CN101976037B - 一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明了提供一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法和装置，该方法包括如下步骤：使用32位的循环计数器测量时标时刻，形成本地时标，该循环计数器的计时分辨率为10ns；输入被测信号，使用所述循环计数器对所述被测信号进行计数；使用时间展宽器对所述被测信号未被所述循环计数器计数的残余时间间隔进行n次同步的时间展宽，然后采用闸门计数器测量经时间展宽后的所述残余时间间隔；计算所述循环计数器的计数结果和所述闸门计数器的测量结果并输出所述被测信号的测量数据。通过本发明的方法和装置可以达到100ps内测量精度和1M/s的采样率。

Description

一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法和装置

技术领域

本发明涉及时间间隔测量技术，更具体的是一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法和装置。

背景技术

时间间隔测量是测量电信号相位和频率随时间变化的科学测量技术，是电信号完整科学测量的一个重要组成部分。随着新的电子和通信技术越来越多的采用调频调相技术，对于信号频率、相位或时间间隔与时间变化关系的检测变得日益重要和迫切，在国民经济和国防的方方面面有着极其广泛的应用，如时钟源、锁相环、数字通信、集成电路、数字存储装置、机电系统、雷达、电子战和监视系统、扩频通信等。特别是在现代导航系统、电子对抗、雷达等对国防现代化具有举足轻重的关键环节，是核心的技术环节和技术瓶颈。同时时间作为一个最基本、最稳定的物理量，对时间间隔的高精度测量是一个国家核心科学技术水平的重要体现。

作为精密时间间隔测量，技术核心是时间展宽器，关键指标是时间展宽器的非线性度。目前国际上采用的达到ps级的时间展宽器通常方案有如下四种：

1)模拟内插-时间展宽法：在一个稳态的二极管中，导通电流I2＜＜I1，在被测时间间隔T内，电容C有恒定电流I1充电，然后以小得多的电流I2放电，因此将充电的时间T延长至I1/I2*T。

2)模拟内插-时间电压变换法：通过定值的电流为电容充电来把时间间隔转换为电压值(幅值)，然后使用传统的集成式A/D转换器方便的把它转换成数字量。

3)启动两个振荡器的游标卡尺法。该方法的基本结构包括两个可启动振荡器(SG1和SG2)，它们生成两种差别很小频率f1＝1/T1和f2＝1/T2，增量分辨率为r＝T1-T2，波形起始时刻从每个生成器的输出获得，它和相关输入信号的活动沿(开始或结束时刻)同步。

4)基于延迟线的时-数转换法：分接式延迟线由一组延迟单元组成，每个单元的传播时延τ相同(理想情况下)，通过采集延迟线传播过程中的初始脉冲来完成测量。

目前国际上，使用最好的先进方法和现代技术设计的测量仪器，时间间隔测量的最高测量精度可以达到10ps。

作为这方面可以购买到的世界顶级仪表，有美国斯坦福大学的SR-620产品，其分辨力为25ps，测量精度为500ps，采样率可达1000HZ；属于调制域分析仪的，有美国惠普公司的HP E1740产品，其分辨力为50ps，测量精度为100ps，采样率可达10MHZ，无实时传出能力。

目前国内时间间隔测量的技术能力，测试精度达到ns级。国内时间间隔测量产品与世界领先水平有较大差距，远远滞后于我国国民经济和国防对该技术的现实需求。国内对时间间隔测量的高端需求，基本完全依赖于进口，通用计数器如HP53130和SR620产品；调制域测试仪如HP E1740和HP 5372(2001年已经停产)。

现有的时间间隔测量方法采用两路同频或N倍频的信号进行对比测量的方法，存在如下应用限制：

时间间隔测量采用两路同频的信号进行对比测量的方法描述如下：一路信号A为被测，一路信号B为参考；信号A每个满足促发条件的脉冲产生开门信号，另一路信号B脉冲每个满足促发条件的脉冲产生关门信号，在开门信号和关门信号之间形成个有一定宽度的脉宽信号；测量部分以开门信号作为时间计数的开始，以关门信号作为时间计数的结束进行时间计数(如同秒表：每次测量一个开始操作，一个结束操作)。

为保证开门信号一定要比关门信号早，其逻辑是采用每个开门信号来了后，选择其后最近的一个关门信号作为关门信号进行测量。该逻辑实际形成了开门信号一个信号周期范围内的时刻测量；俗称比相仪，只能测量出一个周期内的时刻不同，超过一个周期就会归零。

