脉冲丌启。在电容器 c 恢复至原电平时关闭。图2 3 是内插时间扩展器原理示意图。扩展器控制的开门 u , d 删为乃的1 0 0 0 倍，即t = 乃+ 9 9 9 乃= 1 0 0 0 乃；在丁。的时间内计得时钊脉冲数 为f 得t 。= n ，乃，故 r ：n i t o ( 2 1 ) 1 0 0 0 类似地，止内插器将实际测量时间乃扩展1 0 0 0 倍，这时一= n ，瓦，故 t ：n _ , t o ( 2 - - 2 ) 1 0 0 0 山图2 , 2 可见，n o t o 和被测时间叫隔己的区别仅在于多计了乃而少计了7 i 故 h 0 十訾矾( 2 - - 3 ) 由此可见，用模拟内插技术，虽然测乃和乃时1 个字的误差依然存在。但其 千日对大小可缩小1 0 0 0 倍，使计数器的分辨力提高了三个量缴。 利用上述原理可以测量周期和频率。这时，计数器i i 得的仍然是时m 间隔。 在这种情况下，除了测量h 、乃、乃之外，还要确定在这个时间间隔内被测信号 有多少个周期m 。这样就可以通过如下计算得到周期疋和频率工： t ：( n o + n il - n 2 ) t o ( 2 4 ) 4 。 、 正= 丽1 0 0 0 n 赢nn ) t o ( 2 叫 “ (o+l一2 。 第二章常用的高精度时间间隔测餐方法 被测信号f x 区 兰兰二二二j 坠 l 叫乃卜一l l ll ! i ! li 生二二二二二二二刘! ： ，一，、= 肋n 一i 一k 一叫一 l l n 乃l 扩展器j l 扩展器_ r _ 一 l = i o o o t 撇 摧耻 幽22 内插法原理幽 幽2 3 内插时间扩展原理闰 2 3 游标法 这是一种以时间测量为基础的计数器，关键在于设法测出整周期数外的零头 或尾数肌。如图2 4 所示，可知 咒= n + n 一瓦 ( 2 - - 6 ) 若要测量起始脉冲和中止脉冲的时蚓问隔瓦。一般方法是出起始脉冲丌门， 以终止脉冲闭门，被测时间间隔咒即为闸门丌启时间。在闸门开启时间内，时基 脉冲通过闸门进入计数器。若时基脉冲周期为t o t ，计数器指示值为| v ，则疋；， 这时极限量化误差为1 个量化单位。卞面根据图2 4 讨论减少测量误差的一个方 法。 t 一 丁院 ! 塑童堕塑塑堕型墼查鲨壁基壁型堕竺窒 起始终j f ： 揣 信县e 二二二二二二二! ：二二二二二二二 输入信号+ 一 时钭t 脉冲 il li jii i li 刨堑蚓ii l 一陋彳；_ 一肛“伊_ 粕 图2 4 时间删蘸 如图2 4 所示，用乃来表示被测时问问隔瓦，从时间上来看，它少计了死 多计了疋。游标法用类似于机械游标卡尺的原理，较为准确的测出尾数瓦和l 瓦， 以提高时问的分辨力和准确度，避免了1 个字误差。 起始脉冲 停j l - 脉冲 输入f 自号i 。_ j f = 二= = 二i 二= = = = 二习 1 i 一j 一7 1 = n t t ”j l 一 时，j 缸li 盘矗li 山：山u n 3 ；r 一1 ； ( a ) 一n ， 符合点2 ( b ) ( a ) 1 ：作波形汹( b ) 原理框图 幽2 5 游标法原珲图 第二章常的高精度时间i n i 辑n 越方法 下面结合图2 5 ( a ) 的时间关系和图2 5 ( b ) 的方框图来澄明这种测量方案， 起始脉冲同时打开闸门和触发游标振荡器i ，这时脉冲间隔为t o ，的时基脉冲通过 闸门进入粗测计数器，其读数为z 萨，。游标振荡器i 的频率比时基频率稍低， 即砌比，稍长，周期为的游标计数器i 计数。