CN105278324B - 一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路 - Google Patents
一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,在时间‑幅度转换原理基础上,采用放电恒流源和充电恒流源组成的双恒流源结构,通过充电恒流源对充放电电容进行充电,使其回到初始电压。在本发明中,充电恒流源具有两种工作状态,可以在开关控制信号的控制下,改变充电电流大小,即可以根据测量过程需要,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流,在初始准备测量阶为充放电电容提供一个稳定的初始电压,在测量完成后,选择产生大电流充电,实现充放电电容上电压的快速恢复,从而提高时间间隔的测量速度。
Description
技术领域
本发明属于时间间隔测量技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路。
背景技术
在随机取样示波器中,处理器将多次触发采集的波形按照触发点的位置进行重新排序,实现对被测波形的重构。波形重构的依据是每次触发时刻与触发之后下一个数据同步时钟上升沿之间的时间间隔△T,将触发信号和数据同步时钟送往时间间隔测量电路,触发信号和来自ADC的数据同步时钟进行异或产生携带了时间间隔信息△T的窄脉冲,这个时间间隔进入后级的时间-幅度转换(Time-to-amplitude Converter,TAC)电路即时间间隔测量电路,将时间信息转换为电压幅度信息,再被高分辨率ADC采集量化,得到时间间隔数值,并经过处理器计算后确定触发点的位置,实现波形重构。
时间间隔测量的分辨率直接决定了取样示波器的等效采样率,而测量速度则决定了波形重构的时间。所以,这里需要时间间隔测量装置具有很高的时间测量精度,并且同时具备较快的测量速度。
图1是现有高分辨率的时间间隔测量电路的一种电路原理图。
现有高分辨率的时间间隔测量装置是基于恒流源对米勒积分器进行充电的原理,将时间间隔信息(△T脉冲宽度)转换为幅度信息间接进行测量。
如图1所示,受控恒流源电流为IC,当输入△T正脉冲到来时,三极管Q2关闭,三极管Q1开启,恒流源对运算放大器U2和电容C形成的积分电路进行快速充电,电容C两端电压迅速发生变化,在运算放大器U2的输出端产生与充电时间(即脉冲宽度△T)成正比的电压信号△UC,经运算放大器U3进行增益和偏置(Offset)上的调节,最后输入到16bit的高分辨率ADC中,量化得到的电压数值N△T与脉冲宽度△T成正比关系。
TAC电路的工作过程如图2所示,电容电压变化量与脉冲宽度成正比例线性关系。由于米勒积分器电路中电阻R3与电容C形成放电回路,为了保持电容C上电压,电阻R3应取值应较大,约为兆欧姆(106Ω)量级,使得RC回路放电时间较长。当输入脉冲(脉冲宽度△T)结束时候,快速开启采样脉冲,对电压波形进行采样,然后RC回路放电回复到初始电压。需要说明的是,这里RC回路放电时间系数较大,电容C稳定恢复到初始电压状态大概需要毫秒量级的时间,是制约测量速度的主要因素。
基于米勒积分器原理的TAC时间间隔装置基本过程是在△T窄脉冲信号作用下对电容快速充电,然后通过RC电路缓慢放电,恢复到初始状态。虽然可以得到较高的时间精度,但其缺点是进行一次测量后,需要等待较长时间,以确保RC电路放电完成。在图1中,假设放电电阻R3=10M欧姆,电容C=100pF,则RC电路时间常数τ满足如下关系:
τ=RC=10×106Ω×100×10-12F=10-3s (1)
显然,电路时间常数与电容两端电压无关,不论电容两端电压大小,要恢复到稳定状态的时间是一样的。对于RC电路真正达到稳定状态,往往需要的时间约5τ,即需要约5ms,这难以满足随机等效采样的波形重构效率要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,实现在保证测量精度的前提下,大大缩短了时间间隔测量时间,以提高随机等效采样波形重构效率。
为实现上述发明目的,本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,包括一充放电电容,其一端接地,另一端为充放电端,其特征在于,还包括:
一由放电恒流源和充电恒流源组成的双恒流源,其中:
