CN103034117A

CN103034117A - 高精度时间测量器

Info

Publication number: CN103034117A
Application number: CN2012105882536A
Authority: CN
Inventors: 邵礼斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103034117B

Abstract

一种高精度时间测量器，它由时钟产生电路，脉冲发生电路，输入比较器，时间数字转换器和算术逻辑单元组成。核心原理是将时间转换成数字脉冲，对脉冲间的时间差精确测量。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，输入比较器检测由STOP通道返回的脉冲，脉冲飞行一段时间后由STOP通道输入，输入比较器检测输入脉冲并转换成数字信号送到时间数字转换器，时间数字转换器精确计算START和STOP间的时间差。

Description

高精度时间测量器

技术领域

本发明中属于精密测量领域，具体涉及一种以集成电路方式制作的时间测量器，可用在各种需要对时间间隔进行精确测量的系统中。

背景技术

时间间隔的测量技术，尤其是高精度的时间间隔的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计，数字示波器，超声波热量表和水表等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事技术领域都离不开高精度的时间间隔测量技术。

时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高，对时间测量的精度要求已达到皮秒数量级，精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。同时时间间隔测量技术的实现方式也与其应用环境有很大关系。在很多小型化测量仪表应用中，需要将测量系统做得尽量小，方便携带和安装。在电池供电的测量仪表中，对测量方案的低功耗要求又很高。在小型化和低功耗这两方面，基于集成电路技术的时间间隔测量技术具有非常明显的优势。

现有的基于集成电路的时间间隔测量技术主要是基于反相器延时来实现的。其利用一个反相器的门延时作为最小测量时间间隔，这主要得益于集成电路工艺的进步，使得一个反相器的门延时可以达到100皮秒这个量级。这可以满足很多精密测量的需求，但是在某些应用场合，如超声波热量表尤其是超声波水表应用中，这个精度还不足够。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高精度时间测量器，本时间测量器不仅测量精度高，而且功耗低。

本发明提出的高精度时间测量器，由时钟产生电路，脉冲发生电路，输入比较器，时间数字转换器组成。核心原理是将时间转换成数字脉冲，对脉冲间的时间差精确测量。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，输入比较器检测由STOP通道返回的脉冲，脉冲飞行一段时间后由STOP通道输入，输入比较器检测输入脉冲并转换成数字信号送到时间数字转换器，精确计算START和STOP间的时间差。

本发明中的时间数字转换器由两个积分器，一个比较器和一个计数器组成，测量时分粗计数和精计数两个过程。粗计数过程记录从START到STOP出现的参考时钟周期数。精计数过程中，STOP信号触发小时间常数的积分器工作，到下一个参考时钟沿结束。然后在参考时钟控制下，大时间常数的积分器开始工作，同时精计数开始，比较器一直比较两个积分器的输出，当比较器输出翻转时，得到精计数值。粗计数和精计数值输出给算术逻辑单元得到最终结果。由于两个积分器的时间常数之比大于等于N倍，N大于等于1000，得测量精度可以达到基准时钟周期的N分之一，大大提高测量精度。

本发明中的输入比较器具有失调电压自动调零和信号识别功能。比较器中有一个自动调零回路，能将主比较器的失调信息储存起来，从而达到消除失调电压的功能。通过失调电压自动调零技术，比较器可以准确判断输入信号的过零点，得到准确的时间差。输入比较器中有两个相同的比较器，其中一个比较器可在调零之后配置失调电压，这样可以保证输入信号到达一定强度后比较器再进行判断，同时避免干扰信号造成输入比较器误判断，确保得到准确的时间差。

本发明中的时间测量器通过不同时间常数的积分器将测量时间间隔放大数千倍，然后用参考时钟进行计数，测量精度为参考时钟周期的数千分之一，达到10皮秒的量级，完全可以满足超声波热量表和水表的需求。而且整个测量电路都可以集成电路上实现，测量方案小，可以满足各种小型化低功耗测量系统的需求。

