（生物医学工程专业论文）基于fpga的多通道时频比对系统研究.pdf

硕j j 学位论文 a b s t r a c t t i m ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lq u a n t i t i e s t h ev a l u ec o m p a r i s o n a m o n gv a r i o u ss t a n d a r dt i m es i g n a li nt h es a m ea c c u r a c yc i r c u m s t a n c e s ，w h i c hi sa l s o n a m e dt h ec o m p a r i s o no ft i m e f r e q u e n c y ，h a sa l s ob e e nt h ef o c u so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ec o n t i n u o u si n n o v a t i o no f h i g h p 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 tm e t h o d ，a sw e l l a st h ei m p o r t a n c eo f h i g h p r e c i s i o nt i m es t a n d a r d sh a sb e e nc o n s t a n t l yi m p r o v e di n t h en a t i o n a ll i f e ， s c i e n t i f i cr e s e a r c ha c t i v i t i e sa n dn a t i o n a ld e f e n s ee n g i n e e r i n g ，t h er e s e a r c ha b o u tt h e c o m p a r i s o ns y s t e mo ft i m e - f r e q u e n c yh a sb e c o m eah o tt o p i ci nt h ef i e l do f e l e c t r o n i c s a n dm e a s u r e m e n ta th o m ea n da b r o a d t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n ti st h ec o r e i nt h e c o m p a r a t i o ns y s t e m o f t i m e - f r e q u e n c y t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e ds o m ek i n d so ft i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t m e t h o d s ，a n dc l a s s i f i l yc o m p a r e dt h e i rm e r i t ，w e a k n e s s e a n dp r a c t i c a l i t y a f t e r a n a n l y z i n gt h et e s t i n gi n d i c a t o ro ft i m ep e r f o r m a n c ei n t h eb d g p sd u a l m o d e i n t e r s t a t i o ns y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m s ，t h e r ep r e n s e n taq u a n t i t a t i v em e t h o do ft h e d e l a yt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tb a s e do nd c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) a tt h es a m e t i m e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h em u l t i - c h a n n e lt i m e - f r e q u e n c yc o m p a r a t i o ns y s t e mb a s e d o nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，m a k i n gf u l lu s eo ft h er e s o u r c e s a d v a n t a g eo ft h el a r g e - s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，s u c ha si ng e n e r a lh a r d w a r e ， i