放电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接,在时间间隔为△T的窄脉冲到来时,对充放电电容进行快速放电,使测量电路从初始准备测量阶段进入放电阶段,在时间间隔为△T的窄脉冲结束时,结束对充放电电容进行的快速放电,同时使测量装置进入ADC采样阶段,对充放电电容的电压值进行采样,从而获取与电压下降幅度成正比的时间间隔△T;
充电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接,其具有两种工作状态;在开关控制信号的控制下,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流输出到充放电电容;在采样完成后为快速充电恢复阶段,选择产生大电流输出到充放电电容,实现充放电电容上电压的快速恢复;充放电电容上电压恢复到初始电压后,重新进入初始准备测量阶段;
一稳压电路以及一个二极管,二极管的阴极接稳压电路的输出端,二极管的阳极与充放电电容的充放电端连接,用于与充电恒流源配合,在初始准备测量阶段为充放电电容提供一个稳定的初始电压。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,在时间-幅度转换(Time-to-amplitude Converter,TAC)原理,即将时间信息转换为电压幅度信息,再被高分辨率ADC采集量化,得到时间间隔数值的基础上,采用放电恒流源和充电恒流源组成的双恒流源结构,放电恒流源在时间间隔为△T的窄脉冲到来时,对充放电电容进行快速放电,从而进入放电阶段(时间-幅度转换,即测量时间段)。窄脉冲结束后,进行充放电电容的电压值进行采样,获取与电压下降幅度成正比的时间间隔△T。在此基础上,通过充电恒流源对充放电电容进行充电,使其回到初始电压。在本发明中,充电恒流源具有两种工作状态,可以在开关控制信号的控制下,改变充电电流大小,即可以根据测量过程需要,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流,在初始准备测量阶为充放电电容提供一个稳定的初始电压,在测量完成后,选择产生大电流充电,实现充放电电容上电压的快速恢复,大大提高了时间间隔测量的速度,从而进一步提高了随机等效采样波形重构效率。
附图说明
图1是现有高分辨率的时间间隔测量电路的一种电路原理图;
图2是TAC电路工作过程示意图;
图3是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实施方式电路原理图;
图4是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路工作过程示意图;
图5是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实施方式工作波形图;
图6本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实施方式下时间间隔测量分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
在本实施例中,如图3所示,本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,包括:充放电电容C1、放电恒流源、充电恒流源以及稳压电路和二极管D1。充放电电容C1的一端接地,另一端为充放电端。
放电恒流源和充电恒流源组成双恒流源结构,其中:
放电恒流源输出端与充放电电容C1的充放电端连接,在时间间隔为△T的窄脉冲到来时,对充放电电容C1进行快速放电,使测量装置从初始准备测量阶段进入放电阶段,在时间间隔为△T的窄脉冲结束时,结束对充放电电容C1进行的快速放电,同时使测量装置进入ADC采样阶段,对充放电电容的电压值进行采样,从而获取与电压下降幅度成正比的时间间隔△T;
充电恒流源输出端与充放电电容C1的充放电端连接,其具有两种工作状态;在开关控制信号S1的控制下,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流输出到充放电电容C1;在采样完成后为快速充电恢复阶段,选择产生大电流输出到充放电电容C1,实现充放电电容上电压的快速恢复;充放电电容C1上电压恢复到初始电压后,重新进入初始准备测量阶段;
二极管D1的阴极接稳压电路的输出端,二极管D1的阳极与充放电电容C1的充放电端连接,用于与充电恒流源配合,在初始准备测量阶为充放电电容C1提供一个稳定的初始电压V1。