若由第一个游标脉冲( o 号脉 冲) 后算起，经过x 个游标脉冲后，游标脉冲恰好和时基脉冲相重合，即时间上 第x 个游标脉冲和时基脉冲相重合，时基脉冲赶上了游标脉冲，则零头时j 旬死为 n 吖m ，一t o 一= 0( 2 7 ) t b = x ( t 0 2 - - t 0 1 )( 2 8 ) 在游标脉冲和时基脉冲重合时，由符合电路产生一个符合信号，使游标振荡 器i 停振，游标计数器i 不再计数，所以这时游标计数器i 的读数表示的州1 i j 为n = x ( t 0 2 - - t o j ) 。类似的游标振荡器i i 振荡周期办为砌游标计数器i i 若计得y 个 脉冲，则时基脉冲超前于游标振荡器i i 的第0 号脉冲( 其时州起点和中止脉冲相 同) 的时问瓦为 瓦= y r n 2 t o ，)( 2 - - 9 ) 因此，被测的时问问隔兀为 瓦= ( 一x + y ) ，+ ( x y ) n 2 = t o ，+ ( x j ，) t o ( 2 - - 1 0 ) 式中t o = t 0 2 - - t o 这种计数法的分辨力为( t 0 3 7 o ) ，它比粗测计数器分辨力，以及游标计数 器的分辨力乃? 都高。显然，2 愈接近，其分辨力愈高。 2 4 特殊短时间间隔的测量方法 通常，我们遇到的待测时间间隔有两种情况，- - 乖1 是非周期性的，只出现一 次，测量装最必须及时响应输入的变化：另一种就是周期性出现的，在周期性的 时间间隔测量中，还有一种特殊情况：信号的上升时间、下降时间、脉宽的测量 等。 要对周期性的信号进行高精度的测量，可以充分利用它们之问的规律性。两 个任意周期性信号之间的相位差会随着时间而变化，这种变化是周期性的、有规 律的。根据周渭教授的相位重合检测理论l ，这种周期性变化的周期称为两周期 性信号之间的最小公倍数周期瓦。也就是两信号问最大公因子频率兀。、的周期。 两周期性信号z 和 之间的量化相移分辨力为 。 厂下7 a t = j k = 1 l( 2 - 1 1 ) z 五瓦。 精密时间间隔测量方法及其应川的研究 当，= a 厶。、，工= b 。、时，其中a 和b 两个正整数互索。若a b 时， 则在一个r 周期内两信号问的量化相位差个数为b ，它们分别等于两信号间的相 对初始斗月位差值加上o ，7 1 ，2 丁，3 丁，( b 1 ) 7 。如果两比对信号频 率稳定度足够高、之m 有接近的频率值并在此基础上有一定的频差，则它们之i n j 的相位相对变化是单方向的，即相对相位差值是逐渐递增的。正是认识到这种规 律性本实验室的周渭教授提出了相位重台检测理论，且根掘此原理设计出多种 型号的离精度频率计。我们也一直想将此原理推广到短时“，j 问隔的高精度测量， 但如何使待测刚问间隔和己知的频率信号之间的相位相关，而不是一种随机的相 位关系，一直是个难题。下面介绍国际上出现的一种充分利用了采样时钟和待测 信号之问的相位关系的规律性，借助于p l l 电路和信号采样，实现了对信号的上 y l 时m 、f 降时间或脉宽这样的短时间间隔的测量方法i l 。 首先，我们分析图2 6 所示的采样波形。 m = 6 n = 5 m - 7 n = 5 y i ! ( r w ：v iv 1 u t p v iv ! u ) i 卜_ 迂jll0 。， ( a ) j ，一l u t p - l 纸肌扒趴扒； 卜r ，一 幽2 6 采样波形 t 5 夕弋l ：ttttt l2345 ( b ) 首先约定用w 代表待测信号波形，设它的频率为厂，周期为r ；m 与n 为互素 的矛整数：采样时钟为疋，周期为f ，。在i u t p 内，包括m 个周期的目标波形w ， 进行了n 次采样，即存在式( 2 - 1 2 ) 关系。