np r o g r a m m i n gf l e x i b i l i t ya n di pc o r e i tp r e s e n tt h es y s t e m - d e s i g n e dd i a g r a m ，a n d u s e dt h ee d am e t h o dt op r a g r a ma n dd e s i g nt h et i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tm o d u l e ， t h ea n a l y s i sm o d u l e ，t h em u l t i c h a n n e ls e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ef r e q u e n c y c a l i b r a t i o nm o d u l e s ，v e r i f i e da n dt i m l ys i m u l a t et h o s em o d u l e s ，a sw e l la sc o m p l e t e d a l lt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e s ，i n c l u d i n gp o w e r m o d u l e s ，r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t ，r s 4 8 5i n t e r f a c ec i r c u i t ，f r e q u e n c yc a l i b r a t i o nc i r c u i t ， j t a gd e b u gi n t e r f a c ec i r c u i t m e a n w h i l e ，u s i n gt h em a t u r e dv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，i ta c h i e v e dm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha ss y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ，m a s s d a t as t o r a g e ，r e a l - t i m ed y n a m i cd a t aa n di m a g ed i s p l a y ，o v e r r u na l a r m t h r o u g ht h eo n l i n ed e b u g g i n go ft h es y s t e ma n de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ea n a l y s i s s h o w e dt h a t ，t h em u l t i c h a n n e lc o m p a r a t i o ns y s t e mo ft i m e f r e q u e n c yd e s i g n e di nt h i s p a p e r ，w h o s em e a s u r e m e n ta c c u r a c yr e a c h1 6 7 n si nt h eh i g h s t a b i l i t yc o n d i t i o n so f 10 mc l o c ki n p u t ，i sa l m o s t2 0t i m e st h a nt h a to ft h ea c c u r a c yo fe l e c t r o n i cc o u n t i n g ，a t t h es a m et i m e ，i t sl a r g e s tm e a s u r e m e n te r r o rr e d u c e dt o8 o ft h eo r i g i n a l i ng e n e r a l ， 基于f p g a 的多通道时频比对系统研究 t h i sd e s i g no ft h eb d g p sd u a l m o d ei n t e r - s t a t i o ns y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m sc a nm e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o d u c t - d e t e c t i o na n dt h ef a c t o r y t e s t i n g k e yw o r d s ：g p s ；b e i d o u ；t i m e f r e q u e n c yc o m p a r i s o n ；t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t ； m u l t i c h a n n e lm e a s u r e m e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：孝孬叉 日期：叼年 月? 