附图说明

图1是时间测量器的一种实施例的结构示意图。

图2是时间测量器的工作流程示意图。

图3是时间数字转换器的具体结构示意图。

图4是时间数字转换器的工作时序示意图。

图5是时间数字转换器精计数时序示意图。

图6是输入比较器的结构示意图。

具体实施方式

图1显示时间测量器900的框图，包括一个时间数字转换器100，一个输入比较器200，一个脉冲发生器300，一个时钟产生电路400，一个算术逻辑单元500和一个接口电路600。测量开始时，时间数字转换器100发出START信号，控制脉冲发生器300发射脉冲，脉冲可由UP或DOWN通道发出，输入比较器200输入端可选择STOP1或者STOP2通道，输入信号通过交流耦合输入，输入比较器200输入端直流电压为参考电压，当有信号输入时，输入比较器200输出STOP信号。时间数字转换器100将根据START和STOP信号分别进行粗计数和精计数，其中计数器的参考时钟由时钟产生电路400提供。计数结果都输出给算术逻辑单元500并精确计算START和STOP间的时间差。

图2是时间测量器的工作流程图。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，脉冲经过一段飞行时间后，输入比较器检测到输入脉冲并送出STOP信号给时间数字转换器，时间数字转换器根据START和STOP信号分别进行粗计数和精计数，算术逻辑单元根据计数结果计算出精确的时间差。

图3是时间数字转换器100的框图，包括一个小时间常数积分器101，一个大时间常数积分器102，一个比较器103，一个计数器104和控制电路105。大时间常数积分器102的时间常数是小时间常数积分器101的几千倍。测量开始时，控制电路105发出复位信号，复位小时间常数积分器101和大时间常数积分器102，然后再发出START信号，同时计数器104开始粗计数过程。在收到输入比较器200发出的STOP信号的时候，小时间常数积分器101开始工作，比较器103正端输入电压开始下降，同时粗计数过程结束。待小时间常数积分器101工作结束之后，比较器103正端输入电压保持，控制电路105再控制大时间常数积分器102开始工作，比较器103负端输入电压开始下降，同时计数器104开始精计数过程。当比较器103负端输入电压下降到等于正端输入电压时，输出电压由高变成低，精计数过程结束。粗计数和精计数结果都将输出给后面的算术逻辑单元500。

图4是时间数字转换器100的工作时序图，整个计数过程分为粗计数和精计数两个部分，由于START与参考时钟进行了同步，因此粗计数的时间为START开始到STOP出现后参考时钟的第一个上升沿之间的时间间隔，这个时间为参考时钟周期的整数倍。精计数为STOP到第一个参考时钟上升沿之间的时间间隔，所测时间间隔最大为一个参考时钟周期。在粗计数和精计数之后，会再进行一个计数校正过程。这个过程对一个参考时钟周期进行精计数，算术逻辑单元500将以这个计数结果对之前的精计数结果进行修正。

图5是时间数字转换器100精计数时序图，精计数决定时间数字转换的精度，本发明采用将精计数时间间隔放大的方法实现高精度。STOP信号由低变高时，触发小时间常数积分器101开始工作，到下一个参考时钟上升沿结束，比较器103的正端输入电压由V0下降到V1。同时参考时钟的上升沿又将触发大时间常数积分器102开始工作，比较器103负端电压由V0开始缓慢下降，经过n个参考时钟周期后下降到V1。这样就将精计数的这段时间间隔在时间轴上放大到了n个参考时钟周期，再用参考时钟进行计数，计算放大之后的时间。放大倍数就是大时间常数积分器102和小时间常数积分器101时间常数的比值，因此很容易反推得到放大前精计数的时间间隔。只要放大倍数足够大，就能保证精计数的精度。由于放大倍数可能随着环境变化，每次在精计数结束后，会在进行一个周期的精计数校正，以得到实时的放大倍数，所有计数结果都将输出给算术逻辑单元500，进行校正及结果计算，得到总时间。