比相仪方式的时间间隔测量方法，其主要限制在于：

1)对整周期的变化没有反映；对于信号相位发生较大突跳的场合是不适用的。

2)不同频的两个信号进行测量，测量数据将是紊乱的；因此该测量方式进行周期信号的时间间隔测量的时候，均要求是频率基本同步的信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：对测量范围内的任意信号任意相位和频率变化进行测量，并提高时间间隔测量的精度。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法，该方法包括如下步骤：使用32位的循环计数器测量时标时刻，形成本地时标，该循环计数器的计时分辨率为10ns；输入被测信号，使用所述循环计数器对所述被测信号进行计数；使用时间展宽器对所述被测信号未被所述循环计数器计数的残余时间间隔进行n次同步的时间展宽，然后采用闸门计数器测量经时间展宽后的所述残余时间间隔，其中n为大于等于3的正整数；计算所述循环计数器的计数结果和所述闸门计数器的测量结果并输出所述被测信号的测量数据。

优选的，所述测量数据为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、TDEV、MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数，其中，TDEV是时间偏差、MTIE是最大时间间隔误差。

优选的，所述本地时标为42.949672960秒。

优选的，所述闸门计数器为10ps的闸门计数器。

优选的，所述n次同步的时间展宽是：第一次将所述残余时间间隔展宽放大K倍，同步记录测量的结果A₁，再对所述残余时间间隔减去所述结果A₁*Kⁿ后得到的第二次残余时间间隔部分再展宽K倍，同步记录测量的结果A₂，依次循环，直至n次，记录n次的测量结果A_n，所述残余时间间隔结果为A₁*Kⁿ+A₂*K^n-1+...+A_n-1*K²+A_n*K，其中A₁、A₂、......A_n、K为正整数。

优选的，所述时间展宽器包括电流源I₁、电容C、电容C的充电开关K、稳态二极管D、快速比较器FC电流源I₂，其中，电流源I₁通过充电开关K连接到电容C的正极，电容C的负极接地，电流源I₂连接到电容的正极，稳态二极管负极与电容C的正极、电流源I₂、快速比较器FC的正极相连接，快速比较器FC负极接地。

更进一步地，本发明还提供了一种多次同步模拟内插的时间间隔测量装置，该装置包括：时间间隔采集器，用于根据外部输入频标生成本地时标，并采集被测信号的时间间隔；上位机，通过总线与所述时间间隔采集器相连接，并通过所述总线接收所述被测信号的时间间隔，进行数据处理。

优选的，所述时间间隔采集器包括数字信号处理器、32位循环计数器、闸门计数器、时间展宽器，所述数字信号处理器接收所述外部输入频标输入到所述32位循环计数器生成本地时标，所述32位循环计数器接收所述被测信号，并对被测信号的时间间隔计数后的残余时间间隔传输到所述时间展宽器进行时间展宽，所述时间展宽器将展宽后的所述残余时间间隔传输到所述闸门计数器，所述32位循环计数器、闸门计数器的计数结果通过数据总线传输给所述数字信号处理器。

优选的，所述上位机为台式电脑、笔记本电脑等计算设备。

优选的，所述上位机向所述时间间隔采集器下发测量指令进行被测信号的测量。

优选的，所述数据处理的结果为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、时间偏差TDEV、最大时间间隔误差MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数。

优选的，所述时间间隔采集器中的所述32位循环计数器、闸门计数器、时间展宽器个数均为4个。

更进一步的，所述32位循环计数器为10ns循环计数器、所述闸门计数器为10ps闸门计数器、所述时间展宽器为10ps时间展宽器。

本发明的有益效果是使用同步的多次模拟内插法大幅提高时间展宽器的性能，达到100ps的测量准确度。

附图说明

图1是本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量方法的流程图；

图2是本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量装置的结构图；

图3是本发明的时间间隔采集器结构图；

图4是本发明的时间展宽器的电路图；

图5是本发明的本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量装置的详细原理图；

图6是的本发明的上位机控制软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量方法及装置：

图1所示为本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量方法，该方法包括如下步骤：S1，使用32位的循环计数器测量时标时刻，形成本地时标，该循环计数器的计时分辨率为10ns；S2，输入被测信号，使用所述循环计数器对所述被测信号进行计数；S3，使用时间展宽器对所述被测信号未被所述循环计数器计数的残余时间间隔进行n次同步的时间展宽，然后采用闸门计数器测量经时间展宽后的所述残余时间间隔，其中n为大于等于3的正整数；S4，计算所述循环计数器的计数结果和所述闸门计数器的测量结果并输出所述被测信号的测量数据。