在本实施例中,如图3所示,与基于米勒积分器原理的TAC时间间隔测量电路不同,本发明采用双恒流源结构的TAC时间间隔测量电路,具有两个恒流源。其中时间间隔为△T的窄脉冲到来时(作用下),对充放电电容C1进行快速放电,然后在ADC采样阶段结束后,通过充电恒流源对充放电电容C1进行充电。
充电恒流源具有两种工作状态,可以在开关控制信号S1的控制下,改变充电电流大小,即可以根据电路需要,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流,在采样完成后,选择产生大电流充电,实现充放电电容C1上电压的快速恢复,从而提高时间间隔的测量速度。
在本实施例中,放电恒流源采样传统的运算放大器+三极管+采样电阻的设计,由运算放大器U0、三极管Q3以及采样电阻R1组成。放电恒流源的输出电流由参考电压Vcu1和采样电阻R1决定,大小为:
充电恒流源同样采用传统的运算放大器+三极管+采样电阻的设计,由运算放大器U1、三极管Q4以及采样电阻组成。在本实施例中为了实现输出微安量级微小电流以及毫安量级大电流输出,采样电阻由兆欧姆量级电阻R5和千欧姆量级电阻R4组成,其中,千欧姆量级电阻R4上串联有MOS管Q5,在产生微小电流时,在开关控制信号S1的控制下,选择关断MOS管Q5,这样只有兆欧姆量级电阻R5接入,采样电阻值即为兆欧姆量级电阻R5的阻值。
在开关控制信号S1控制MOS管Q5关断时,控制产生的充电电流大小为:
其中,Vcu1为参考电压,Vcc为电源电压,电阻R5为兆欧姆量级,对应充电电流极小,为微安(uA)量级。
在产生大电流时,在开关控制信号S1的控制下,选择接通MOS管Q5,这样千欧姆量级电阻R4、兆欧姆量级电阻R5同时接入,采样电阻值为兆欧姆量级电阻R5与千欧姆量级电阻R4并联阻值。
而当MOS管Q5接通(导通)时,控制产生的充电电流大小为:
其中,电阻R4为千欧姆量级,对应充电电流为毫安(mA)量级。
在本实施例中,如图3所示,所述的稳压电路由稳压二极管D2以及电源Vcc到地串联的两个分压电阻R7、R8组成,其中稳压二极管D2与电阻R8即连接到地的分压电阻并联,且其阳极接地,阴极接二极管D1的阴极。这样在初始准备测量阶段,充电恒流源以微安量级的电流流向充放电电容C1,而同时充放电电容C1上的电流又经过二极管D1流向由稳压二极管D2组成的稳压电路中,达到一种电压平衡状态,即初始电压。在放电阶段、ADC采样阶段,由于接二极管D1电压为反向,也不会影响测量。同时,在充电结束后,回到初始准备测量阶段将其充放电电容C1限定在初始电压V1。
此外,运算放大器U2是一个跟随电路,使输入阻抗增加,减小对充放电电容C1电压的影响。偏置和增益调节电路U3用于偏置和增益G的调节,最后在ADC中转换为数字信号,其中Vref为转换时的参考电压,N△T为表示时间间隔的数据,为M bit。这些都是现有技术,在此不再赘述。
在本实施例中,本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路工作过程如图4所示,其基本思路是对充放电电容C1进行快速放电和快速充电,为了便于说明,这里将工作状态分为五个部分:
A点到B点(初始准备测量阶段):A点为初始状态,在充电恒流源输出的微小电流作用下,二极管D1处于微导通状态,导通压降为VD1,将充放电电容C1上的电压V1钳位在电压V2附近,所以充放电电容C1上电压为稳定直流电压,即此时V1=V2+VD1,其中,V2附近为稳压电路输出电压,即稳压二极管D2两端电压。开关控制信号S1控制MOS管Q5处于断开状态,此时充电恒流源电流大小按照式(3)计算可得,以微安量级的电流流向充放电电容C1,而同时充放电电容C1上的电流又经过二极管D1流向由稳压二极管D2组成的稳压电路中,达到一种电压平衡状态,该状态段初始准备测量阶段,不占用整体测试时间。
B点到C点(放电阶段即时间幅度转换阶段):在B点时刻时间间隔为△T的窄脉冲到来,三极管Q2截止,三极管Q1导通,MOS管Q5仍然处于断开状态,充放电电容C1以放电恒流源的电流大小进行放电,当时间间隔为△T的窄脉冲结束时,充放电电容C1上的电压降低到C点的位置。时间间隔为△T的窄脉冲宽度越宽,即充放电电容C1放电时间越长,电压下降的量也多,即电压下降幅度△UC越大,从而获取与电压下降幅度成正比的时间间隔△T,通常该阶段在10ns左右。
