（测试计量技术及仪器专业论文）时间间隔测量仪的分析与实现.pdf

摘要 捅要 在现代电子技术中，频率及时间的测量与它们的控制技术占有非常重要的地 位。本文主要探讨有关短时间间隔的测量方法及其测量仪的研究。 首先，本文对模拟内差法、游标法等高精度的短时间间隔测量原理进行介绍， 并在模拟内插的原理上实现了提高测量分辨率的实际电路。 其次，本文分析了国外商精度的通用测量仪s r 6 2 0 测量频率、周期、相位差 的理论和方法，随后对该仪器测量时间间隔的电路设计进行分析，主要对其高分 辨率的理论和实现方法做了详细的阐述，通过对该仪器的研究，为设计高精度的 时间间隔测量仪提供了思路和经验。 最后，本文提出一种新的高分辨率的时问间隔测量方法，该方法将周期同步 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， 设计了高精度的时间间隔测量仪，该测量仪具有4 3 n s 的分辨率，测量范围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，串并联相结合的并行延迟链阵测 时法和双量化延迟链测时法等短时间间隔测量方法作了进一步研究。此外，文章 在分析s r 6 2 0 的基础上，结合本仪器对测量频率、周期、脉冲上升下降时间、脉 冲宽度做了说明。 关键词：短时间间隔测量模拟内插法s r 6 2 0 测量仪 量化时延 a b s t r a e t i nt h em o d e me l e c t r o n i ct e e l m i q u e s ，m c a s u l e m c n ta n dc o n t r o lt e c h n i q u eo f f a f e c l u e n e ya n dt i m et a k e sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o n n l 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 em e t h o d s a n di t sa p p l i c a t i o no f t i m ei n t e r v a lm c a s l l r c m c n t , a tf i r s t , t i f f sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ek i n d o ft h e o r yo fs h o r tt i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n ts u c ha si n t e r p o l a t o ra n dv e r n i e r , a n dh a v ei m p l e m e n t e do i 坞k i n do f c i r c u i t w h i c hi m p r o v st h en m 甚s u r ：e m e n r e s o l u t i o nb a s i n go ni n t e r p o l a t o rm e t h o d i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ra n a l y z e st h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo fg e n e r a l m c a s u l e r l l e l l ti n s t r u m c n ts r 6 2 0w h i c hc a l lm c a s u l et i m ei n t e r v a l ，t h ef r e q u e n c y , t h e c y c l e ，a n dt h ev a r i a n c e t h ed e s i g no f c i r c u i tt ol l l c a s l t l r et i m ei n t e r v a li sa n a l y z e dh e r e t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o d0 1 3 i t sh i g hr e s o l u t i o n 辨d w e l l e do n b yt h e s t u d y i n go ft h i si n s t r u m e n t , t h ei d e aa n de x p e r i e n c eo i lt h ed e s i g n i n go fas h o r tt i m e i n t e r v a li sp r o v i d e d h lm ct h i r dp a r to ft h i sp a p e r , an e wk i n do nh i g hr e s o l u t i o no ft i m ei n t e r v a l m e - a s u r e m e n ti sp r e s e n t i tc o m b i n et h eo l dm e t h o d sa n dak i n do fh i g hp r e c i s i o n l l l c a s u r c m c n tm e t h o do fs h o r tt i m ei n t e r v a l ，w h i c he f f e c t i v e l ye l i m i n a t e st h ee f f e c t i