图2 6 ( a ) 给出了m = 6 ，n = 5 时采样情 况：图2 6 ( c ) 给出了m = 7 ，n = 5 时采样情况。 p 2 1 u t p 2 m r 碲j f ，( 2 1 2 ) 设第次采样对应w 的相位中，则第n 次采样对应w 的相位是 m 。：嗡+ 2 ( n - 1 加丝岩】l i o d ：。 ( 2 1 3 ) v 通常，采样得到的相位在w 中的顺序与它在时间上的顺序是不同的，如图2 6 ( d ) 所示。如果对m 、n 取特殊的值，令m = n + i ，则二者的顺序是一致的，如图2 6 ( c ) 所示。根掘公式( 2 - t 3 )，每一次采样相位提前m = 2 n ，第n 次采样时整个 甜 第二章常川的高精度时问间隔测射方法 相位变化了2 x ( n 一1 ) 。 对应式( 2 1 1 ) ，我们可以认为：2 厂，正= f ， 2 厶，t = r ，r 。2 1 u t p ：= n r ，：在m = n + i 时，z = a - 。= m 工。= ( n + 1 ) z 。， = b 。j 。、= n 兀。，量 化相移分辨率如式( 2 - 1 4 ) 所示。 7 1 ：上：丝：堡：三( 2 1 4 ) f 、- 1t 。h t ；n 实际应用中，目标波形w 的周期是固定的、参数待测的。关键问题是如何产 生采样时钟 来保证它与w 的相位关系，这晕采用的是锁相环方法，如图2 7 ( a ) 所 示。 幽2 7 ( a ) 锁相习哩r 成 i 一1 u t p + ： z 广。广一 一 inc y c l e s l z 田n 厂 r 广 厂1门厂 r 厂 厂1 厂 ； mc y c l e s l 厂 | 几n 门r nr + 1r 几r r 几n ! 图2 7 ( b ) 锁相环路信号间的相1 ：i ) = 关系 卜中叫 i l 广 ! 厂 幽2 7 ( c ) 第一次采样时相位状况 信号厂与工间的相关性n f = m r s 是通过m 、n 分频实现的，两个计数器的输 出仅仅是相位不同，具有相同的周期u t p 。图2 7 ( b ) 描述了两信号间的时序关系； 图2 7 ( c ) 给出了第一次采样时对应的相位关系。 那么下面就讨论如何利用对信号采样的方法测量信号的上升时间、下降时间、 占空比等。 精密时间间隔测量方法及其应 h 的研究 幽28 测精方案框图 借助p i l 可以产生一个与被测信号w ( 频率为厂) 相位相关的信号，以此信 号作为比较器c o m p a r a t e r 的采样时钊，。同时还要产生一个控制时钟，它的一个 周j # j x , j 应一个u t p , 通过它来决定测量时间窗口的开始和结束。 比较器的一端接参考电压v r e f ，保持不变，另一端为待测信号波形w 。现在 以测量信号波形w 的上升时间为例，结合图2 9 所示波形说明测量过程。 1| 一 lu t p 1u t p 一、，一、，一、 i 。 ! 、 。 ： ：叫k k = ：y ； ： s s t i 1 s s ! n r i s 蚰h + s s t o p i - i l i l 0 0 一s e g1 一s e g l2 - s e g r l s e !i f a l l t i m e ! t i i n e 幽2 9 输出序列波形幽 令吃。，和f 。分别为待测时间间隔的开始和结束参考电压( 取 。= 0 1 k _ 。= 0 9 ) ，比较器将输出两组位序列墨。和s ，卸，两序列都 是在以f 为采样时钊t 时得到的采样值，因为令m = n + i 所以能保证了采样值的顺序 与实际的相位顺序是一致的。