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“”) 攀香文 表墙廷 日期：加7 年乡月岁口日 嗍：1 年朋知日 硕1 ：学位论义 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及国内外现状 1 1 1 课题研究背景 全球定位系统( g p s ) 为由美国所发展的全球型卫星定位系统，是最常用的标准 时钟信号源，它是上世纪7 0 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导 航定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的 导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等，是美国独霸全球战略的重 要组成i lj 。经过2 0 余年的研究实验，耗资3 0 0 亿美元，到19 9 4 年3 月，全球覆盖 率高达9 8 的2 4 颗g p s 卫星星座己布设完成。全球定位系统由三部分构成：( 1 ) 地面控制部分，由主控站( 负责管理、协调整个地面控制系统的工作) 、地面天线( 在 主控站的控制下，向卫星注入电文) 、监测站( 数据自动收集中心) 和通讯辅助系统 ( 数据传输) 组成；( 2 ) 空间部分，由2 4 颗卫星组成，分布在6 个道平面上；( 3 ) 用户 装置部分，主要由g p s 接收机和卫星天线组成。g p s 接收机可接收到：可用于授时 的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星 历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米( 各个卫星不 同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫星状况等【2 】。如今，全球定位系统的主 要用途：( 1 ) 陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理 资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；( 2 ) 海洋应用， 包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水 文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；( 3 ) 航空航天应用，包括飞机 导航、航空遥感、姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器 防护探测等。 北斗卫星定位导航系统( 简称北斗系统) 由四颗北斗定位卫星( 两颗工作卫星、 两颗备用卫星) 、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。中国的北斗系统和美 国g p s 、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。北斗 卫星导航定位系统是我国自主知识产权的定位授时系统，2 0 0 3 年5 月2 5 日，我国 成功将第三颗“北斗一号 导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号卫星分 别于2 0 0 0 年1o 月31 日和1 2 月2 1 日发射升空。第三颗与前两颗“北斗一号”工 作星组成了完整的卫星导航定位系统，可以确保全天候、全天时提供卫星导航信 息。第三颗北斗卫星的发射升空，标志着我国成为继美国全球卫星定位系统( g p s ) 和前苏联( 俄罗斯) 的全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 后，在世界上第三个建立了完 善卫星导航系统的国家。“北斗二号”全球卫星导航定位系统是建立在“北斗号 幕y - f p g a 的多通道时频比对系统研究 区域卫星导航系统基础上的。中国的“北斗一号 系统，与美国和俄罗斯的全球 导航卫星尚有较大的差距。“北斗一号 定位系统只能覆盖中国和周边一些国家和 地区，是区域性的而不是全球性的，它只在亚太地区。美国和俄罗斯的导航卫星 则是全球性的。“北斗二号卫星导航系统将克服“北斗一号 系统存在的缺点， 同时具备通信功能，其建设目标是为我国及周边地区的军民用户提供陆、海、空 导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定 位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。“北斗 二号 系统主要有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时 定位服务，定位精度与g p s 民用定位精度相当；短报文通信，一次可传送多达1 2 0 个汉字的信息；精密授时，精度达2 0 纳秒1 3 1 。 “北斗g p s 双模授时站间同步系统”是某院校研发的一款双系统授时终端设 备，其研发的目的是为了减少我国在授时领域对g p s 的依赖，推广我国自主研发 的北斗系统。授时终端作为授时系统中一个极其重要的组成部分，其设备需要良 好的稳定性和授时精度，所以在“北斗g p s 双模授时站间同步系统 实现了产业 化后，如何对设备的授时性能进行快速精确有效的检测成为一个急需解决的问题。 根据授时设备的特点，结合此问题需求，需要设计一款多通道时频比对系统进行 授时性能检测。具体任务是以标准时间信号为基准，对北斗g p s 双模授时站间同 步系统设备产生的时间信号进行时频比对。 所谓时频比对，就是在规定条件下对同准确度的时间基准信号值进行比较。 对于同频率周期信号，时频比对也就是实现基准信号与本地频率标准信号间的相 位差的高精度测量m j 。就本文来讲，我们将接收机产生的同步时间信号当成一个比 对的基准信号，在同一个时刻测量它和其他各种标准时间信号之间的相位差值， 就可以达到时频比对的目的。在本文中，比对的基准信号即是g p s 的p p s 信号， 待比对信号为1 6 路北斗g p s 双模授时站间同步系统产生的秒脉冲信号。因此， 在本文中可以通过对两标准时问信号的秒脉冲上升沿之间进行高精度时间间隔测 量来达到时频比对的要求。 在以往常用的时频比对系统中，一般都是运用单片机来进行电路设计。这些 设计成本高，电路都很复杂，实际电路对理论结果的实现会有一定的影响。对于 这些传统的芯片，设计时缺乏灵活性，并且芯片的全部功能没有被完全利用，造 成了芯片资源的浪费。近几年来，随着电子技术的发展，现场可编程门阵列( f p g a ) 市场飞速增长，f p g a 在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。f p g a 的 在线编程和重新配置功能使得丌发周期大幅度的缩短、产品升级更方便和硬件可 重复使用。可以说，f p g a 芯片是小批量系统设计的最佳选择1 5 j 。 1 1 2 时间间隔测量发展及现状 时间足物理学中最基本、最重要的物理量之一。许多试验与研究往往涉及一 硕：学位论文 个时间的发生和结束的时间过程，一个时间的两个或多个发展过程之间的时间关 系，或者多个时间之间的时间关系等。通常来讲，时间具有两种含义，一种是指 时间坐标系中的某一刻，即时问点；另种是指时间坐标系中两个时刻之间的持 续时间，即时间段j 。对时间点的测量实际上可以转化为对时间段的测量( 即时间 间隔测量) ：以某一个时间点为参考坐标，测量待测点与参考坐标点之间的时间段， 最后在参考点的时刻基础上加上所测的时间段，即为待测点的时刻。因此，不管 是对实验过程中的事件持续时间测量，还是对时间点的判定，都需要用到时间间 隔测量。 时间不但在日常生活中不可或缺，在科研、商业、以及国防军事等中也是极 其重要的。因此，时间测量，包括时间间隔测量技术对国民经济与国防建设意义 重大，时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有非常重要的 作用，尤其是高精度的时间间隔测量技术，不仅在原子物理、天文试验、激光测 距、定时定位、航天测控等方面占据重要的位置，还在i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计 中的抖动测量、自动检测设备，以及通信中的角度调制信号解调和数字示波器等 领域有着广泛的应用。因此，世界上各大经济军事强国都在大力发展此技术。 美国、日本和欧洲等国家对时间问隔测量技术作了许多研究。利用其在 v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ) 领域占有的优势，他们发展了大量成熟的精确时 间间隔测量技术，用i c 方式实现了t d c ( t i m e t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 。美国 p t t i ( p r e c i s i o nt i m ea n dt i m ei n t e r v a l ) 年会每年都对该专题进行讨论，美国国家科 学院更是把它作为国家国防力量评估的一个重要指标，并把它列为国家须大力发 展的科学技术之一。由此可见高精度时间间隔测量技术的重要性。而我国由于在 此领域起步较晚，国内对时间间隔测量技术的研究还比较少i _ 7 1 。 时间间隔测量技术由来已久，当前应用最广的时间间隔测量方法是电子计数 法及其相关扩展方法，这类方法最大缺点是存在无法克服的原理误差，而且测量 的精度受参考脉冲的影响很大，虽然依据此类原理实现的时间问隔测量仪器成本 较低，但测量误差一般在纳秒量级以上，已不能满足激光测距、卫星导航定位、 粒子飞行探测、频率基准等方面的要求。所以，在此基本原理的基础之上，产生 了一系列高精度的测量方法，如：基于模拟时间扩展的计数法、基于a d 变换器 的模拟时间一幅度转换法、基于延迟线的时间一数字变换器法( t d c ) 和基于冲击振 荡器的频率游标法等。这些方法都达到了皮秒量级的测量分辨率，能满足各测量 领域的高精度要求。 高精度的时频比对需要提高对时间间隔测量的分辨率。一般的时问间隔测量， 用l o m h z 的填充脉冲频率只能获得1 0 0 n s 的测量分辨率，虽然可以通过倍频的方 法提高填充脉冲的频率来提高测量的分辨率，但是提高的程度是有限的，而且频 率的提高会对使用的器件提出更高的要求，并增加成本【8 j 。