时间间隔测量技术

1、时间间隔测量技术一 直接计数法测量原理与直接计数法测量频率基本相同, 区别在于测量时间间隔时, 控制 电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。内部晶振振通过倍频或分频产生时基。 在电子门打开期间, 时基脉冲进入计数条进行计数。设所计的数值为 N ,所选的 时期为 0,则所测时间间隔为N =(5-1时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。对上式进行微分得dNNd d 00+=第一项是晶振频率不准造成的,第二项与测频时一样,仍然是 dN =±1。第 一项如用频率准确度表示,则有000±=d N d 00±=d (5-2其中:所测时间间隔 d 晶振周期或晶振频率准确度 图

2、 5-1时间间隔测量的直接计数法由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨力。 它等于测量仪所能选用的 最小时基 0。一般最小的时基为 10ns ,最好的也只到 5ns 。小于 10ns 的间隔用其 他方法测量,目前有三种游标法、内插法和 A/D变换法。二 游标法利用长度测量中游标卡尺的原理。在图 5-1中, 1和 2均小于时基 0,故测不出,此时 1和 2可用游标法 测量。现以 1的测量为例,如图 5-2所示。 图 5-2游标法(1原来的时基 0称为主时基, 需要产生一个副时基 1,用 1>0, 但两者之差很 小,即 1-0 0当时间间隔起始脉冲 A 到达时,触发副时基发生器,

3、副时基信号与信号 A 同步,副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为 1。随后两个时基同 时运行,由 1>0,相当于副时基追赶主时基,每追过一个脉冲,两者的间隔就 缩短 1-0,当两者间隔为零时,一共追过了 N 个脉冲,则 1=N 1(1-0 。此式 可从图 5-2中准确得出。由图中可得11101N N =+(0111=N (5-32的测量略有些差异,如图 5-3所示 图 5-3游标法(2按 1的测量原理,此时测得值为 , 即 (012=N 但 =02故(01202=N (5-4目前使用较普遍的美国 HP5370时间间隔计数器用的就是游标法。 基本原理 如图 5-4所示启动信号 A

4、通过控制器 1同时触发副时基 1发生器和打开副门 1,计数器 1开始对时基 1脉冲进行计数。 副时基信号与主时基信号加到符合器 1上, 当两者 符合时,使副门 1关闭,计数器 1计的数为 N 1。同理, 停止信号与 B 通过控制器 2触发副时基 2和打开副门 2, 最后计数器 2计的数为 N 2。主计数门由两个符合器的输出控制, 第一符合器打开主门, 第二符合器关闭 主门。主计数器计的数为 N 。设 为欲测的时间间隔,则从图中所示关系可得:201T T T +=220011N N N +=一般取 21=,故12100 (N N N +=(5-5此结果由运算器给出在 HP5370中, 0=5ns

5、,由内部晶振频率 10MHz 倍频到 200MHz 后得到。1由 200MHz 信号通过综合得到,其关系为 f 1=1/2572562001×=MHz ,由此 得 ns i 0195. 5。由于三个计数器的闸门信号与各自输入的时基信号都是同步的, 故三个计数 都没有±1计数误差, 误差的来源是在符合电路上, 两路信号可能提前一次符合, 也可能落后一次,则引入的误差为 1-0=5.0195ns-5ns 20ps 。这就是 HP5370计数器给出的测量时间间隔的分辨力。 图 5-4游标法测时计数器三 内插法内插法是利用电容器放电时间比充电时间大很多倍来放大微小间隔。 简单原 理

6、如图 5-5所示 图 5-5内插法原理闸门时间为 T ,时基为 0,在 T 时间内计数器计了 N 个时基脉冲, 1和 2均 小于 0,需用充电法测量,现就 1的测量方法简述如下。计数器闸门打开的时刻(图中 a 点 打开充电器,给电容器 c 充电,在闸门 打开之后第一个时基脉冲到达时刻(图中 c 点关闭充电器,同时打开放电器。 电容器充得的电压为 V 0,对应的充电时间为 t 1-t 0=1。电容器上的电压放到零时 为止,放电时间为 112999=t t ,则1100001i N =N i 的±计数误差引入的 1的误差为 10001=d ,使测量分辨力提高了 1000倍。 同理,可测

7、3, 302=T 。在闸门时间关闭时刻。 (图中 b 点,第二个电容器开始充电，闸门关闭后到来的第一个时基脉冲（图中 d 点）使充电结束， 同 时令第二个电容器放电，充电与放电时间比仍为 1999，于是可计算出3。内插 法的关键是电容器及充放电元件要选的准确可靠， 同时要有稳定的恒流源给电容 器充电。 四 A/D 变换法 A/D 变换即模拟数字变换器，与内插法一样，在欲测量的微小间隔内给电容 器充电，然后把已充得的电压变成二进制编码的数字量，数字量跟电压成线性关 系， 而电压又限充电时间成线性关系， 从而得出与欲测时间成线性关系的数字量， 用计算机读取数字量再计算出所对应的时间间隔。如图 5-

8、6 所示。 图 5-6 A/D 变换法 假设主计数器测量时用的时基为0， 0 期内电容器充电到最大电压 Vm， 在 A/D 变换器输出的最大值为 Dm。 则：电容器上单位电压对应的时间间隔为 tC = Dm 的最小一位对应的电压为 kD = 0 Vm Vm Dm 由此可得 A/D 输出值的个位变化，一个数值对应的时间为 k = 0 Dm 上述结果必须满足这些量之间为线性关系。而实际上，无论是电容器上的充 电电压与充电时间的关系还是 A/D 变换器输出与输入的关系并不能在整个量程 内都保持线性关系。故在实用时只利用线性关系的一段。 例如， 美国的 STANFORD 公司最近几年制造的， 在我国已

9、大量使用的 SR620 6 时间间隔计数器用的时基， 0 = 1 = 11.111ns ，当充电时间为 0 时，电容器 90 MHz 充到的电压为 Vm =3.33v，A/D 变换器为 12 位，即输出最大值为 212 =4096。电容 器由 0 到 0 间隔内充电电压为线性，而 A/D 变换器中有三分之二部分为线性。 则可算出 A/D 变换器可用的最大值为 Dm = 4096 × A/D 输出值的最小间隔为 2 = 2731 3 K = 0 11.111ns = 4 ps Dm 2731 这就是该仪器给出的测量分辨力。 由此推出电容器上电压的最小间隔为 Vm 3.33V ×4 = × 4 ps = 1.2mv 0 11111 ps 这就意味电容器的充电电压有 1.2mV 的变化，输出就有 4ps 的变化，或者说 要得到稳定的时间间隔为 4ps 的分辨力，电压的变化必须小于 1mV，实际上很 难做到，一方面电容器是利用恒流源充电，而恒流源的稳定性达不到千分之几， 另一方面仪器内又存在噪声，故仪器实