不需要重新排序该采样值被存储在存储器中，在 事后处理中由序列s ，口。和墨。导出一个新序列s = s 。，+ s 。，该序列有三种取 值o ，1 ，2 。处于。和2 之间的出连续的1 构成序列卜s e g 代表上升时间，而处于 2 和0 之间的出连续的l 构成的序列代表下降时问。 在采样时钟f 下，相邻两次的采样点间对应w 的相位差为m = 2 x n ，对 应l i t i h i 牟1 1 1 上的时制间隔为 第二二章常_ l 的高精度时问间隔测量方法 竺：垒生：三 ( 2 1 5 ) 2 彤 2 r rn 式( 2 - 15 ) 也是此种方法测量时间间隔的最小分辨率，r 是待测信号w 的周 期。式( 2 1 5 ) 的结果与式( 2 - 1 4 ) 导出的量化相移分辨率的值是一致的。 如果用l 表示i s e g 序列的长度，则上升时闯可出公式( 2 一1 6 ) 得出。 k = l 古 ( 2 1 6 ) 在此测量方案中，测量的准确性受到以下四个因素影l l i 自：( 1 ) 待洲信号w 的 周期重复t j - 年t l 参考电压的稳定性：( 2 ) 自身测量分辨率：( 3 ) p l l 的f l - ：f i g ：( 4 ) 比较器的性能。这里，我们在比较理想的情况下述行讨论，至于具体的测量漠差 讨论，请查阅参考文献 1 4 】。 通过调整送给比较器的参考电压，还可以测量信号的下降时洲、占空比和延 迟时问，原理同上。 ( 1 ) 下降时间：既然下降时间和上升i i t i a i 有相同的参考电压，那么由上升时 j 1 ：j j 的测量中也可以同时导出下降时间，即计算序列中在2 和0 之间的序列l 长度。 ( 2 ) 占空比：对占空比的测量，我们将参考电压设定为o 5 ，只需要一个 测量时i i l j 窗 ju t p ，如果用l 表示处于西个o - s e g 段之问的序列l 的长度，那么占 空比可l u 式( 2 - 1 7 ) 导山。 ， = x1 0 0 ( 2 一1 7 ) k ( 3 ) 延迟时问：为了测量两个具有相同频率值的信号之间的延迟时i tj j ，我们 需将参考电压设为o 5 r 需要两个测量时间窗口。在两次操作中，比较器分别 接信号1 和信号2 ，前面对上升时间测量的分析在延迟时问的测量中同样适用。区 别在于测量上升时间是通过改变参考电压得到两组序列，测量延迟时间是在参考 电压不变的情况下，先后送入不同的输入波形给比较器而得到两组序列。 2 5 小结 用直接填脉冲的方法测量时间间隔时，在闸门的开始和结束处，会产生两个 小于标频信号一个周期的、无法测量的短时间间隔。游标法和内插法都是用模拟 的方法将将此时间间隔进行处理后再进行计数可以实现高精度的短时间问隔测 量，测量分辨率可以达到r l s 量级。但是，这两种方法电路结构都很复杂，并没有 从根本上解决1 个字的误差，成本较高，实现起来很困难。因此，这两种方法不 利于推广应用。 精密时间间隔测量方法及其应川的研究 在本章，我们还介绍了针对信号的上升时间、下降时间、占空比和延迟时间 等这类周期性出现的特殊的短时间问隔而出现的- r f 中钡, j j 量方法，此方法与本实验 室周渭老师提出的相检宽带测频理论有异曲同工之处，都是利用周期性信号间相 位变化的规律性，实现对信号的频率和相关参数的测量；不是单纯从线路设计考 虑，而是更注重研究信号本身的特征和变化规律，利用这种规律性可以实现可靠 的、高精度的测量，相应的测量设备的结构也会更简单。当然，在本文介绍的这 个测景方案中，锁相环p l i 和比较器c o m p a r a t o r 性能会直接影响测量的精度，对 测量结果事后的软件处理对最终的测量精度同样也有很大影响。