因此，针对不同的需求， 基于f p g a 的多通道n 寸频比对系统研究 需要运用不同的测量方法，来进行各种不同精度水平的时间间隔测量。 1 2 课题研究意义 1 2 1 国内卫星授时应用现状 卫星授时系统设备具有高精度、低成本、覆盖范围广的特点，已广泛应用于 通信、电力、交通、宇航、广播电视、计算机网络及军事应用等领域。时间频率 应用和定位( 测量) 应用、导航应用共同构成卫星导航系统的三大应用方向，具有广 阔的市场前景【9 】。目前，国内各应用领域的卫星授时产品均以单g p s 产品为主， 仅有少量的国产g p s g l o n a s s 双系统产品、g p s g l o n a s s 北斗三系统产品和 单北斗产品。 1 2 2 国内卫星授时应用存在的问题 ( 1 ) 主要问题一：对国外导航系统依赖性太强，存在严重的安全隐患 北斗系统投入使用前，通信、电力、交通等基础行业的授时系统由于没有得 到自主的卫星导航系统的支撑，被迫形成了对美国g p s 、俄罗斯g l o n a s s 卫星 导航系统的完全依赖，导致其存在潜在的巨大安全隐患，甚至严重影响国家信息 安全。 ( 2 ) 主要问题二：国家支持力度不够，导致产业化乏力 一方面，由于国家对北斗系统民用授时应用产业没有明确的扶持，导致核心 的北斗授时接收机的成本与成熟的g p s 授时接收机相比还有一定差距，缺乏市场 竞争力；另一方面，国家对各基础行业的安全隐患没有严格的强制性控制措施出 台，各行业仍倾向于廉价的g p s 授时产品，从而导致投资者对北斗民用授时市场 信心不足。 1 2 3 推广北斗授时的必要性 ( 1 ) 维护国家信息安全 使用自主的北斗系统进行授时可摆脱对美国g p s 、俄罗斯g l o n a s s 导航系 统的过分依赖，有效消除各基础行业由于其授时系统所带来的巨大安全隐患，保 障国家利益、国家信息安全。 ( 2 ) 促进自有基础产业的发展 推动北斗授时民用产业化，可促进我国卫星应用产业的发展，并可获得良好 的社会效益和经济效益。 1 2 4 本设计研究意义 从技术应用角度来看，将f p g a 技术与高精度的时频比对技术成功结合，是 一项技术创新与应用；从产品应用角度来看，成功开发出基于f p g a 的多通道时 硕上学位论文 频比对系统，可以使北斗g p s 双模授时站间同步系统设备更快更好的投入到实际 应用中，普及北斗系统授时终端在国内的使用，提高北斗系统在国内授时领域的 地位。这就可以日渐摆脱日常生活和国防中对美国控制的g p s 系统的依赖性，保 障国家利益、国家信息安全，促进我国卫星应用产业的发展，并可获得良好的社 会效益和经济效益。 1 3 论文的主要工作与结构安排 1 3 1 论文的主要工作 本文研究与设计了一种基于d c m 的量化时延的时间间隔测量的时频比对系 统。主要是通过d c m 模块，对本地晶振的频率进行倍频和等额移相，产生4 路量 化时延脉冲，以这4 路脉冲为测量时钟，结合电子计数法测量1 6 路待测脉冲与基 准脉冲的时间间隔。本系统结构简单，成本相对低廉，易于实现且可以应用于很 多领域。具体来说，本课题主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 查阅了大量高精度时间间隔测量方面的书籍和国内外相关文献，学习并研 究了基于f p g a 的数字电路设计方法，本文分析比较各种高精度时间间隔测量方 法的优劣性和实用性，设计了利用d c m 模块来实现量化时延进行时间间隔测量的 多通道时频比对系统。 ( 2 ) 根据调试和升级的方便，本文选择了可编程逻辑器件f p g a 、先进的数字 电路设计方法一e d a 以及成熟可靠的数字电路硬件描述语言v h d l 。本文借助于 先进的e d a 设计、建模、仿真和实现工具，完成了各个数字功能模块的程序设计、 功能仿真、时序仿真以及下板调试。同时进行了f p g a 为核心器件的比对系统电 路板制作。 ( 3 ) 结合检测设备的需要，本文选择虚拟仪器技术进行友好的人机界面设计， 完成了时频比对系统的界面显示、海量数据存储、实时动态数据与图像显示、超 限报警等功能，给出了各部分的图形化程序。 ( 4 ) 分析测试了系统中选用的时间间隔测量方法的可靠性与精度分析，并给出 了提高精度减小误差的方法。 1 3 2 本文组织结构 本文分为六部分，按照如下的结构组织： 第1 章绪论。主要介绍了g p s 与北斗导航系统的基本状况与特点，结合国内 授时系统应用现状，分析了本设计的必要性和重要意义，给出了时间间隔测量的 发展现状与研究方向，最后介绍了本文所作的工作以及本文的章节安排及内容简 要介绍。 第2 章时间间隔测量方法。简要介绍时间问隔测量的发展，系统而细致的分 基于f p g a 的多通道e r , t 频比对系统研究 析了各种高精度时间间隔测量的原理与优缺点。结合实际情况，对各种高精度时 间间隔测量方法进行了比较。 第3 章基于f p g a 的多通道时频比对系统总体设计。针对项目需要，本文提 出一种基于d c m 量化时延时间间隔测量的实现方法，设计了一种多通道、高精度 时频比对系统方案，详细的阐述了本设计方案的系统总体框架，并对各部分进行 了说明。 第4 章系统各功能模块实现。主要内容包括各功能模块的软硬件设计及验证。 