CN102928677A - 一种纳米级脉冲信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米级脉冲信号采集方法。该方法针对纳米级脉冲信号使用了一种新型的采集方法，通过内部基准计时时钟与采样时钟的配合，对一个采样周期内待测脉冲的开始和末尾进行了分段分组测量，将待测脉冲分为开始，中间和末尾三段，以较高的精度得到起始脉冲宽度和末尾脉冲宽度。能够准确的测量出采样时钟的前端和后端的脉冲数t1,t2,t4,t5。使用高频率高精度的芯片内部时钟去做基准时钟，使用单芯片集成的方法保证了硬件的小型化设计和采集的实时性。这样的方法能够弥补传统采集方法无法采集前后端的缺点，具有较高的精度和实时性。

Description

一种纳米级脉冲信号采集方法

技术领域

本发明涉及有高精度要求的脉冲信号采集的方法，特别是一种新型纳米级脉冲信号采集方法。

背景技术

脉冲信号是一种广泛使用的信号，可以应用与很多个领域，比如在国内捷联式惯性导航系统中广泛使用的惯性器件是机电式惯性传感器，这些传感器一般配用模拟再平衡回路，回路输出模拟信号，再经过量化得到脉冲信号，所以在捷联式惯性导航系统中经常需要对脉冲信号进行采集；同时在高精度测量要求的环境下使用的光栅尺的输出信号也为脉冲信号，需要对脉冲信号进行采集，而这种信号往往频率高，脉宽能到纳米级，所要求的采集环境和采集方法也比较高。

目前，国内关于采集脉冲信号的方法一般集中在两种方法。其一，传统脉冲数据采集方法是通过信号的上升沿触发计数器进行计数，脉冲数为整数，此种方法的最大测量误差为一个脉冲，时钟频率越高，测量误差越小。但是频率越高对芯片的性能要求也越高，例如要求1ns的测量误差时，时钟频率就需要提高到1GHz，此时一般计数器芯片很难正常工作， 同时也会带来电路板的布线、材料选择、加工等诸多问题。其二，更为先进一点的脉冲采集方法是在采集的过程中设置两组门阀脉冲信号，这两组门阀信号的脉宽相同但是有90度的时延，两组门阀信号分别锁存住前半周和后半周的待测脉冲信号计数值，再通过两个半周的脉冲数相加可以得到一个时间段内的脉冲数，此种采集方法与传统方法相比提高了一倍，而且具有一定的抗干扰性，但是这种方法在面对高频率的脉冲信号的时候数据处理量太大，无法实现。因此为了满足高精度采集要求，需要采用内部高精度时间基准计脉冲宽度的计数方法。

发明内容

在绝大多数采集情况中，在一个采样脉冲开始时刻和该时刻后的待测脉冲第一个上升沿之间有一段差距，而这个差距的值大于0而小于一个待测脉冲周期（在采样脉冲结束时刻同样有一个类似的差距），传统的采集方法无法测出这两个差距的值而只能将此差距做为误差忽略，而本方法致力于测量并计算出差距值进而达到减少误差提高精度的目的。

为了满足高精度纳米级脉冲信号的要求，进一步提高采集精度，通过系统内部精准时钟对脉冲宽度进行测量，其原理及具体实现方法如下：

步骤一，采样待测脉冲的时序，使用可编程逻辑器件来做定时采样，每个采样时钟在内部生成2K采样时钟信号，以采样时钟的频率发送中断对脉冲细分时间进行计算，得出整数脉冲个数和小数脉冲数。

首先将采样周期的整个时间分为三段，开始段，结束段和中间段：

在开始段：开始的标志是采样脉冲开始时刻的前一个待测脉冲上升沿，结束的标志是下一个待测脉冲上升沿。

在结束段：开始的标志是采样脉冲结束时刻前一个待测脉冲上升沿，结束的标志是下一个待测脉冲上升沿。

开始段和结束段的长度均为一个待测脉冲周期。

在中间段：开始的标志是采样脉冲开始段之后的第一个待测脉冲上升沿，结束的标志是采样周期结束段之前的倒数第一个待测脉冲上升沿。

开始段的时间+中间段的时间+结束段的时间=整个采样周期。

我们要测的是在一个采样周期内有多少个待测脉冲周期，这个值可能是整数也可能是小数，小数的精度由计时时钟频率决定。

步骤二，对这三个段的时间分别测量，在测量前需要引入第三个脉冲称之为基准脉冲，所述的基准脉冲频率在150MHz以上，波形稳定，并且与待测脉冲、采样脉冲同步开启，使其三者保持同步的时序：