v e l y o ft h e lc r t o l oo nt h ef o u n d a t i o no ft h i sm e t h o d , ah i g hr e s o l u t i o nt i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw i t ht h er e s o l u t i o no f4 3 n sa n dt h em e a s u r e m e n tr a n g eo f l o o m - l o u si sd e s i g n e d b a s eo nc p l da n di t sc o r r e s p o n d i n ge d as o f e w a r e ，e x p l o r i n g t o o l s , t h ed e s i g no f c i r c u i ti ss i m p l i f i e da n dt h ee x p l o r i n gp e r i o di sr e d u c e d i na d d i t i o n , t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ei n s t r t t m c n tm e a s u r ep , r i o d , f r e q u e y , r i s e f a l lt i m ea n dw i d t ho f a s i g n a l k e yw o r d l a ：s h o r tt i m ei n t e r v a ln l e 2 s u r e m e n t s i m u l a t e di n t e r p o l a t o r $ r 6 2 0 q u a u t i e dd e l a y 创新 生声明 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 发表或撰写过的研究成果；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，本人承担一切相关责任。 本人签名：汤逸日期：血q d ：f ：丝 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西安电子科技大学。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： 导师签名： 日期：，逍! 一! 兰 日期：超q 61 12 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 时间基准的发展和时间频率测量的重要性 时间和空间是物质存在的基本形式，任何物质的运动、变化或发展过程， 都是在时间和空间内发生的，人类的一切活动，离不开时间和空间。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，人类对时间准确 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一秒。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 4 左右。在1 9 6 0 年的l l 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：即秒为1 9 0 0 年1 月0 日历书时1 2 时起算的回归年的i 3 1 5 5 6 9 2 5 9 7 4 7 。 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l o - 7 的精 度。随着量子理论和电子学的发展，人们认识到，原子和分子只处于一定的量 子能级。当它从一个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或吸收一定频率的电磁 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 个周期的持续时间”。目前，铯原子钟的精度可达到i o “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，其目标是其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( 如时间或相位的 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直接 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 2 时间间隔测量仪的分析与实现 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。 1 2 时间间隔测量 目前，国内外所使用的时间问隔测量方法，有直接计数法、模拟内插法、 游标法等。直接计数法一般是用计数器对来自时基的输入脉冲进行计数，便主 门的开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正比。这种方法较简单，但精度不高。模拟内插法和游 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。时间一电压变换法是利用电容的充放电时间进行时间间隔测 量，它必须有a d 转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。 