图6是输入比较器的大致框图，所述输入比较器200包括第一比较器201、第二比较器202和输入选择开关203，输入选择开关203用于STOP1T通道和STOP2通道的选择。第一比较器201和第二比较器202具有相同的电路结构，并都内置有自动调零回路（自动调零回路是现有技术，本文中不再赘述），所述自动调零回路用于第一比较器201和第二比较器202的失调信息动态临时储存起来（所谓临时储存是只临时保留最后一次的失调信息，供使用），从而达到消除失调电压的功能。通过失调电压自动调零技术，第一比较器201和第二比较器202可以准确判断输入信号的过零点，得到准确的时间差。第二比较器202可在调零之后配置失调电压，工作时，在第二比较器的输出电压OUT2翻转后，时间数字转换器100才采用第一比较器201的输出电压OUT1，这样可以保证输入信号到达一定强度后第一比较器201再进行判断，同时避免干扰信号造成输入比较器200误判断，确保得到准确的时间差。

Claims

1.一种高精度时间测量器，其特征在于：包括时间数字转换器（100），输入比较器（200），脉冲发生器（300），时钟产生电路（400），算术逻辑单元（500）；测量开始时，时间数字转换器（100）发出START信号，控制脉冲发生器（300）发射脉冲，脉冲由UP或DOWN通道发出，输入比较器（200）的STOP1或者STOP2通道，输入信号通过交流耦合输入，输入比较器（200）和参考电压为直流电压，当有START信号输入时，输入比较器200立刻输出STOP信号；时间数字转换器100根据START和STOP信号分别进行粗计数和/或精计数，其中计数器的参考时钟由时钟产生电路400提供；将计数结果都输出给算术逻辑单元500，由算术逻辑单元500精确计算START和STOP间的时间差。

2.根据权利要求1所述的时间测量器，其特征在于，所述的时间数字转换器（100）包括小时间常数积分器（101），大时间常数积分器（102），比较器（103），计数器（104）和控制电路（105）；所述大时间常数积分器（102）的时间常数是小时间常数积分器（101）的N倍，其中N大于等于1000；测量开始时，控制电路（105）发出复位信号，将小时间常数积分器（101）和大时间常数积分器（102）复位，然后，再发出START信号，同时计数器（104）开始粗计数过程；在收到输入比较器（200）发出的STOP信号的时候，小时间常数积分器（101）开始工作，比较器（103）正端输入电压开始下降，此时粗计数过程结束；待小时间常数积分器（101）工作结束之后，比较器（103）正端输入电压保持，控制电路（105）再控制大时间常数积分器（102）开始工作，比较器（103）负端输入电压开始下降，同时计数器（104）开始精计数过程；当比较器（103）负端输入电压下降到等于正端输入电压时，输出电压由高变成低，精计数过程结束。

3.根据权利要求2所述的时间数字转换器，其特征在于：所述的小时间常数积分器（101）和大时间常数积分器（102）的时间常数相差N倍，N大于等于1000。

4.根据权利要求1所述的时间测量器，其特征在于，所述的输入比较器（200）包括具有电路结构相同的第一比较器（201）和第二比较器（202），以及输入选择开关（203），其中，所述输入选择开关（203）用于STOP1T通道和STOP2通道的选择；所述第一比较器（201）和第二比较器（202）分别内置有一个自动调零回路，所述自动调零回路用于将第一比较器（201）和第二比较器（202）的失调信息动态储存起来，从而达到消除失调电压的功能；通过失调电压自动调零，所述第一比较器（201）和第二比较器（202）可以准确判断输入信号的过零点，得到准确的时间差；所述第二比较器（202）是在调零之后再配置失调电压，工作时，在第二比较器（202）的输出电压翻转后，时间数字转换器100才采用第一比较器（201）的输出电压，保证输入信号到达一定强度后第一比较器（201）再进行判断，避免干扰信号造成输入比较器（200）误判断，确保得到准确的时间差。