本章详细设计了用于时频比对的时间间隔测量模块，在设计时间间隔测量模块时 提出了一种基于d c m 的量化时延时间间隔测量方法，给出了该模块的设计流程与 时序仿真图并分析了测量精度；然后对辅助时间间隔测量进行时频比对的状态分 析模块、选通模块与频率校准模块进行设计，给出了软件实现流程与功能仿真， 对模块的实现进行了验证；设计了专门的串行接口模块，解决多通道时频测试模 块与上位机以及北斗g p s 双模授时站间同步系统的实时、同步通信问题；围绕上 述软件功能模块，进行外围硬件电路的设计，包括电源模块、r s 2 3 2 接口电路、 r s 4 8 5 接口电路、频率校准电路、j t a g 调试接口；在本章的最后，结合成熟的虚 拟仪器技术，完成了数据通信、界面显示、海量数据存储、实时动态数据与图像 显示、超限报警等功能，并给出了l a b v i e w 图形程序。 第5 章实验结果与结果分析。通过对本文所设计系统的运行与观察，得到实 验数据，并对实验数据进行时间间隔量精度的分析。 结束语概述本文主要完成的工作以及取得的成果，指出其不足并对该系统的 进一步研究进行了展望。 项上学位论文 2 1 基本原理 第2 章时间间隔测量方法 现代意义上的时间间隔测量始于真空管时代，几十年来其测量方法经不断改 进发展，从最早的时间间隔扩展法，到现在的插值法、延迟线法，可以说是种类 繁多。 按实现技术，时间间隔测量方法大致可以分为模拟与数字两大类。模拟方法 被传统t d c ( t i m e t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 所采用，需要模数转换过程( a d c o n v e r s i o n ) ，如时间间隔扩展法( t i m es t r e t c h i n g ) 和时间一幅度( t i m e t o a m p l i t u d e ) 转换法；数字方法不需要模数转换过程，可以实现从时问到数字的直接转换，如 游标法( v e r n i e rm e t h o d ) 、抽头延迟线法，以及差分延迟线法或称游标延迟线法d o l 。 由于传统的模拟方法很难在集成电路上实现，而随着半导体技术的进步和数字电 路技术的成熟，现在数字方法越来越流行，这不仅仅是因为模拟方法对环境十分 敏感，还因为它们需要比较长的转换时间，容易受外界扰动影响，难以集成。因 此，在芯片上集成t d c ，不管是以f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 还是 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc h i p ) 实现，一般都是采用数字方法。 按照有无插值过程，时问问隔测量方法又可以分为三类：没有插值过程的。 这类方法不需要粗计数器，不分时间长短，能直接转换为数字。它的缺点是量程 比较小；有插值过程的，也称为“插值法 。实现时，这类方法需要粗计数器， 在精确时钟作用下，统计时间间隔覆盖多少个整周期，并把测量开始和结束处小 于一个周期的余量送进插值单元做精确测量。它的优点在于可以同时满足系统在 量程和分辨率两方面的要求，因此被广泛应用；游标法。采用类似游标卡尺的 方法，工作原理特殊，可以独立分为一类。 所有测量方法( 比如插值法、延迟线法、扩展法、游标法等) 的划分不是绝对的。 实践应用中，往往不单纯采用一种方法，而是多种方法的结合。比如差分延长线 法，它既采用了延迟线的结果，也采用了游标法的原理。至于“插值法”，更要求 与其他方法结合使用】。 2 2 电子计数法 2 2 1 测量原理与误差分析 在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间问隔测量方 法，已经在很多领域获得了实际应用。 用电子计数器法进行时问间隔测量原理如图2 1 ，它需要两个独立的输入a 和 基。t 二f p g a 的多通道时频比对系统研究 b ，a 为启动信号，b 为停止信号，这两个信号连接门控触发器，作为门控触发的 置位和复位输入，按照如下的系统进行工作。 ( 1 ) 如果门控触发器没启动，计数器清零，通道a 的下一个脉冲使得门控触 发器置位，开启门，计数器开始对测量时钟进行计数。 ( 2 ) 通道b 中的一个脉冲使门控触发器复位，关闭门电路。计数器停止计数。 图2 1 电子计数法时间间隔测量功能原理图 如果设测量时钟频率为，对应的测量时钟周期就为弘j ，仍在门关闭时候计 数器输出脉冲个数m 。乃与乃为测量时钟上升沿和门控信号中的开门和关门信号 之间的时间间隔，则待测脉冲时间问隔疋为： r x = m t + 正一乃 ( 2 1 ) 卜一足- 一 门 l 兰墨厂 厂 口i 厂 ：乃： m 蚓 图2 2 时间间隔测量波形图 然而，电子计数法不能得到乃与乃，因此其测量的脉冲时间间隔为： 疋= m t( 2 2 ) 比较式( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，可得电子计数法的测量误差是= t 1 乃，其最大值为一 个量化脉冲周期，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致。该 误差是原理性误差，采用此方法测量时，该误差不能被克服【1 2 】。 利用电子计数法测量时间间隔，测量误差来源于下列因素： ( 1 ) 1 个字误差。