开始段时间测量：将开始段分为两组，这两组的分界线是采样脉冲的上升沿。开始段开始时刻至分界线的这一组的时间长度由基准脉冲测量，在这段时间内每遇到一个基准脉冲的上升沿就将可编程逻辑器件内部定义的regt1计数器的值加1（计数器初始值为0），由此可得到这一组包含了t1个基准脉冲周期值，同理可以得到第二组从分界线到开始段结束之间包含的t2个基准脉冲周期值。

中间段时间测量：中间段的测量采用传统的测量方法，在中间段的时间区域内，每碰到一个待测脉冲的上升沿就将计数寄存器的值加1，由此可得到这个中间段所包含的N0个待测脉冲周期值。

结束段时间测量：将结束段分为两组，这两组的分界线是采样脉冲的下一个上升沿。这两组的时间长度与开始段时间测量方法一样，最后得到结束段第一组值t4和结束段第二组值t5。

显然t1+t2的值是一个待测脉冲周期，将它定义为t3，t4+t5的值也是一个待测脉冲周期，将它定义为t6；t3和t6不尽相同，因为它们各有误差，误差大小为两个基准脉冲周期。

步骤三，根据公式计算：

N = N0 + t2/t3 + t4/t6

其中，N表示在一个采样周期内包含的待测脉冲个数。

N0表示在中间段包含的待测脉冲个数

t2/t3表示在开始段包含的待测脉冲个数，其值是一个小数，代表的是采样脉冲开始时刻和该时刻后的待测脉冲第一个上升沿之间有一段差距的值。

t4/t6表示在结束段包含的待测脉冲个数，其值是一个小数，代表的是采样脉冲结束时刻和该时刻后的待测脉冲第一个上升沿之间有一段差距的值。

计算得到采样周期内的脉冲数，同时在可编程逻辑器件内部生成通信接口IP核，可以把这些数据传输到上位机。根据其实现原理将这种脉冲采集命名为“脉冲细分数据采集”。

其中，所述的采集待测脉冲的时序的硬件使用差分转换芯片来接收光栅尺和惯组的信号，保证最大程度的保证完整的光栅尺脉冲信号和惯组脉冲信号输入。

本方法的特征在于：

（1）对一个采样周期内待测脉冲的开始和末尾进行了分段分组测量，将待测脉冲分为开始，中间和末尾三段，以较高的精度得到起始脉冲宽度和末尾脉冲宽度。

（2）使用高频率高精度的芯片内部时钟去做基准时钟，保证了多组脉冲测量时的同步性和单组脉冲测量的可靠性。

（3）使用单芯片集成的方法（一片可编程逻辑器件）保证了硬件的小型化设计和采集的实时性。

（4）比传统的时钟测量和脉宽门阀测量方法的精度高出1个量级，尤其是在面对纳米级的脉冲信号采集时。

附图说明

图1为采样时序图，

图2为脉冲细分图，

图3为传统脉冲采集图。

具体实施方式

在某测试设备当中需要采集惯组的脉冲信号和光栅尺的脉冲信号，由于要求很高的采集精度，特采用了此种采集方法。

在采集系统的硬件设施方面使用了具有最大输入频率到52MHz的差分转换芯片来接收光栅尺和惯组的信号，保证其能够最大程度的保证完整的光栅尺脉冲信号和惯组脉冲信号输入，将通过了差分转换芯片的脉冲信号作为被测脉冲接入FPGA当中，在FPGA内部产生高精度的192MHz计时时钟和2K采样时钟，在FPGA内部生成寄存器分别记录t1,t2,t4,t5时段的基准计时时钟数，寄存器的值在FPGA内部以2K的频率不断的读取和计算，最终通过通信IP核输出精确的脉冲计数。

在软件设计方面，同样还是以2K时钟去进行数据采样，在0.5ms周期内脉冲计数与以前方式一致，但是在2K时钟的上升沿处要对被测脉冲进行细分处理，通过内部较高频率时钟去对被测脉冲在上升沿处的脉冲间隔进行计时，如图2所示，用计时脉冲得到t1～t6等几个时间值，最终如图所示采样周期内的脉冲数为：

$N=N_0+\frac{t2}{t3}+\frac{t4}{t6}$

根据目前测试设备设计的参数，测试设备运行速度最快时光栅尺脉冲输出最大频率为12M，而采集板内部的时钟能达到192M，光栅尺、惯组脉冲采用此种方式采样的量化误差可以提高至少十几倍，惯组脉冲提高精度就更多了。

