CN101034120A - 脉冲形状的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲形状的测量装置及测量方法，该装置包含一个恒比定时甄别模块和一个时间数字转换模块，时间数字转换模块的数据送入计算机进行处理：该装置的恒比定时甄别模块中的一组前沿甄别器和一组后沿甄别器分别鉴别出脉冲前沿和后沿上电压与峰值电压比为一定值的一系列点对应的时刻，多通道的时间数字转换模块将第一个时刻与其后各个时刻之间的时间间隔转换成数字量，采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术，在一片现场可编程逻辑阵列FPGA上实现，得到的数据送入计算机计算得到时刻间的时间间隔，根据各个时刻的电压峰值比可间接还原脉冲形状，并获得脉冲宽度。本发明装置成本低，体积小，重量轻，可应用于激光测距仪中。

Description

脉冲形状的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及激光脉冲形状，特别是一种脉冲形状的测量装置及测量方法。

背景技术

激光测距仪是通过测量激光脉冲的飞行时间来得到距离信息的。同时，发射的激光脉冲与目标表面相互作用后，由于目标表面特征的差异(如粗糙度、倾斜度等)，往往会造成回波脉冲的展宽或变形，因此，通过获取回波脉冲的形状，并由此得到回波脉宽，可间接地得到目标的基本特征。

在激光高度计系统中，现有的脉冲形状测量技术，一般采用A/D取样电路，工作原理参见图1。在一系列选定的时刻，对输入脉冲的幅度(电压)进行取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，转换结果对应的电压是每次取样结束时的电压值，结果数据送入计算机处理，以还原脉冲形状。激光回波脉冲的宽度一般在几十到几百纳秒之间。由于取样定理，为了获得足够的取样点，A/D取样电路的工作频率需要达到几百兆赫兹甚至更高。取样频率提高后留给每次电压数字转换的时间也相应缩短，这就要求转换电路必须具备更快的工作速度，因此，不能无限制地提高A/D取样电路的取样频率。此外，高速A/D取样电路往往造价高，发热大，有的还需加上风扇以及独立的供电电源，因此体积大，难以集成，而且重量重，限制了其在激光高度计中的应用。所以研究低成本、集成化的脉冲形状测量装置具有重要意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲形状的测量装置及测量方法，该测量装置应具有易于集成、成本较低、体积小、重量轻的特点，可应用于激光测距仪中。

本发明的具体解决方案如下

一种脉冲形状的测量装置，其特点在于包含一个恒比定时甄别模块和一个时间数字转换模块，该时间数字转换模块的数据送入计算机进行处理：

所述的恒比定时甄别模块包括N(N≥3)个触发比各不相同的前沿甄别器和N个触发比各不相同的后沿甄别器，分别用来甄别脉冲前后沿上电压与峰值电压比值为相应甄别器触发比的点所对应的一系列时刻：第一时刻、……、第2N时刻；

所述的时间数字转换模块具有2N-1个测量通道和一个数据组合模块，该2N-1个测量通道分别测量上述一系列时刻中的第一个时刻与其后各个时刻之间的时间间隔为T1、T2、……、T2N-1；每个测量通道包含两个预处理电路、两个结构相同的延迟插入电路和一个计数器。

所述的时间数字转换模块是在一块可编程逻辑芯片上实现的，所述的N≥3。

利用上述脉冲形状的测量装置测量脉冲形状的方法，包括下列步骤：

①时刻鉴别：

一组N个前沿甄别器和一组N个后沿甄别器分别鉴别出脉冲前沿电压与峰值电压比值为相应前沿甄别器触发比的点对应的时刻和脉冲后沿电压与峰值电压比值为相应后沿甄别器触发比的点对应的时刻，输出表征这些时刻的的信号：一个开始信号和一系列停止信号：第一停止信号、第二停止信号、……、第(N-1)停止信号；

②时间间隔测量：

将所述的开始信号与所述的第一停止信号、第二停止信号、……、第(N-1)停止信号之间的时间间隔T1、T2、……、T2N-1分别送入时间数字转换模块的各个通道中进行测量，得到的全部数据由数据组合模块整合后锁存；

③所述的计算机通过读取上述数据，并进行计算处理，还原脉冲形状，获得脉冲宽度。

所述的时间间隔测量采用数字计数法结合数字延迟线插入法，先用计数法测量待测时间间隔Tn内周期为To的参考时钟周期个数No，待测时间间隔前后两个不足一个周期的时间间隔，送入分别由一串延时均为τ的延时单元组成的两个延迟插入电路进行测量，分别得到包含单位时间τ的个数Na、Nb。