时间间隔的测量技术目i j i 已达到了很高的水平，借助这些原理设计的时间 问隔测量仪也达到了较高的精度，并有许多时间间隔测量仪器可供应用。在这 中间，美国h p 公司推出的h p 5 3 7 2 a 和美国斯坦福公司的s r 6 2 0 时间间隔计 数器代表了当前国际最高水平。美国斯坦福公司的s r 6 2 0 测量系统利用时间 一电压转换法，借助于d 转换系统，达到了非常高的分辨率，其对短时间 间隔测量的思想和方法为我们的设计提供了思路，对该仪器的研究是本文的一 个重点。 1 3 本论文的主要成果 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，并且时间间隔的测量 被应用在多种场合下，因此对相应的时间频率的测量手段和方法提出了更高的 要求。本论文是根据这种情况，分析现有的时间间隔测量仪器，对斯坦福公司 的s r 6 2 0 时间间隔计数器的测量原理进行分析，探讨了仪器的各种测量参数 的测量方法，分析该仪器时间间隔的测量方法，对系统完成高精度测量的电子 线路做了详细的分析和推导，着重描述了系统的闸门电路和a d 转换系统， 因为闸门系统为我们设计高精度的时间间隔测量仪提供了方法和思路，而a d 转换系统是系统实现高精度测量的一个基石。 通过对现有仪器的分析，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，完成了对时间间隔的高精度测量。 第一章绪论 3 即利用门电路延时现象，对短时间间隔进行量化，通过单片机进行数据处理， 完成对时间间隔的测量。基于量化时延的思想，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，导线的延迟时间 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，门电路可以用于时间间隔的测量中，其中与门是最方便的延时电路。时间 间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 l t e r a 公司的c p l d 器件e p m 7 1 2 8 s l c 9 4 - - 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 d 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e 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前仿真检查电路是否实现了所要求 的功能，然后通过仿真检查电路是否正确，最后可以通过下载电缆将可编程文 件( p o f ) 下载到所选器件中，并进行电路调试。这种设计方法可以大大缩小 印制板的面积，大量的器件稚置在可编程芯片中，省去了器件之闻的布线。较 之传统的测量方法，应用量化时延方法，同时基于c p l d 器件测量短时间间隔， 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 结合对s r 6 2 0 系统各种测量参数的分析，本文在基于量化延时的仪器上 探讨了测量频率、周期、上升，下降时间、脉冲宽度的测量方法，为实现通用 测量仪的高分辨率、快速测量、低成本做了铺垫。 二、内容安排 全文各章节内容安排如下： 第二章简要介绍了常用的短时间间隔的测量方法和一种特殊短时间间隔的 测量方法，分析比较了它们的优缺点和适用场合。 第三章介绍了一种基于模拟内插法实现时间间隔测量的电路，实现了模拟内 插提高测量分辨率的电路设计。 第四章分析了s l 强2 0 时间间隔计数器的工作原理和各种参数的测量原理，着 重分析了测量时间间隔的方法，通过对仪器电子线路的分析，结合时间间隔的测 量原理，推导出仪器达到高测量分辨率的理论和实现手段，为进一步的设计提供 了思路。 第五章讲述了基于量化时延原理的短时间间隔的测量方法，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。并且围绕着量化时 延，提出了进一步提高测量分辨率的几种方法。最后文章探讨了在此仪器上测量 上升厂f 降时间、频率、周期以及脉冲宽度的方法。 4 时间间隔测量仪的分析与实现 1 4 小结 本章回顾时间基准的发展历程，介绍了由此推动的时间问隔测量技术及仪器 的发展现状及论文的主要成果、内容安排。 第二章时频基本理论和基本测量方法5 第二章时频基本理论和基本测量方法 2 1 1 频率准确度 2 1 时频的基本概念 一个频率源的频率准确度，定义为它的时间频率值与其频率标称值或定义值 的相对偏差，表示为 ， 一， 频率准确度：上塑醴【_ 三碰堕堕虬 j 标称值或定义值 对于一级频率标准，其准确度等于实际频率值与定义值之差同频率定义值之 比。二级频率标准，指频率值不能单独确定，需要用级频率标准进行校准的标 准。例如：铷原子频标，高稳定度石英晶体振荡器等。 在实际确定一个频率源的准确度时，除一级频率标准外，都需要有一个可以 作为“参考”的频率标准。目前能够作为这种参考的频率源有：铯柬频标、氢激 射器频标、无线电标准时间和频率广播信号，以及任何一个准确度已知的频率源。 由测量确定一个频率源的准确度时，其结果受下列因素影响： ( 1 ) 作为参考频率的频率源的准确度和稳定度； ( 2 ) 被测频率源的稳定度； ( 3 ) 测量比对方法及其使用的仪器设备。适当选择参考频率和测量设备， 可以减少比对的误差。一般原则是：参考标准的系统误差( 准确度) 要优于被测频率源一个数量级，测试设备的随机误差必须比被测频率 源小一个数量级或至少三分之一以下。 2 1 2 频率稳定度 频率稳定度指频率源在一定时间间隔内，其内部各种噪声引起输出频率的随 机变化量。当我们说某个频率源的稳定度时，必须说明取样时间。 