本地时标这里是指由本机产生的时间标准，由本地参考信号10MHz信号倍频至100MHz的信号进行计数得到的。与钟表机理类似，钟表根据周期信号的计数产生秒、分钟、小时的计数，一个事件的发生唯一对应这组计数的一个时刻。

更进一步的，所述测量数据为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、TDEV、MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数。

优选的，所述本地时标为42.949672960秒。

优选的，所述闸门计数器为10ps的闸门计数器。

优选的，所述n次同步的时间展宽是：第一次将所述残余时间间隔展宽放大K倍，同步记录测量的结果A₁，再对所述残余时间间隔减去所述结果A₁*Kⁿ后得到的第二次残余时间间隔部分再展宽K倍，同步记录测量的结果A₂，依次循环，直至n次，记录n次的测量结果A_n，所述残余时间间隔结果为A₁*Kⁿ+A₂*K^n-1+...+A_n-1*K²+A_n*K，其中A₁、A₂、......A_n、K为正整数。

优选的，所述时间展宽器包括电流源I₁、电容C、电容C的充电开关K、稳态二极管D、快速比较器FC电流源I₂，其中，电流源I₁通过充电开关K连接到电容C的正极，电容C的负极接地，电流源I₂连接到电容的正极，稳态二极管负极与电容C的正极、电流源I₂、快速比较器FC的正极相连接，快速比较器FC负极接地。

图4示出了本发明的时间展宽器，其为模拟内插法的时间展宽器，基本工作原理如下：

模拟内插法的时间展宽器的基本原理如下：

在一个稳态的二极管D中，导通电流I2＜＜I1，在被测时间间隔T内，电容C有恒定电流(I2-I1)充电，然后以小得多的电流I2放电，展宽系数定义为：T_r＝TK，总的时间(T+T_r)由一个快速比较器检测，通过一个简单的计数器进行测量，计数器的有效分辨率LSB＝T₀/(K+1)，忽略量化误差和线性误差，当计数值为n时，测量结果为nT₀/(K+1)。

在图4中，脉冲宽度为T的数字脉冲控制电容C的充电开关，在信号上升沿时开关联通，在信号下降沿时开关断开，如此完成T时间宽度内以电流L1对电容C的充电操作，电容C的电压UC以L1线性上升。当充电完成时，放电电路自动导通，放电电流是L2，电容C的电压UC以L2线性下降，直至降到充电前的稳定电压U0，需要的时间为Tr。假设L1＝K*L2，则Tr＝K*T。快速比较器通过检查U0的判断，则产生T+Tr＝(k+1)*T时长的脉宽信号。经过如上物理过程，实现将一个脉宽是T的数字信号，展宽成(K+1)*T脉宽的数字信号。

展宽系数取决于充放电电流的比值＝L1/L2。

这个被展宽(K+1)倍时间的数字信号，被周期为T0的信号进行填充计数，T0是放大后数字脉宽信号的时间分辨率，对应没有放大前的数字脉宽信号的时间分辨率为T0/(K+1)。本发明我们使用的是100MHZ的时钟，周期为10ns；K我们使用的是999；故本发明的时间间隔分辨率＝10ns/(999+1)＝10ps。

本发明将1000倍的展宽系数变成通过三次10倍的同步展宽来完成，举例描述如下：

假如粗计数器残余的脉冲真值是9.813ns，使用一次的1000倍展宽器(K＝999)是将该残余脉宽放大1000倍，脉宽变成了9813ns，使用10ns时钟去计数这个脉宽会得到981的计数结果，对应测量结果是981×10ns/1000＝9.81ns。

假如粗计数器残余的脉冲真值是9.813ns，使用三次的10倍展宽器(K＝9)是将该残余脉宽放大10倍。第一次展宽，脉宽变成了98.13ns，使用10ns时钟去计数这个脉宽会得到9的计数结果，残余脉宽变成了8.13ns；第二次时间展宽，脉宽变成了81.3ns，使用10ns时钟去计数这个脉宽会得到8的计数结果，残余脉宽变成了1.3ns；第三次时间展宽，脉宽变成了13.0ns，使用10ns时钟去计数这个脉宽会得到1的计数结果；对应该脉宽的总体测量结果为(9×100+8×10+1)×10ns/1000＝9.81ns。

图2所示为本发明的多次同步模拟内插的时间间隔测量装置，该装置包括：时间间隔采集器1，用于根据外部输入频标生成本地时标，并采集被测信号的时间间隔；上位机2，通过总线与所述时间间隔采集器相连接，并通过所述总线接收所述被测信号的时间间隔，进行数据处理。

