CN102832944A - 一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器 - Google Patents

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陈瑞强
江月松
唐华
屈晓声
何云涛
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Abstract

本发明公开了一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器，采用正弦波发生装置、数据采集装置和数据接收与处理装置测量第一触发信号的触发沿与第二触发信号的触发沿的时间间隔，其特征在于正弦波发生装置输出正弦波电压模拟信号；第一触发信号的触发沿或第二触发信号的触发沿到来时，数据采集装置的A/D转换器采集并保持此刻的正弦波电压模拟信号的电压值，然后经反三角函数计算器得到对应的相位角；第一触发信号的触发沿到第二触发信号的触发沿的时间内，数据采集装置的信号波峰波谷计数器记录正弦波电压模拟信号的波峰和波谷信息；数据接收与处理装置接收并处理上述数据，得到时间数字转换结果。本发明可以应用到激光测距和激光三维测量相关领域。

Description

一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器
技术领域
本发明涉及一种时间数字转换器，特别是一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器。
背景技术
为了满足不同应用需求，人们发展了不同的时间数字转换方法，现有的时间数字转换方法主要有：数字计数法、模拟法、插值法和延迟线法。数字计数法原理简单，直接使用基准时钟计数，测量范围很大，但基准时钟频率很难做到很高，测量精度差；模拟法将时间间隔与某些物理变化量（如电压、电荷、频率和相位等）相对应，通过测量物理变化量间接计算出时间间隔，虽然测量精度很高，但测量范围受到限制；插值法结合数字计数法和模拟法的优点，使用模拟法缩小数字计数法中存在的误差，弥补了二者的不足。延迟线法利用信号在介质中延迟特性，可以获得较高精度的时间数字转换结果。
发明内容
为了解决传统模拟法中存在的诸多缺点，本发明借鉴插值法思想，提供了一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器，利用正弦波电压模拟信号的特性，先将被测时间间隔转换为正弦波电压模拟信号的电压信息，然后根据正弦波电压模拟信号的电压信息计算出正弦波电压模拟信号的相位信息，然后处理获取的相位数据，最终得到时间数字转换的结果。
本发明提供的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器，采用如下技术方案：
一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器，采用正弦波发生装置、数据采集装置和数据接收与处理装置测量第一触发信号的触发沿与第二触发信号的触发沿的时间间隔，其特征在于所述正弦波发生装置包括正弦波发生器及其控制电路；所述数据采集装置包括A/D转换器、反三角函数计算器和信号波峰波谷计数器；所述数据接收与处理装置包括数据转换装置与数据计算装置；所述正弦波发生器在控制电路的控制下输出正弦波电压模拟信号；所述数据采集装置采集所述正弦波发生器输出的正弦波电压模拟信号；所述第一触发信号的触发沿或所述第二触发信号的触发沿到来时，所述A/D转换器获取并保持此刻的正弦波电压模拟信号的电压值，经反三角函数计算器得到对应的相位角；所述第一触发信号的触发沿到所述第二触发信号的触发沿的时间间隔内，所述信号波峰波谷计数器记录正弦波电压模拟信号的波峰和波谷信息；所述数据接收与处理装置接收并处理所述数据采集装置获取的数据；所述数据转换装置把所述数据采集装置采集的数据经格式转换后传给所述数据计算装置，计算得到第一触发信号触发沿与第二触发信号触发沿的时间间隔。
其中，所述正弦波发生器输出正弦波电压模拟信号，要求输出信号的频率稳定性高，谐波失真小。
其中，所述正弦波发生器控制电路控制正弦波发生器的工作状态，调节所输出的正弦波电压模拟信号的频率和峰峰电压值。
其中，所述A/D转换器有两个，模数转换精度满足时间数字转换精度的要求，模数转换速度满足时间数字转换速度的要求，且具备外触发控制功能，通过第一触发信号或第二触发信号控制A/D转换器的工作状态。
其中，所述反三角函数计算器有两个，使用查表法或CORDIC法，将A/D转换器获取的正弦波电压模拟信号的电压值转换为对应的相位角。
其中，所述信号波峰波谷计数器记录信号波峰数和波谷数并区分记录的第一个计数的类型（无计数或波峰或波谷），且具备计数控制功能，通过第一触发信号和第二触发信号控制信号波峰波谷计数器的工作状态。
本发明的主要特色：具有时间数字转换精度高和时间间隔的测量范围大的优点。
本发明的效益与应用前景：本发明在模拟法的基础上，充分利用正弦波电压模拟信号的特性，实现了高精度和宽时间间隔测量范围的时间数字转换器。本发明可以应用到激光测距和激光三维测量相关领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器的结构框图
图2为本发明的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器的信号时序图
具体实施方式