所述的时间数字转换模块(2)的数据送入计算机，该计算机按照下式计算时间间隔的测量值：

       Tn＝NoTo+(Na-Nb)τ

再根据各个时刻的电压峰值比和时刻间的时间间隔还原脉冲形状，还可间接获得脉冲宽度。

本发明脉冲形状测量装置，包括一个恒比定时甄别模块和一个时间数字转换模块，后者的数据送入计算机处理，从而将脉冲形状的测量转换成若干个时间间隔的测量。

所述的脉冲形状测量装置的恒比定时甄别模块包括一组触发比递增的前沿甄别器和一组触发比递减后沿甄别器，分别鉴别出脉冲前后沿上电压与峰值电压的比值等于相应的触发比的点对应的时刻，触发比最小的前沿甄别器输出一个开始信号，其余甄别器分别输出一个停止信号。

所述的脉冲形状测量装置的时间数字转换模块在一片现场可编程门阵列(FPGA)上实现，通道数目为前后沿甄别器总数减1，分别将开始信号与各个停止信号之间的时间间隔转换为数字量，送到计算机进行后续计算。

应用上述脉冲形状测量装置的脉冲形状的测量方法如下：

步骤1、时刻鉴别：

取前沿甄别器组中各甄别器的触发比为递增的一组数值，后沿甄别器组中各甄别器的触发比为递减的一组数值，分别鉴别出脉冲前沿和后沿电压与峰值电压比值等于相应甄别器触发比的各点处对应的时刻，对应输出上升沿陡峭的开始信号和一组停止信号，各脉冲的上升沿表征各处的时刻。时刻甄别器采用恒比定时甄别技术。

步骤2、时间间隔测量：

将各个停止信号分别送入时间数字转换模块的的各个通道中，各个通道共用一个开始信号。分别测量开始信号上升沿和送入这个通道的停止信号的上升沿之间的时间间隔。时间间隔测量采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术，精度为几百皮秒，各个通道获得的数据，全部送入数据组合模块整合并锁存，可被外部计算机读取。计算机通过数据处理可以还原脉冲形状并获得脉宽。

与A/D取样电路相比，本发明的优点如下：

第一，由于恒比定时甄别模块的核心是高速电压比较器，而且时间数字转换模块在一块现场可编程逻辑芯片(FPGA)上实现，因此，装置体积小，重量轻，集成度高，性价比高。

第二，从脉冲前沿到后沿取一系列时刻，测量第一个时刻分别和其后各个时刻之间的时间间隔的方法保证了每次测量脉冲形状时，对脉冲的上升沿和下降沿分别有一定个数的采样点，相当于脉冲宽度不同时，取样频率可自动调整，解决了工作频率一定的A/D取样电路由于取样频率不满足取样定理导致信号无法恢复的问题。

第三，使用了FPGA设计时间数字转换模块，由于其可重复编程特性，通道数可灵活变化，相应增加或减少时刻甄别器后，装置可以比较容易地增加或减少取样点。此外，装置还可以根据需求灵活地添加其它功能。

附图说明

图1是已有的A/D取样电路工作原理

图2是本发明脉冲形状测量的工作原理图

图3是本发明脉冲形状测量装置实施例的结构框图

图4是本发明时间数字转换模块一个通道的测量方法

图5是时间数字转换模块中一个通道的结构框图

具体实施方式

下面结合附图与本发明的一个具体实施例对本发明做进一步的说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图2，图2是本发明脉冲形状测量的工作原理图，本实施例中，N＝3，将脉冲形状的测量转换成五个时间间隔的测量，分别为脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻与脉冲前沿50％峰值电压对应的时刻之间的时间间隔T1，脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻与脉冲前沿90％峰值电压对应的时刻之间的时间间隔T2，脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻与脉冲后沿90％峰值电压对应的时刻之间的时间间隔T3，脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻与脉冲后沿50％峰值电压对应的时刻之间的时间间隔T4以及脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻与脉冲后沿10％峰值电压对应的时刻之间的时间间隔T5。

参考图3，图3是本发明脉冲形状测量装置实施例的结构框图，脉冲形状测量装置包含一个恒比定时甄别模块1和一个时间数字转换模块2，时间数字转换模块2的数据送入计算机进行数据处理。