这种测量方法为 我们测量短时问间隔提供了一种全新的设计思路，启发了我们的思维。 第三章量化时延原理及基于此原理的时间间隔测蛄 第三章量化时延原理及基于此原理的时间间隔测量 短时蚓刚隔的精密测量，在时频领域中是其它一切量( 如时间或相位起伏、 频率与频率稳定度等) 精密测量的基础，同时又可以被广泛用于各种非时频量的 高精度测量中【6 】。许多年以来，能达到p s 量级分辨率的测量方法要么是基于模拟 时蒯扩展法，要么通过一个模数转换器实现时间一数字量的转换。这两种方法结 合通常的内差方法。可达到很高的分辨率。但是转换时间比较长，电路复杂且稳 定性有限。电子技术的迅速发展使我们能够设计出全集成化的时问一数字量转换 器，它以数字化延时线为基础，实现了对时间的直接数字编码。这种方法只需要 非常短的转换时间，但要获得较高的分辨率要困难的多。目前，最好的分辨率大 约为1 0 0 p s 。它被设计成a s i c ：卷片，是以亚微米c m o s 工艺制造，设计过程复杂 i i j u 时m 很长，造价高，特别是小批量生产时。 随着电子技术的进一步发展、现场可编程门阵列( f p g a ) 及大) ；! i ! 模可编程 逻辑器件( c p l d ) 的出现，使得我们寻求一种更为合适的、廉价的器件载体，实 现新型高精度短时问测隔测量方法逐渐成为可能。光、电信号在；! ! f l 质沿着一定 的传输路径快速稳定的传播，我们可以检测出电信号在延时器件中的状态，即电 i 大小。基于量化时延原理的高精度短时问问隔测量方法，就是利用这一现象进 行的研究，在时频测量领域有着广泛的用途。该方法可被j 上。泛地应用于激光定位 系统，数字集成电路动念参数的检测装置等高精度频率、时间及相位信号的测 量，应用此种新型时问问隔测量方法的测时间间隔系统及与其它频率测量方法十h 结合的测频系统具有电路结构简单、运算量少、体积小及设计新颖等优点。 3 1 量化时延原理 用相同的频率及时间测量方法来得到既具有高精度，又具有较快速度的时问响 应，并且结构还要相对简单的电路是很困难的。对信号在媒质中传播的时延稳定性 这一自然现象进行研究，通过将信号所产生的延时进行量化，实现了对短时问问隔 的精确测量。本文所研究的高精度短时间间隔测量方法的基本原理是“串行延迟、 并行计数”，它不同于传统计数器的串行计数方法。即利用器件本身的延时特性，使 信号通过一系列的延时单元依靠延时单元的延时稳定性，在计算机的控制下对延 时单元的状态进行高速采集与数据处理，从而实现了对短时间间隔的精确测量| 7 l 。 另外，量化时延方法不是单纯依赖器件及线路的速度，而是利用信号在媒质中传播 的时延稳定性这一现象进行研究，这项技术近几年才受到人们的关注。它的发展不 精密时间间隔测姑方法及其应州的研究 但对于时频技术的发展有很大的促进作用，而且对于各种量的精密测量和控制，对 于测控技术在工业、国防及科学技术的进步方面都将起到举足轻重的作用。这方面 所取得的新技术及成果，将会给国家带来巨大的经济效益。 在实际测量中，被测量的短时间间隔通常是从零n - - 。个标准频率信号周期。 用串联在一起的延迟单元构成的延迟链作为被测时间划隔的传输通道。这些延迟 单元具有相同的、稳定的时间延迟特性。每个延迟单元的输出端接到锁存器的数 据输入端，如图3 1 所示。将被测时问删隔的丌始信号作为延迟链的输入信号，而 以其结束信号作为取样信号，则开始信号在延迟链中所经过的延迟单元的个数就 j 卜比于所测的时闻间隔值。其原理框图和波形图如图3 1 和图3 2 所示。 