图1显示了本发明的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器的结构框图，在发明实施方案中，包括正弦波发生装置1、数据采集装置2和数据接收与处理装置3。正弦波发生器12在控制电路11的控制下，输出正弦波电压模拟信号SGN-0，作为A/D转换器21和A/D转换器22以及信号波峰波谷计数器23的数据输入信号。第一触发信号SGN-1与A/D转换器21的外触发控制端及信号波峰波谷计数器23的计数控制端相连；当第一触发信号SGN-1的触发沿到来时，信号波峰波谷计数器23清零后开始计数，A/D转换器21采集并保持该时刻正弦波波电压模拟信号SNG-0的电压值，经反三角函数计算器24得到对应的相位角。第二触发信号SGN-2与A/D转换器22的外触发控制端及信号波峰波谷计数器23的计数控制端相连；当第二触发信号SGN-2的触发沿到来时，信号波峰波谷计数器23停止计数，A/D转换器22采集并保持该时刻正弦波电压模拟信号SNG-0的电压值，经反三角函数计算器25得到对应的相位角。数据转换装置31将数据采集装置2输出的数据经格式转换后传输给数据计算装置32，计算出第一触发信号SGN-1的触发沿到第二触发信号SGN-2的触发沿的时间间隔。
图2显示了一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器的信号时序图，设正弦波电压模拟信号SGN-0的周期为T，峰值为Vpp。t1时刻，第一触发信号SGN-1的触发沿到来，A/D转换器21开始工作，采集并保持正弦波电压模拟信号SGN-0的电压值，记为V1；t2时刻，第二触发信号SGN-2的触发沿到来，A/D转换器22开始工作，采集并保持正弦波电压模拟信号SGN-0的电压值，记为V2。t1时刻到t2时刻，信号波峰波谷计数器23记录的正弦波电压模拟信号SGN-0的波峰数为np1，波谷数为np2；使用type表示信号波峰波谷计数器在t1时刻到t2时刻，第一个计数的类型：如果没有计数，则type=0；如果第一个计数为波峰，则type=1;如果第一个计数为波谷，则type=2。使用查表法或CORDIC法，根据获取的正弦波电压模拟信号的电压值V1和V2，计算出对应的相位角θ1和θ2。
综上所述，可以计算得到t1时刻到t2时刻的时间间隔tm：
t m = T | θ 1 - θ 2 | 2 π type = 0 , n p 1 = n p 2 = 0 T ( π + θ 2 - θ 1 ) 2 π + ( n - 1 2 ) T type = 1 , n p 1 = n p 2 = n , n = 1,2,3 , . . . T ( π + θ 1 - θ 2 ) 2 π + ( n - 1 2 ) T type = 2 , n p 1 = n p 2 = n , n = 1,2,3 , . . . T ( π - θ 1 - θ 2 ) 2 π + ( n - 1 ) T type = 1 , n p 1 = n , n p 2 = n - 1 , n = 1,2,3 , . . . T ( π + θ 1 + θ 2 ) 2 π + ( n - 1 ) T type = 2 , n p 1 = n - 1 , n p 2 = n , n = 1,2,3 , . . .
以上所述为本发明的实施例，依据本发明公开的内容，所做的均等变化与修饰，均应落于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器，采用正弦波发生装置、数据采集装置和数据接收与处理装置测量第一触发信号的触发沿与第二触发信号的触发沿的时间间隔，其特征在于所述正弦波发生装置包括正弦波发生器及其控制电路；所述数据采集装置包括A/D转换器、反三角函数计算器和信号波峰波谷计数器；所述数据接收与处理装置包括数据转换装置与数据计算装置；所述正弦波发生器在控制电路的控制下输出正弦波电压模拟信号；所述数据采集装置采集所述正弦波发生器输出的正弦波电压模拟信号；所述第一触发信号的触发沿或所述第二触发信号的触发沿到来时，所述A/D转换器获取并保持此刻的正弦波电压模拟信号的电压值，经反三角函数计算器得到对应的相位角；所述第一触发信号的触发沿到所述第二触发信号的触发沿的时间间隔内，所述信号波峰波谷计数器记录正弦波电压模拟信号的波峰和波谷信息；所述数据接收与处理装置接收并处理所述数据采集装置获取的数据；所述数据转换装置把所述数据采集装置采集的数据经格式转换后传给所述数据计算装置，计算得到第一触发信号触发沿与第二触发信号触发沿的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器,其特征在于所述正弦波发生器输出正弦波电压模拟信号，要求输出信号的频率稳定性高，谐波失真小。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器,其特征在于所述正弦波发生器控制电路控制正弦波发生器的工作状态，调节所输出的正弦波电压模拟信号的频率和峰峰电压值。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器,其特征在于所述A/D转换器有两个，模数转换精度满足时间数字转换精度的要求，模数转换速度满足时间数字转换速度的要求，且具备外触发控制功能，通过第一触发信号或第二触发信号控制A/D转换器的工作状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器,其特征在于所述反三角函数计算器有两个，使用查表法或CORDIC法，将A/D转换器获取的正弦波电压模拟信号的电压值转换为对应的相位角。
6.根据权利要求1所述的一种基于时间-相位变换法的时间数字转换器,其特征在于所述信号波峰波谷计数器记录信号波峰数和波谷数并区分记录的第一个计数的类型（无计数或波峰或波谷），且具备计数控制功能，通过第一触发信号和第二触发信号控制信号波峰波谷计数器的工作状态。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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