另外，电源电压的波动、环境温度、湿度气压和磁场的变化以及震动、冲击 等，也会使频率发生变化。因此，在进行频率稳定度的测量和要求高稳定度频率 源的场合，需要对环境条件实行严格的控制，一般要求为： 环境c ：室温( 1 5 3 0 c ) 2 c ，不得有温度突变。 环境湿度：6 5 1 5 交流电压：2 2 0 v 士2 6 时间间隔测量仪的分析与实现 在时频测量中，频翠稳定厦目前晋趣米用相对频翠起伏的酬伦万差估计僵的 平方根来表征。阿伦方差的定义为 们= ( 华) 式中符号表示无穷取样的统计平均。这里， 瓦= i f + r y ( f ) 衍= 盟杀掣 为取样时间f 上的平均相对频率偏差。v 。为输出的标称频率。对于m 个取样， 阿伦方差的估计值为 盯勋= 面1 刍m 【j ，“一y t ) 2 其平方根为 喇= 压鼢r 珀2 要使上述估计值逼近真值，m 要足够大。当参考频标的稳定度与被测频标属 于同一个数量级时( 两个同类型的频标之间的比对) ，每个频标的稳定度等于直接 测得的稳定度除以j 。 在频域测量中，频率稳定度采用瞬时相对频率的功率谱密度邑( 力来表征。 墨( 力是一个不能被精确测量的量，然而，利用相位起伏的功率谱密度s ( 力可以 计算s y ( 力，他们之间的关系为s ，( ，) = ( 与2 f 2 s ，( ，) 。 v o 2 1 3 系统漂移率及其计算 频率源的输出频率除了上述随机变化外，一般还存在着一种随时间漂移的系 统变化。它主要由频率源中谐振器( 例如石英晶体振荡器中的石英晶体) 和其他 元件的老化引起。所以又称频率源的老化率。系统漂移率可采用鉴频法和鉴相法 两种方法进行测量。 ( 1 ) 测频法 一般的说，根据不同时间上测得的大量频率值，用最d , - 乘法处理，可以 求得系统漂移率的大小。对于日漂移率，可以这样测量：系统经过规定的预 热时间后开始频率值取样。取样时间r 1 0 秒，取样周期t = 1 2 小时( 即n z 2 ) ， 连续测量7 天，共1 5 个点。利用式( 2 1 ) 得出它的估算值： 第二章时频基本理论和基本测量方法 7 一 行( ，一万“一，) 肛专f ( t j - 了0 2 其中：五：频率标称值 ；取样时序，用自然数列表示 z ：为时刻测量的频率值 7 = 土n 兰s * l z ；：上争， n 急 ( 2 1 ) ( 2 ) 鉴相法 每天在同一时刻读取相位记录仪上累计的相位差数，即取样时间f 等于取样周 期2 4 小时，连续测量7 天，共7 个数，用式( 2 2 ) 计算： 一 ( 铒一丁) 一，) k = 型百一 谢( ，- i ) 2 j a l ( 2 - 2 ) 式中，z 为时刻相对应的f 时间内积累的相位差斫= 专粪五 a t , 与f 的单位要一致 只要满足测量精度的要求，取样时间f 可以任取。由f 时间内积累得相应差正 计算出频率得相对差，然后按式( 2 3 ) 计算日漂移率： 掣：坚( 2 - 3 ) 2 1 4 测量准确度和精密度 测量准确度是衡量一个测试系统或测量仪器的主要标志之一。它指的是测量 值与实际值的符合程度，其定义为： 测量准确度= ( 测量值一实际值) 实际值 测量精密度是指每次测量之间测量值的符合程度。它表明测量仪器或系统在 一定条件下重复测量的能力。 8 时间间隔测量仪的分析与实现 2 2 1 直接计数法 2 2 常用时间间隔测量方法 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间基准信号的高精度比对等。最简单的测量 时间间隔的方法是直接计数法。直接计数法就是在由待测时间间隔构成的闸门 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 的时间间隔。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， 精度越高，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l o m h z ，单 纯提高填充脉冲的频率不能从本质上解决问题，对于特别小的短时间间隔可能 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。 输 待铡时间 间隔 筒门i 时基脉冲 。 仉 1 1 7 i i 一不= 岵 i 1 一 一i 卜， 一k 阻 f o ；f 1 | liliilllliiilll 丌 图2 1直接计数法波形图及测量原理框图 从图2 1 可以得出，由于填充脉冲与时间间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a 瓦= n o t o 一r ：+ ，如果我 们能准确测量出短时间问隔厶f 和，2 ，也就能够准确测量出时间问隔巧，消 第二章时频基本理论和基本测量方法 9 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。模拟时间展宽法是先用模拟的方法将时问间隔处理后再进行计数；时间一 一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间间隔测量p l 。游标法是将短时间间隔的开始 和结束信号分别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。 2 2 2 模拟内差法 内插法【1 1 1 2 1 是以测量时间间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 7 k 、乃、乃。时间霸的测量和通用电子计数器测量时间间隔的方法没有区别。 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，在乃时间内，用一个恒流源将一个电容器充电，随后以充电时间乃的 9 9 9 倍的时间放电至电容器原电平。