更进一步的，所述时间间隔采集器2包括数字信号处理器21、32位循环计数器22、闸门计数器23、时间展宽器24，所述数字信号处理器21接收所述外部输入频标输入到所述32位循环计数器22生成本地时标，所述32位循环计数器22接收所述被测信号，并对被测信号的时间间隔计数后的残余时间间隔传输到所述时间展宽器24进行时间展宽，所述时间展宽器24将展宽后的所述残余时间间隔传输到所述闸门计数器23，所述32位循环计数器22、闸门计数器23的计数结果通过数据总线传输给所述数字信号处理器21。

例如，外部输入频标10MHZ输入，经过数字信号处理器(DSP)21被10倍频成100MHZ信号，在FPGA中通过逻辑电路搭建出两类计数器。一个是32位循环计数器22，开机加电后，即开始对100MHZ信号进行不间断的周期计数；因此该计时器形成一个计时分辨率为10ns，周期为10ns*2^32＝42,949,672,960ns＝42.949672960秒的本地时标，也称为10ns本地时标计数器。

另一类计数器是闸门计数器23：对于被测信号10ns分辨率内的剩余时间0-10ns，逻辑电路形成了一个0-10ns的闸门。将该闸门输入到时间展宽器24(展宽系数为1000)进行时间展宽后，送入该类计数器进行10ns计数。因此该类计数器就形成了一个专门对被测信号10ns分辨率内的剩余时间0-10ns进行测量的分辨率为10ps的闸门计数器。

当开始测量时，被测信号符合触发条件发生的本地时标时刻，被立刻缩存并记录，并传输给上位机PC进行数据处理。上位机的多功能时间间隔分析软件根据最原始的时刻t，将可以灵活转化出各种用户需要的测量功能：信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、时间偏差TDEV、最大时间间隔误差MTIE，以及各种统计分析参数。

优选的，所述上位机为台式电脑、笔记本电脑等计算设备。

优选的，所述上位机向所述时间间隔采集器下发测量指令进行被测信号的测量。

优选的，所述数据处理的结果为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、时间偏差TDEV、最大时间间隔误差MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数。

如图5所示，所述时间间隔采集器中的所述32位循环计数器、闸门计数器、时间展宽器个数均为4个，所述32位循环计数器为10ns循环计数器、所述闸门计数器为10ps闸门计数器、所述时间展宽器为10ps时间展宽器，时间间隔采集器为高精度时间间隔采集器。

图6示出了运行于上位机上的控制软件的流程图，其是通道计算机串口向计数器发送控制指令来获取数据的采集并通过软件计算后显示输出。通过发送控制指令来完成计数器的通道自检、通道测量指令下发、开始测量、数据输出。

通道自检：向测量通道发送控制指令来进行通道自检、初始化。自检操作将向控制软件返回自检数据。通过返回的数据可获知通道状态是否正常。

通道测量指令下发：根据控制软件中输入的通道测量的信息，向计数器下发通道测量指令。

开始测量：向计数器下发开始测量控制指令。

数据输出：控制软件将接收到的数据控测量通道分类存储，一个通道一个文件，一天存一个文件(有效防止长时间连续测量只存一个文件时，对后期数据分析的耗时)。

本发明的有益效果：

整机达到100ps内测量精度，高精度时间间隔测量误差性能的决定因素取决于粗分辨率剩余时间间隔脉宽进行K倍放大电路(称为时间展宽电路，简称TDC电路)的性能。TDC电路提供时间展宽倍数K的稳定性和准确度直接决定了TIM仪表时间间隔测量的测量误差性能。

1)TDC电路对任何一个固定残余窄脉冲(周期T0内)放大倍数K的稳定性(非准确性)，决定了TIM仪表测量的背景噪声；

2)TDC对周期T0内可变残余窄脉冲放大倍数K的一致性——专业术语称为TDC电路的放大非线性度，决定了TIM仪表测量时间间隔各态历经的准确度，简称准确度。

举例说明如下：

高频填充信号fi＝100MHz，放大倍数K＝1000倍，则粗计数器的分辨率为10ns，精计数器的分辨率为10ps。假设TDC电路对1到9ns窄脉冲实际放大倍数K的稳定性和准确性如下：

1ns，K＝1010±10；2ns，K＝990±10；

3ns，K＝960±10； 4ns，K＝940±10；

5ns，K＝970±10； 6ns，K＝990±10；

7ns，K＝1010±10；8ns，K＝1025±10；

9ns，K＝1040±10

则该TDC电路的测量背景噪声为±10*10ps＝±100ps；该TDC电路的放大非线性度为(1040-940)/1000＝10％，对应的时间间隔测量准确度为10％*10ns＝1.0ns。