C点到D点(ADC采样阶段):在C点处窄脉冲结束,三极管Q1截止,三极管Q2导通,此时MOS管Q5仍然处于断开状态,ADC开始对充放电电容C1上的电压值进行量化。虽然此时电容充放电电容C1在充电恒流源微小电流作用下进行缓慢充电,但在很短的时间里,可以认为电压几乎不变。这里测量速度主要受ADC采样时间限制,在本实施例中约为10us。
D点到E点(快速充电恢复阶段):在ADC完成电压测量后,通过开关控制信号S1使MOS管Q5导通,此时充电恒流源的电流大小按照式(4)计算,为mA量级,即此时对充放电电容C1以毫安级大电流快速充电,使其快速复位到初始电压V1。这一部分工作时间主要受充电电流大小影响,充电电流越大,恢复时间越短。
点E到点F(初始准备测量阶段):当充放电电容C1上电压恢复到初始电压时,通过开关控制信号S1使MOS管Q5关断,等待下一次测量的开始。需要说明的是,由于从一种大电流放电切换到微小电流充电,电路需要重新平衡,所以实际从E点到F点会有一个微小的电压波动,如图4中虚线所示,大概需要10微秒的时间,然后会到A点。即初始准备测量阶段分为两部分,前半部分(E到F点)有微小的波动,后半部分(A到B点)比较平稳。
在本发明中,仍然按照低噪声恒流源的设计方法,分别设计充电恒流源和放电恒流源。通过设计合适的电路参数,得到了实测电路工作波形图,如图5所示,完成一次时间间隔总的测量时间tmea为:
tmea=tBC+tCD+tDE+tEF<40us (5)
在本实施例中,本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路测量结果分布如图6所示,测量结果标准差约1.34ps,完成一次测量不超过40us。显然,相对于米勒积分器TAC电路,本发明可以大大提升时间间隔测量速度,而且测量标准差并没有因为速度提高而恶化,保证了测量精度,这对于提高随机等效采样波形重构速度是非常有意义的。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路,包括一充放电电容,其一端接地,另一端为充放电端,其特征在于,还包括:
一由放电恒流源和充电恒流源组成的双恒流源,其中:
放电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接,在时间间隔为△T的窄脉冲到来时,对充放电电容进行快速放电,使测量装置从初始准备测量阶段进入放电阶段,在时间间隔为△T的窄脉冲结束时,结束对充放电电容进行的快速放电,同时使测量装置进入ADC采样阶段,对充放电电容的电压值进行采样,从而获取与电压下降幅度成正比的时间间隔△T;
充电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接,其具有两种工作状态;在开关控制信号的控制下,在初始准备测量阶段、放电阶段以及ADC采样阶段,选择产生微小电流输出到充放电电容;在采样完成后为快速充电恢复阶段,选择产生大电流输出到充放电电容,实现充放电电容上电压的快速恢复;充放电电容上电压恢复到初始电压后,重新进入初始准备测量阶段;
一稳压电路以及一个二极管,二极管的阴极接稳压电路的输出端,二极管的阳极与充放电电容的充放电端连接,用于与充电恒流源配合,在初始准备测量阶段为充放电电容提供一个稳定的初始电压。
2.根据权利要求1所述的测量电路,其特征在于,充电恒流源中,所述的微小电流为微安级,所述的大电流为毫安级;
所述充电恒流源由运算放大器、三极管以及采样电阻组成,其中,采样电阻由兆欧姆量级电阻和千欧姆量级电阻组成;千欧姆量级上串联有MOS管;
在产生微小电流时,在开关控制信号的控制下,选择关断MOS管,这样只有兆欧姆量级电阻接入,采样电阻值即为兆欧姆量级电阻的阻值;
在产生大电流时,在开关控制信号的控制下,选择接通MOS管,这样千欧姆量级、兆欧姆量级电阻同时接入,采样电阻为兆欧姆量级电阻与千欧姆量级电阻并联阻值。
3.根据权利要求1所述的测量电路,其特征在于,所述的稳压电路由稳压二极管以及电源Vcc到地串联的电阻R7、R8组成,其中,稳压二极管D2与电阻R8并联,且其阳极接地,阴极接所述二极管的阴极。
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Granted publication date: 20170718 Termination date: 20191109 |
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