内插扩展器控制门由起始脉冲开启，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 时间为乃的1 0 0 0 倍，即t = 7 1 4 9 9 9 7 1 = 1 0 0 0 t t ；在r 的时间内计得时钟脉冲数 为，得丁= ，t o ，故 z ：! 业( 2 - 4 ) 1 1 0 0 0 类似地，中止内插器将实际测量时间乃扩展1 0 0 0 倍，这时= n ：瓦，故： 瓦= 二二三二旦( 2 5 ) 1 0 0 0 由图2 2 可见，0 和被测时间间隔瓦的区别仅在于多计了乃而少计了乃，故 l = ( n o + 镣r o ( 2 - 6 ) 由此可见，用模拟内插技术，虽然测乃和t 2i j 1 个字的误差依然存在，但 其相对大小可缩小1 0 0 0 倍，使计数器的分辨力提高了三个量级。 利用上述原理可以测量周期和频率。这时，计数器计得的仍然是时间间隔。 在这种情况下，除了测量知、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五： l o 时间间隔测量仪的分析与实现 被测信号f x 1 0 删z 钟脉冲 扩展器 计数 2 2 3 游标法 ，一( 0 + n 1 i 。- - 0 0 n 2 ，) 瓦 瓦2 1 卜 正= 丽丽l 了o o o 玎n 。面瓦 矗 起始 终j e 叫乃k 一 0i1l2i3 ili n o 、 九= 0 t o 7 乃 乃 f o 圈2 2 内插法原理闭 图2 3 内插时间扩展原理图 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 这是一种以时间测量为基础的计数器【5 l ，关键在于设法测出整周期数外的零头 或尾数。如图2 4 所示，可知 第二章时频基本理论和基本测量方法 i i 瓦= 霸+ 死一瓦 ( 2 9 ) 若要测量起始脉冲和中止脉冲的时间间隔疋，一般方法是由起始脉冲开门， 以终止脉冲闭门，被测时间间隔瓦即为闸门开启时间。在闸门开启时间内，时基 脉冲通过闸门进入计数器。若时基脉冲周期为乃，计数器指示值为，则疋a t 0 1 ， 这时极限量化误差为1 个量化单位。下面根据图2 4 讨论减少测量误差的一个方 法。 如图2 4 所示，用乃来表示被测时间间隔瓦，从时间上来看，它少计了死， 多计了瓦。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死和疋， 以提高时间的分辨力和准确度，避免了1 个字误差。 起始脉冲 停止脉冲 输，；、1i；f；1j1一 时基脉冲 游标脉冲i l ；i 1 、，= = ，7 一i 矗卜 1 阿li 升片l i i iiiiliililililli 川 f 0 iii 1 0 - 符合点1 ， t o z r 。 0 liii 一而卜 符合点2 图2 4 游标法工作波形图 下面结合图2 4 的时间关系和图2 5 的方框图来说明这种测量方案，起始脉冲 同时打开闸门和触发游标振荡器i ，这时脉冲间隔为乃f 的时基脉冲通过闸门进入 粗测计数器，其读数为删乃，。游标振荡器i 的频率比时基频率稍低，即7 0 2 比 稍长，周期为7 砧的游标计数器i 计数。若由第一个游标脉冲( 0 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j 个游标 脉冲和时基脉冲相重合，时基脉冲赶上了游标脉冲，则零头时间死为 t b - x ( r 0 2 一t o o = o( 2 1 0 ) 乃= 7 0 2 2 0 1 ) ( 2 - 1 1 ) 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 的读数表示的时间为t b = x ( 7 0 2 一乃，) o 类似的游标振荡器振荡周期亦为z 幻，游标计数器若计得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( 其时间起点和中止脉冲相同) 的 时间瓦为： 1 2 时间间隔测量仪的分析与实现 ( 2 - 1 2 ) i 圣| 2 5 游标法原理| 芏| 因此，被测的时间间隔瓦为 瓦= ( 一工眇) t o l + ( 工y ) 7 砧 = t o t + ( x y ) 乃( 2 1 3 ) 式中t o = 一砌 这种计数法的分辨力为( z 砧一t o ，) ，它比粗测计数器分辨力t 0 1 以及游标计数 器的分辨力丁砧都高。显然，z 幻愈接近z 新，其分辨力愈高。 2 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，一种是非周期性的，只出现一 次，测量装置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间的规律性。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【3 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7 二，也就是两信号间最大公因子频率丘的周期。两 周期性信号，：和正之间的量化相移分辨力为 ，7 1 7 1 t = 尘坚一= ，二土( 2 1 4 ) z 以瓦。 第二章时频基本理论和基本测量方法 1 3 当z = a 患，五= b 允对，其中a 和b 两个正整数互素。若a b 时， 则在一个7 二周期内两信号间的量化相位差个数为b ，它们分别等于两信号间的相 对初始相位差值加上o ，丁，2 r ，3 r ，( b 1 ) r 。