此种采样在提高采集精度的同时，通过采样时钟使光栅尺和惯组脉冲更准确同步，计算精度相对又有提高。

传统的采集方法如图3所示，在可编程逻辑器件里面生成计数器，当2K采样时钟上升沿来的时候触发计数器使能，当每个被测脉冲上升沿过来则计数器加一，在2K采样时钟第二个上升沿的时候锁存计数器的值，这个时候读取计数器里面的值就是在一个完整的2K周期里面的脉冲个数N0。

通过将脉冲细分方法与传统采集方法进行比较，有如下不同：

1．传统采集方法只能计量整数的脉冲个数，在采样时钟首尾两端不完整脉冲段的值被忽略，所以其采集方法最大误差数为2个被测脉冲周期。

2.脉冲细分方法能够测量首尾两端不完整脉冲段的值，这个值的误差与基准时钟频率有关，就本实用例来说其误差为2个基准脉冲周期，但是基准脉冲周期明显比被测脉冲周期要低得多，因此精度要高（基准脉冲频率/被测脉冲频率）倍。

综合以上，该采集方法有以下明显优势：采集精度提高十几倍，采集同步性更好、计算精度越高。

Claims (3)

1.一种纳米级脉冲信号采集方法，通过系统内部精准时钟对脉冲宽度进行测量，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，采样待测脉冲的时序，使用可编程逻辑器件来做定时采样，每个采样时钟在内部生成2K采样时钟信号，以采样时钟的频率发送中断对脉冲细分时间进行计算，得出整数脉冲个数和小数脉冲数；

首先将采样周期的整个时间分为三段，开始段，结束段和中间段：

在开始段：开始的标志是采样脉冲开始时刻的前一个待测脉冲上升沿，结束的标志是下一个待测脉冲上升沿；

在结束段：开始的标志是采样脉冲结束时刻前一个待测脉冲上升沿，结束的标志是下一个待测脉冲上升沿；

在中间段：开始的标志是采样脉冲开始段之后的第一个待测脉冲上升沿，结束的标志是采样周期结束段之前的倒数第一个待测脉冲上升沿；

开始段的时间+中间段的时间+结束段的时间=整个采样周期；

我们要测的是在一个采样周期内有多少个待测脉冲周期，这个值可能是整数也可能是小数，小数的精度由计时时钟频率决定；

步骤二，对三个段的时间分别测量，在测量前引入第三个脉冲称之为基准脉冲， 

开始段时间测量：将开始段分为两组，这两组的分界线是采样脉冲的上升沿，开始段开始时刻至分界线的这一组的时间长度由基准脉冲测量，在这段时间内每遇到一个基准脉冲的上升沿就将可编程逻辑器件内部定义的regt1计数器的值加1，计数器初始值为0，由此可得到这一组包含了t1个基准脉冲周期值，同理可以得到第二组从分界线到开始段结束之间包含的t2个基准脉冲周期值；

中间段时间测量：中间段的测量采用的测量方法为，在中间段的时间区域内，每碰到一个待测脉冲的上升沿就将计数寄存器的值加1，由此可得到这个中间段所包含的N0个待测脉冲周期值；

结束段时间测量：将结束段分为两组，这两组的分界线是采样脉冲的下一个上升沿，这两组的时间长度与开始段时间测量方法一样，最后得到结束段第一组值t4和结束段第二组值t5；

将t1+t2的值定义为t3，将t4+t5的值定义为t6； 

步骤三，根据公式计算：

N = N0 + t2/t3 + t4/t6

其中，N表示在一个采样周期内包含的待测脉冲个数，

N0表示在中间段包含的待测脉冲个数，

t2/t3表示在开始段包含的待测脉冲个数，其值是一个小数，代表的是采样脉冲开始时刻和该时刻后的待测脉冲第一个上升沿之间有一段差距的值，

t4/t6表示在结束段包含的待测脉冲个数，其值是一个小数，代表的是采样脉冲结束时刻和该时刻后的待测脉冲第一个上升沿之间有一段差距的值，

计算得到采样周期内的脉冲数，同时在可编程逻辑器件内部生成通信接口IP核，把这些数据传输到上位机。

2.根据权利要求1所述的一种纳米级脉冲信号采集方法，其特征在于，所述基准脉冲频率在150MHz以上，波形稳定，并且与待测脉冲、采样脉冲同步开启。

3.根据权利要求1所述的一种纳米级脉冲信号采集方法，其特征在于，所述的采集待测脉冲的时序的硬件使用差分转换芯片来接收光栅尺和惯组的信号，保证最大程度的保证完整的光栅尺脉冲信号和惯组脉冲信号输入。

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