所述的脉冲形状测量装置的恒比定时甄别模块1包括六个恒比定时甄别器：

前沿甄别器11鉴别脉冲前沿10％峰值电压对应的时刻，输出一个开始信号；

前沿甄别器12鉴别脉冲前沿50％峰值电压对应的时刻，输出第一停止信号；

前沿甄别器13鉴别脉冲前沿90％峰值电压对应的时刻，输出第二停止信号；

后沿甄别器14鉴别脉冲后沿90％峰值电压对应的时刻，输出第三停止信号；

后沿甄别器15鉴别脉冲后沿50％峰值电压对应的时刻，输出第四停止信号；

后沿甄别器16鉴别脉冲后沿10％峰值电压对应的时刻，输出第五停止信号。

三个前沿甄别器11、12、13的结构相同，由延时器111、衰减器112和比较器113组成，脉冲信号同时输入到延时器111和衰减器112，延时后的信号输入比较器113的同相输入端，衰减后的信号输入比较器113的反相输入端，所述的甄别器11、12、13的触发比等于衰减系数，调整前沿甄别器11、甄别器12和甄别器13内的衰减器系数，使得触发比分别为0.1、0.5和0.9时，输出的开始信号、第一停止信号、第二停止信号2的上升沿分别表征输入脉冲上升沿电压为峰值电压的10％、50％、90％处的时刻。三个后沿甄别器的结构相同，由延时器(111)、衰减器(112)和比较器(113)组成，脉冲信号输入到衰减器112后再经延时器111输入比较器113的同相输入端，信号同时输入比较器113的反相输入端，三个后沿甄别器14、甄别器15和甄别器16的触发比等于衰减系数，调整后沿甄别器14、甄别器15、甄别器16内的衰减器系数，使得触发比分别为0.9、0.5、0.1时，输出的第三停止信号、第四停止信号、第五停止信号的上升沿分别表征输入脉冲上升沿电压为峰值电压的10％、50％、90％处的时刻。

所述的脉冲形状测量的时间数字模块2具有五个测量通道：通道21、通道22、通道23、通道24、通道25分别测量时间间隔T1、T2、T3、T4、T5，每个通道获得24位(3字节)的数据，送入数据组合存储模块26中构成15个字节的数据，然后输出到计算机进行后续处理。根据各个时刻的电压峰值比和时刻间的时间间隔可还原脉冲形状，脉宽定义为半高全宽时，可通过T4-T1计算得到脉宽。

所述的时间数字转换模块2在一片现场可编程门阵列FPGA上实现，具有五个结构、原理相同的通道21、22、23、24、25和一个数据组合模块26。时间间隔测量原理如图4所示，开始信号上升沿和停止信号n(n＝1、2、3、4、5)上升沿之间的时间间隔Tn通过与时钟信号比较分成三部分：采用计数法测量得到的整数个时钟周期NoTo以及小于整周期部分的间隔Ta和Tb，这两段时间间隔分别送入完全相同的分辨率均为τ的两个延迟线模块41、42中进行延时差值计算，得到整数Na和Nb，这样，测量的时间间隔可由计算机由下式算出：

Tn＝NoTo+(Na-Nb)τ

其理论测量误差为±τ

所述的时间数字转换模块2的每个通道包含两个结构相同的预处理电路31、32，两个结构相同的延迟插入电路41、42和一个8位计数器51。参见图5，预处理电路31的两个输出端和预处理电路32的两个输出端分别接入延迟插入电路41的两个输入端和延迟插入电路42的两个输入端。两个预处理电路31、32中时钟端与时钟信号相连的触发器的输出经过一个异或门后作为8位计数器51的使能信号。延迟插入电路41和42由24个延迟单元411组成的延迟线和编码电路412组成，每个延迟单元411包含一个延时为τ的延时缓冲器和一个低电平触发器，该低电平触发器的输出与编码电路412的输入端相连。编码电路412将延时线上24位的状态输出，转换为8位的二进制个数值。计数器51和延迟插入电路41、42分别输出一个字节(八位)的数据。通道1输出的三个字节数据与其它通道的输出数据(各个通道也是输出三个字节数据)一起送入数据组合模块26中。

所述的时间数字转换模块2具体选用Actel公司的现场可编程逻辑门阵列FPGA中的APA300芯片来实现。在集成开发环境Libero IDE中完成，采用Verilog HDL语言设计。外部晶振提供40M的时钟，通过APA300内嵌的PLL转换成100M作为计数器的参考时钟。将APA300器件的逻辑元胞配置成三输入与门作为延时缓冲器，测时精度可达500ps。

应用上述脉冲形状测量装置进行脉冲形状测量方法如下：

步骤1：时刻鉴别

采用恒比定时甄别技术，获得表征脉冲前沿电压为峰值电压的10％、50％、90％和脉冲后沿电压为峰值电压的90％、50％、10％的各点处对应的时刻的开始信号和停止信号1～停止信号5，这样将脉冲形状的测量转换测量开始信号分别与停止信号1～停止信号5之间的时间间隔T1～T5的测量。