本发明整机装置的时间间隔测量的粗计数器为10ns，时间展宽器三级同步放大的总倍数为1000，对应的时间间隔分辨率达到10ns/1000＝10ps分。

本发明整机装置对固定残余窄脉冲(周期T0内)放大1000倍的稳定性测量的背景噪声为100ps；对应(周期TO内)可变残余窄脉冲放大倍数1000的一致性——专业术语称为TDC电路的放大非线性度为1％，测量各态历经的准确度为10ns×1％＝100ps。

最高采样率从100k采样/S达到1M采样/秒，本发明我们使用的是100MHZ的时钟，填充计数的周期T0为10ns；展宽系数K是999，则总体的时间间隔展宽倍数为1000倍。

时间展宽器放大的残余脉宽为0-10ns范围，时间展宽器是通过每次充放电来工作的，每次充放电的最长时间为10ns*K。对于使用一次放大1000倍的时间展宽器，该充放电的最长时间为10ns×1000＝10us；这是该时间展宽器连续采样工作的最小间隔，对应的采样率为1/10us＝100k采样/秒。本发明使用三次放大10倍的时间展宽器，该充放电的最长时间为10ns*10＝100ns，连续进行了三次是300ns，这是本发明时间展宽器连续采样工作的最小间隔，对应的采样率为1/300ns＝3.3M采样/秒；为留有一定的冗余量我们装置定为1M采样/秒。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：使用32位的循环计数器测量时标时刻，形成本地时标，该循环计数器的计时分辨率为10ns；输入被测信号，使用所述循环计数器对所述被测信号进行计数；使用时间展宽器对所述被测信号未被所述循环计数器计数的残余时间间隔进行n次同步的时间展宽，然后采用闸门计数器测量经时间展宽后的所述残余时间间隔，其中n为大于等于3的正整数；计算所述循环计数器的计数结果和所述闸门计数器的测量结果并输出所述被测信号的测量数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n次同步的时间展宽是：第一次将所述残余时间间隔展宽放大K倍，同步记录测量的结果A₁，再对所述残余时间间隔减去所述结果A₁*Kⁿ后得到的第二次残余时间间隔部分再展宽K倍，同步记录测量的结果A₂，依次循环，直至n次，记录n次的测量结果A_n，所述残余时间间隔结果为A₁*Kⁿ+A₂*K^n-1+...+A_n-1*K²+A_n*K，其中A₁、A₂、......A_n、K为正整数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本地时标为42.949672960秒，所述闸门计数器为10ps的闸门计数器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量数据为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、时间偏差TDEV、最大时间间隔误差MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述时间展宽器包括第一电流源(I₁)、电容(C)、电容(C)的充电开关(K)、稳态二极管(D)、快速比较器(FC)、第二电流源(I₂)，其中，第一电流源(I₁)通过充电开关(K)连接到电容(C)的正极，电容(C)的负极接地，第二电流源(I₂)连接到电容的正极，稳态二极管负极与电容(C)的正极、第二电流源(I₂)、快速比较器(FC)的正极相连接，快速比较器(FC)负极接地。

6.一种多次同步模拟内插的时间间隔测量装置，其特征在于，该装置包括：时间间隔采集器，该时间间隔采集器包括数字信号处理器、32位循环计数器、闸门计数器、时间展宽器，所述数字信号处理器接收外部输入频标输入到所述32位循环计数器生成本地时标；所述32位循环计数器接收被测信号，并将对被测信号的时间间隔计数后的残余时间间隔传输到所述时间展宽器进行时间展宽；所述时间展宽器将展宽后的残余时间间隔传输到所述闸门计数器；所述32位循环计数器、闸门计数器的计数结果通过数据总线传输给所述数字信号处理器；

上位机，通过总线与所述时间间隔采集器相连接，并通过所述总线接收所述被测信号的时间间隔，进行数据处理。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上位机为计算机，向所述时间间隔采集器下发测量指令进行被测信号的测量；

所述数据处理的结果为被测信号的周期T、时间间隔误差TIE、频率、阿伦方差、时间偏差TDEV、最大时间间隔误差MTIE中的一种或多种以及各种统计分析参数；

8.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述32位循环计数器为10ns循环计数器、所述闸门计数器为10ps闸门计数器、所述时间展宽器为10ps时间展宽器。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述时间间隔采集器中的所述32位循环计数器、闸门计数器、时间展宽器个数均为4个。

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