由上面的分析可以知道，它是由测量脉冲与门控脉冲不同 步引起的【13 1 。 ( 2 ) 时标误差。其产生的原因是量化时钟的稳定度。待测脉冲问隔疋越大， 量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。 根据以上分析得出电子计数法具有以下特点； ( 1 ) 测量范围广，从微秒到几秒，几小时； 硕l j 学位论文 ( 2 ) 分辨率较高，在高速晶振的配合下，能达到1n s ； ( 3 ) 操作方便，实现简单； ( 4 ) 存在不可消除的原理误差。 总之，由于目前高速电路的计数频率已经达到g h z ，对于纳秒量级的分辨率 要求，可以采用较高的时钟频率进行直接计数，原理简单。当要实现1 0 0 p s 的分 辨率，信号频率高达1 0 g h z ，信号达到微波段，这样的信号不仅产生困难，准确 率也难以保证，而且由于分布参数效应，在普通电路中不易实现。因此，目前该 方法只能达到纳秒量级的精度。当然，这个方法也存在很成熟的技术和优点，比 如：只要存储单元足够，就能实现比较大的量程，实际应用中，可以结合其他方 法一起应用，解决分辨率不足的问题。可以说，该方法是高分辨率测量的一个基 础。 2 2 2 误差克服途径 时标误差可采用高稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准；量化误差的 克服有很多方法，也是国内外研究的热点，可以将其分为一下三类： ( 1 ) 提高量化时钟的频率。这带来的问题是时钟频率越高对电路的要求也越 高，并且相应的芯片也很难选择。例如，当要求l n s 的测量精度时，时钟频率需 要提高到1 g h z 。此时一般的计数芯片很难正常工作，同时也会带来电路板的布线、 材料选择以及加工等诸多问题，因此，不是一个巧妙的方法，而且对精度的提升 幅度有限。 ( 2 ) 对量化误差乃和乃扩展进行二次量化，实践证明该解决途径是切实可行 的，并且获得了长足的发展，取得了大量的研究成果，但是二次量化仍然存在原 理误差，且较多方法只满足短量程高精度时间问隔测量。 ( 3 ) 对量化误差乃和乃进行转换，通过测量其他物理量，比如幅度、相位而达 到测量时间的目的，该类方法从根本上解决了误差对测量精度的影响。 2 3 模拟内插法 电子计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间间隔测量 方法，其原理误差最大是一个量化时钟周期。如果能克服原理误差，那么其时间 测量精度将会得到很大的提高，从这个角度入手，近年来，国内研究了很多新的 测量方法，模拟内插法就是其中一种。该方法是在模拟法与电子计数法的基础上 发展起来的，其测量对象针对的是电子计数法中的乃和乃，即完成乃和乃的二 次测量【1 4 】。 2 3 1 模拟法 在介绍模拟内插法之前，首先介绍模拟法，其测量原理如图2 3 所示。 待测脉冲信号 电容充放电波形 卜；1 i 卜一l 一 r _ 1 待扩展时间间隔_ 一l _ 一 ： ：，一 扩展后的时间问隔 l 量化时钟 山山山山山山 图2 3 模拟法测量时间间隔原理图 模拟法也叫时间间隔扩展法，它历史悠久，早在真空管时代就已经被广泛应 用。它在原理上像一个时间放大器，靠一个电容充放电来工作。如图2 4 所示，通 过控制高速开关，用大恒流源乃在短时间t 内充电，然后用一个小恒流源1 2 放电， 由于乃远远大于乃，这样放电时间乃也就远远大于充电时间丁，起到时间放大的 作用。 已知乃与易之间的比例系数是k ，就可以得到扩展的时间乃与实际输入间隔 丁之间的关系： 其中，k = 1 2 z = k t 堍 + 一 一、 、 一高速上 、 ： ， 开关tk 么- _ 1 2 p ( 2 3 ) 图2 4 模拟法测量时间间隔结构示意图 此方法的优点是测量精度理论上非常高，可以达到皮秒级；然而，由于内在 缺点，近年来，时问间隔扩展法已很少应用。该方法利用对一个电容充放电进行 测量，属于模拟过程，在集成芯片中难以采用；电容充放电过程中，充放电时间 之问的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之 一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电 容充放电性能受温度的影响非常大，对测量系统的温度特性要求就非常苛刻；而 硕十学位论文 且理想的恒流源也难以实现，因为实际恒流电路肯定会收到电压漂浮、温度变化 的因素影响，所以，模拟过程的非线性不易控制1 1 1 。 2 3 2 模拟内插法 为了克服模拟法在较大的测量范围条件下测量精度低的问题，引入了模拟内 插法【15 1 。其测量原理如图2 5 所示。 模拟内插法要对三段时间进行测量，即l 、乃和乃，其中z = n t o ，采用电子 计数法得到，乃和乃的测量是关键。模拟内插法的思路是对小于量化单位的时间 零头乃和乃进行扩展，然后对扩展后的时间进行再次时钟计数。乃和乃的测量 采用电容充放电技术，在t l 期间，采用恒流源乃对电容c 充电，乃结束后采用恒 流源厶= i i k 对电容放电，直到开始电平位置，然后保持此电平。由放电电荷相等 的原理可得： 盟：1 2 t 2 ( 2 4 ) 待测脉冲信号 量化时钟 电容充放电波形 待扩展时间间隔 扩展后的时间间隔 量化时钟 厂厂 l 缸! 