如果两比对信号频 率稳定度足够高、之间有接近的频率值并在此基础上有一定的频差，则它们之间 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合检测理论，且根据此原理设计出多种 型号的高精度频率计。我们也一直想将此原理推广到短时间间隔的高精度测量， 但如何使待测时间间隔和已知的频率信号之闻的相位相关，而不是一种随机的相 位关系，+ 。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 信号之间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 升时间、下降时间或脉宽这样的短时间间隔的测量方法 1 a j 。 首先，我们分析图2 6 所示的采样波形。 m = 6 n = 5 m = 7 n = 5 ( a ) l2345 ( b ) 、1 4 2 53 7 ( d ) 圜2 6 采样波形 首先约定用w 代表待测信号波形，设它的频率为，周期为f ；m 与n 为互素 的正整数；采样时钟为五，周期为f ，。在1 u r 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 5 ) 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 = i u r p - - m f = n f ( 2 1 5 ) 设第一次采样对应w 的相位巾，则第n 次采样对应w 的相位是 中。：h + 2 ( n - l 沙生当劬( 2 - 1 6 ) 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 + 1 ，则二者的顺序是一致的，如图2 6 ( c ) 1 4 时间间隔测量仪的分析与实现 所示。根据公式( 2 - 1 6 ) ，每一次采样相位提前巾= 2 u l n ，第n 次采样时整个相 位变化了2 x ( n i ) n 。 对应式( 2 - 1 4 ) ，我们可以认为z = 厂，l = r ，六= 瓜，t = f ，k = i u t p = n l ；在m = n + 1 时，z = a 厶- m l 2 ( n + 1 ) l ，五= b 允- n 允， 量化相移分辨率如式( 2 1 7 ) 所示： a t ：量：丝：笪：三 l t1 豳 h t s n ?j 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 生采样时钟五来保证它与w 的相位关系，这里采用的是锁相环方法，如图2 7 ( a ) 所 示。 图2 7 ( a ) 锁相环组成 l ne y e l e s nnnnn_ jz 仃厂7 仃厂7 厂7 me y e l e s nn 几几几几 几几几n 几几 图2 7 ( b ) 锁相环路信号问的相位关系 信号，与正问的相关性n f = m 正是通过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l r r 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。 f 图2 7 ( c ) 第一次采样时相位状况 第二章时频基本理论和基本测量方法 1 5 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。 图2 8 测越方案框图 借助p l l ，可以产生一个与被测信号w ( 频率为，) 相位相关的信号丘，以此信 号作为比较器c o m p a r a t e r 的采样时钟。同时还要产生一个控制时钟无，它的一个 周期对应一个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 c 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。 一j 1一 1u t p- lu t p ，一、，、一一、 、，、， ss t o p s s c 口h s m 叶+ s m d j 一 l 序列 o 0 序列 上升2 序列下降 时问时问 图2 9 输出序列波形图 令k 和分别为待测时间间隔的开始和结束参考电压( 取 p o = o 1 ，= o 9 ) ，比较器将输出两组位序列| 5 k 和5 卿，两序列都 是在以上为采样时钟时得到的采样值，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 。，和- 导出一个新序列s = s 。+ s 0 ，该序列有三种 取值0 ，1 ，2 。处于0 和2 之间的由连续的l 构成序列l - s e g 代表上升时间，而处 于2 和0 之间的由连续的l 构成的序列代表下降时间。 1 6 时间间隔测碹仪的分析与实现 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 ：f n ，对 应时间轴上的时间间隔为 竺：业：三 ( 2 1 8 ) 2 万 2 石 式( 2 1 7 ) 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 8 ) 的结果与式( 2 1 6 ) 导出的量化相移分辨率的值是一致的。 如果用l 表示l - s e g 序列的长度，则上升时间可由公式( 2 1 9 ) 得出： _ r 毛= ( 2 - 1 9 ) v 在此测量方案中，测量的准确性受到以下四个因素影响：( i ) 待测信号w 的 周期重复性和参考电压的稳定性；( 2 ) 自身测量分辨率：( 3 ) p l l 的性能：( 4 ) 比较器的性能。这里，我们在比较理想的情况下进行讨论，至于具体的测量误差 讨论，请查阅参考文献【1 4 l 。 