步骤2：时间间隔测量

时间间隔T1～T5分别送入通道21～通道25进行测量，每个通道的测量过程为，开始信号和停止信号首先通过预处理电路31、32后，两信号上升沿之间的时间间隔分成三部分：第一部分产生一个闸门信号，宽度等于开始信号上升沿后参考时钟第一个上升沿对应的时刻与停止信号上升沿后参考时钟脉冲的第一个上升沿对应的时刻之间的时间间隔，送到计数器51的使能端，计数器51记录闸门内填充的脉冲整数为No，若参考时钟脉冲的周期为To，则这段时间间隔为NoTo；第二部分为开始信号上升沿与其后参考时钟脉冲第一个上升沿之间的时间间隔，送入延迟插入电路(41)，用延时单元的延时时间τ进行内差，得到数值Na，从而得到这部分时间间隔等于Naτ；第三部分为停止信号上升沿与其后参考时钟脉冲的第一个上升沿之间的时间间隔，送入延迟插入电路42，用延时单元的延时时间τ进行内差，得到数值Nb，从而得到这部分时间间隔等于Nbτ。开始信号与停止信号上升沿之间的时间间隔可由前述的式子Tn＝NoTo+(Na-Nb)τ计算得到。每个通道得到计数器51一个字节和两个延迟插入电路41、42各1个字节数据，五个通道共输出15个字节数据，经数据组合模块26整合，送入计算机进行处理。

经试用表明，本发明装置具有成本低，体积小，重量轻的特点，可应用于激光测距仪中。

Claims (5)

1、一种脉冲形状的测量装置，其特征在于包含一个恒比定时甄别模块(1)和一个时间数字转换模块(2)，时间数字转换模块(2)的数据送入计算机进行处理：

所述的恒比定时甄别模块(1)包括N个触发比各不相同的前沿甄别器(11)和N个触发比各不相同的后沿甄别器(14)，分别用来甄别脉冲前后沿上电压与峰值电压比值为相应甄别器触发比的点所对应的一系列时刻：第一时刻、……、第2N时刻；

所述的时间数字转换模块(2)具有2N-1个测量通道(21、22、……、2N)和数据组合模块(26)，该2N-1个测量通道分别测量上述一系列时刻中的第一个时刻与其后各个时刻之间的时间间隔为T1、T2、……、T2N-1；每个测量通道(21)包含两个预处理电路(31、32)、两个结构相同的延迟插入电路(41、42)和一个计数器(51)。

2、如权利要求1所述的脉冲形状的测量装置，其特征在于所述的时间数字转换模块(2)是在一块可编程逻辑芯片上实现的，所述的N≥3。

3、采用权利要求1所述的脉冲形状的测量装置测量脉冲形状的方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下：

①时刻鉴别：

一组前沿甄别器(13)和一组后沿甄别器(14)分别鉴别出脉冲前沿电压与峰值电压比值为相应前沿甄别器触发比的点对应的时刻和脉冲后沿电压与峰值电压比值为相应后沿甄别器触发比的点对应的时刻，输出表征这些时刻的的信号：一个开始信号和一系列停止信号：第一停止信号、第二停止信号、……、第(N-1)停止信号；

②时间间隔测量：

将所述的开始信号与所述的第一停止信号、第二停止信号、……、第(N-1)停止信号之间的时间间隔T₁、T₂、……、T_2N-1分别送入时间数字转换模块(2)的各个通道中进行测量，得到的全部数据由数据组合模块(26)整合后锁存；

③所述的计算机通过读取上述数据，并进行计算处理，还原脉冲形状，获得脉冲宽度。

4、如权利要求3所述的测量脉冲形状的方法，其特征在于所述的时间间隔测量采用数字计数法结合数字延迟线插入法，先用计数法测量待测时间间隔Tn内周期为To的参考时钟周期个数No，待测时间间隔前后两个不足一个周期的时间间隔，送入分别由一串延时均为τ的延时单元(411)组成的两个延迟插入电路(41、42)进行测量，分别得到包含单位时间τ的个数Na、Nb。

5、如权利要求4所述的测量脉冲形状的方法，其特征在于时间数字转换模块(2)的数据送入计算机，按照下式计算时间间隔的测量值：

                   Tn＝NoTo+(Na-Nb)τ

再根据各个时刻对应的电压峰值比，还原脉冲形状，并获得脉冲宽度。

Images