【面lu 卜i 丁个i 厂 广广i 广l 广 k 乃k t 2 k 乃 1 i 】il l 图2 5 模拟内插法测量脉冲时间i 司隔原理图 进一步化简得墨= k 互，即电容放电时间为充电时间的k 倍。然后采用量化时 钟对放电时间进行计时，得到计时脉冲m ，则可以得到正= l t o k ，同理可得 正= 2 瓦k ，结合乃的大小得到： t = n t o + t 。一瓦：( - k 。型l 蔓) t o a ( 2 5 ) 该方法虽然在计算乃和乃时仍存在量化误差，但是其相对大小可以缩小k 倍，如果k 为1o o ，那么计数器的分辨率则提高了两个数量级。例如，量化时钟 的频率为5 0 m h z ，k = 1 0 0 ，则电子计数器的分辨率不会超过2 0 n s ，采用模拟内插 技术后，其分辨率提高到o 2 n s ，相当于5 g h 量化时钟的分辨率。 2 3 3 误差分析 模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技术的基础是对乃和乃的扩 展，在较乃和乃长k 倍的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性，所以k 基于f p g a 的多通道时频l l x , j - 系统研究 值实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数k 的准确值也难以得到，所 以模拟内插技术要将测量精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。模拟内 插技术虽然对时钟频率要求不高，但是由于采用模拟电路，对待测信号的频率较 高的情况下非常容易受到噪声的干扰，当要求连续测量的时候，电路反应速度也 是一个大问题。 模拟内插法的误差来源总结如下： ( 1 ) 原理误差：在将模拟量k 乃转换成数字量m 乃的过程中产生，其大小为 y o l k ，该误差为测量原理误差，无法克服。 ( 2 ) 时间扩展的非线性：主要误差来源。由于时间扩展采用的都是模拟器件， 因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。 ( 3 ) 随机误差：如触发误差。 ( 4 ) 时钟的稳定度带来的误差。 2 4 时间幅度转换法 时间一幅度转换法是由时间扩展法改进而来，它克服了时间间隔扩展法转换 时间过长，非线性难以控制的问题。下图是时间一幅度转换法的基本原理图。从 图2 6 中看出，与时间间隔扩展法不同，时间一幅度转换法把放电电流源改成了一 个高速a d 转换器加一个复位电路。 a d 转换时间 丁i 瓦 输出 数据 图2 6 时间幅度转化法结构示意图 与图2 4 相比，图2 6 中采用a d 过程代替放电过程，极大的减少了转换时间。 因为a d 转换过程所需时间疋与充电时间丁本来就是在同一个数量级上，而不像 放电时间乃远远大于实际输入时问。而且这样的电路少了一个放电过程，能减少 它的非线性】。 利用现代高速的a d c ，该法可以得到1 - 2 0 p s 的分辨率。时间一幅度转换法、 时问问隔扩展法都基于模拟处理过程，属于传统的测量方法。 硕上学位论文 下面具体介绍基于该原理的两种不同思路的测量方法。 2 4 1t v c 方法 t v c 方法( t i m e t o v o l t a g ec o n v e r t e r ) 是在电容充放电方法的启发下得出的。待 测脉冲波较下一个计数脉冲早到乃时间，为了实时测量出量化误差乃，可以采用 乃变换为电信号的方法【1 6 】。让待测脉冲波前沿作为起始触发，启动一阶跃恒流源 ，给电容c 充电，恒流源内阻为，则电容c 上的电压与充电时间，之间的关系为： = r ( 1 一p 昭) ( 2 6 ) 然后，由待测脉冲波后的第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电， 电容电压就停止增加，假定此时的电压值为眙，这一时刻相对于v c = o 时的时延 是乃，则嘭= 脚( 1 一e t c ) 。与充电电容相连的是一个性能较好的隔离放大器，它具 有较高的输入阻抗，一般有几十兆欧，它的作用是隔离后级对充电电容的影响， 让电容上的电压能够保持很长时间，同时它还具有一定的放大作用，但它又不影 响恒流源对电容的充电。在第一个计数脉冲前沿让电容停止充电时，电容上的电 压跆通过隔离放大器送到a d c 电路进行模拟数字转换，得到一个数字码输出 ，为了分析方便假设放大器的放大增益为单位增益。如果a d c 的转换为数为m ， 满量程输入电压为v c m ，则存在n = 2 卅( 吃) ，得到a d c 的输出便得到了电容 上的电压vc ，n 、v 。与乃一一对应，于是可以得到： t = - r c i n ”鹄， 7 ， 根据上式可以确定计数量化误差乃，同理可以得到乃。该方法主要用于测 量范围1 0 n s l u s 之间的场合【17 1 。 2 4 2 基于斜坡发生器与模数转换器法 该测量方法是对电子计数法的量化误差乃和乃进行测量，不同于第一种时间 一幅度转换方法的是，该方法利用了一个线性斜坡发生器，具体原理如下： 当第一个脉冲信号到来时，立刻启动一个斜坡发生器，当此后的第一个量化 时钟脉冲到来时，使采样保持电路进入保持状态以保持斜坡发生器此时的电压值， 然后再做模数转换，记录此时的电压值，设定斜坡发生器在一个时钟周期乃时间 内电压的变化量为p