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间、占空比和延 迟时间，原理同上。 ( 1 ) 下降时间：既然下降时间和上升时间有相同的参考电压，那么由上升时 间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 吃，只需要一个 测量时间窗口l r m 如果用l 表示处于两个o - s e g 段之间的序列1 的长度，那么占 空比可由式( 2 - 2 0 ) 导出。 ， 二1 0 0 f 2 2 0 ) ( 3 ) 延迟时间：为了测量两个具有相同频率值的信号之间的延迟时间，我们 需将参考电压设为0 5 屹，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间的测量中同样适用。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 3 小结 在本章中，我们先介绍了时间频率测量领域中的几个基本概念，然后了解了 常用的测频方法。在这些方法中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 第二章时频基本理论和基本测量方法 1 7 实现高精度的短时间间隔测量，测量分辨率可以达到n 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。 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间隔而出现的一种测量方法，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问相位变化的 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量方 案中，锁相环p l l 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 短时间间隔提供了一种全新的设计思路，启发了我们的思维。 第三章基于内插法测试仪的设计 1 9 第三章基于内插法测试仪的设计 通过第二章的介绍，我们知道在使用模拟内插法时较多使用的是一种时间 一电压转换法【5 1 ，其基本的测量原理是将短暂的时间间隔通过积分电路变化成 较长的时间量，通过对长时间量的测量间接的获得被测的短时间间隔。下面我 们介绍一种基于模拟内插法的短时间间隔的测量仪的设计方法： 3 1 1 测量系统的结构 3 1 时间间隔测量仪的设计 系统的主要部件包括两组积分器和三个电压比较器，每一个电压比较器分别 控制一个计数器。输入信号控制模拟丌关实现积分器在一定时刻起对基准电压进 行积分，两路积分器的输出电压与另一路基准电压进行比较。三组计数器由输入 信号同时启动开始计数，电压的比较输出反转时停止相应的计数器。其系统的结 构框图如3 1 所示： 控制电路 0 , u c 2 孙 计数嚣 启动 n 停止 _ 。产哉j 蛀 疋停止 r j 停止 图3 1 模拟内插法系统结构框图 图3 2 显示了系统各节点的电压变化曲线。输入的信号经过变换可得到两个脉 冲：起始脉冲和中止脉冲。起始脉冲到达时l # 积分器时开始对其基准电压进行积 分，同时三个计数器开始计数。当中止脉冲到达时2 # 积分器开始对其基准电压进 行积分。由于两个积分器的积分电压不同，因此输出的电压的变化斜率不同。选 取u 。： u 。则：的变化比1 要快，经过一定时间后达到u c ：= 。，则l 撑电压比 较器输出反转，停止l 弹计数器得到正。显然由于两个积分器的斜率是确定的，正的大 小则与两个输入脉冲的时间间隔是成正比的，详细分析如下： 时间间隔测量仪的分析与实现 u i n 【，c c ，a3 ，一夕f 夕 ，、 f r r 。 ；i r ，、 、， c r 一 、 幽3 2 电挫爻化渡形| 整l 1 撑积分电路输出电压u c 为 t 。志i u r , d t + l ( f o ) ( 3 - 1 ) 设初始值为o ，即：以1 ( 1 0 ) = o v ，则 2 粥u r i ( 3 - 2 ) 同理2 撑积分电路输出电压【厂c ：为： 22 嚣( 3 - 3 ) 当f ；正时，两个积分器输出电压相等，c ，c 。= 【厂c 2 ，可得： 最c 2 ( 即弘怒c l 瓦 ( 3 q 马 “ 蜀 、。 若取蜀= r 2 = 月，c l = c 2 = c ，则待测时间间隔f ，为： & = ( u 2 - u r , ) t , u r 2 ( 3 5 ) - - f 见，只要合理选择u 。2 ，u r 。则可将r ，的测量转化为一个较长的时间间隔互的测量。 若两个基准电压差值为u 。的1 ，则时间间隔被放大t m o 倍。 以上方法对两路积分器的元件参数一致性要求较高，同时基准电压【，。和c ，。2 须具有较高的精度，或同时进行检测。为降低由于元件参数不一致所引起的误差，系 统增加了两路电压比较器，将积分器的输出电压与另一路电压基准进行比较，得到 疋，e 两个时间，由正，疋即可消除元件参数误差。具体分析如下： 当疋时刻，【，f l = u 。根据式( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 可知： 第三章基于内插法测试仪的设计 2 1 同理，当五时刻，2 = 【k ，则： 上两式代入式( 3 5 ) ，消去焉、r 2 、 = 焉u c l r i t ，,( 3 6 ) 吣急仍训 ( 3 - 7 ) c i 、c 2 和u 。与u r 2 并可迸一步消去u 可得 嘲措 ( 3 8 ) 由于所有计数器均采用统一时钟，因此式( 3 - 8 ) 中各时间可表示为计数值与时钟周期 瓦的乘积，待测时间可表示为： = l 糌瓦