开始信号 送入训算机 幽3 1 简单级联链量化时延法原理幽 结束信号 幽3 , 2 鲑化时延法波形圈 第三章姑化时延原理及基于此原理的i t i f n 间隔洲封 在波形图3 2 中，当结束信号到来时，延时状态被采样并保存。在圈3 1 中， 丌始与结束信号由于经过的门电路的数目不同而带来的附加延时没有画出来，如果 这些附加延时都是相同的，那么它们对测量精度不造成影响。否则，必须要做出 一定的修f 。 从波形图3 2 可以看出，当结束信号到来时，对延时单元的状态数掘进行采样 锁存，即可以得知此时丌始信号已经通过了几个延时单元。根据其所通过的延时单 元数t = 1 ，就可以测量出待测的时f u j 问隔。 t = n - 。，( 3 1 ) 式( 3 一1 ) 中b 为待测的l i j - i , j 问隔，为其通过的延时单元数目，0 为单个延 时单元的延迟时间。 既然是一种量化时m 辐f 内处理方法，再对量化结采进行计数，那它就；- l c i ，j _ 避 免的存在量化误差。当i i , j - l t i j i i j j l 辑的变化量小于一个单位延时单元的延迟时f n j | i 、j ，即 + - i 二它的分辨率时，这种变化就可能会测量不出米。当采用量化延时链进行测量时， 只会发生少计一个数的测量误差。h | 】： d n = 一l( 3 2 ) 当被7 ) ! t j l t j - f j 问隔的起始信号( 假设从低电平到商 乜平) 通过延h - i 电路时，延时 t 靼元的输 j j 从低到高逐级翻转。被测时问问隔的结束信号用来将延i f 寸链的状态锁存 卜_ 来，然后送入单片机进行处理，就得到了测量结果。在单片机中系统些因控 制逻辑电路而产生的额外的延l 时也必须加以考虑。因为延时器件是串联在一起进行 丁作的，所以i l 寸闻i 训隔晌测量精度依赖于延时器件的稳定性及其延迟时问。当它与 j c - 它测量方法相结合使川时，同样提高了总体的测量精度。这种用绂联延时单元的 方法进行的时问测量，精度主要依赖于延迟器件的稳定度及其本身延迟时间的漂 移。 3 2 基于量化时延原理的时间间隔测量仪 3 2 1 硬件电路构成 量化时延思想的实现依赖于延时单元的延时稳定性，其分辨率取决于单位 延时单元的延迟时间。作为延时单元的器件可以是无源导线，有源门器件或其它 电路。其中，导线的延迟时间较短( 接近光速传播的延迟) ，门电路的延迟时间相 对较长。随着电子技术的快速发展，有人把计数器设计在a s i c 中实现对时间的 精密时间间隔测馘方法及其应刚的研究 直接数字编码，但其造价很高，而相对廉价得多的可编程逻辑器件的出现为我们 提供了新的选择。 在现有的可编程逻辑器件中，应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 1 7 1 。同较早的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，适合于时序，组合等逻辑电路应用场合它们实际上就是一个子系 统部件，具有可编程性和实现方案容易改动的特点。c p l d 和f p g a 在很大程度上 具有类似之处，但由于内部结构上的差异导致了它们在功能和性能上的差别。主要 表现在如下几方面： i j 线能力。a l t e mc p l d 独特的内连线结构使其内联率很高，不需要人工斫j 局柿线来优化速度和面积。这与x i l i n xf p g a 有有限的如线线段相比，更适合于 电子系统自动化中芯片设计的可编程器件验证。 延迟可预测能力。a l t e r ac p l d 的连续式撕i 线结构决定了它的时序延迟是均 匀的硐i 可预测的( 即设计输入不变的情况下每次斫i 局斫i 线