CN105739289A - 一种基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法和电路。本发明利用限幅器对两路输入脉冲限幅，由高频集成鉴相鉴频器比相得到相位差脉冲，经有源比例积分滤波、A/D转换后，由MCU计算得到两路输入脉冲的相位差；再将其中一路输入脉冲经分频器分频后，输入到MCU的其中一个端口，由MCU测出该脉冲的周期；根据测得的相位差和脉冲周期，MCU计算得到两路脉冲的时间间隔，将结果送去显示。综合利用高速鉴相技术、双极性模数转换技术和高速分频技术，在MCU控制下实现对较宽频率范围内的两路同频率脉冲信号间的时间间隔准确测量。

Description

一种基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法及电路
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域的脉冲时间间隔测量技术，具体涉及一种基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法及电路。
背景技术
脉冲时间间隔测量技术对国民经济和国防建设意义重大，在现代通信、定位定时、航天测控、数字示波器等领域有着广泛的应用。时间间隔测量技术由来已久，大致可分为模拟方法和数字方法两大类，主要有时间-幅度转换法、时间间隔扩展法、游标法、抽头延迟线法等。传统的模拟方法离不开模数转换的过程，容易受外界干扰的影响，测量精度不可能很高；而数字方法不需要模数转换，测量精度高，但需要大规模集成电路ASIC(专用集成电路)的支撑，工艺复杂、生产成本高。
发明内容
为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种结合模拟和数字方法优点的电路简单、测量准确的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a.选取一个ECL逻辑的集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为b.待测输入脉冲1经过限幅电路1，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲2经过限幅电路2，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端V；c.选取一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成差分输入式有源比例积分滤波器，集成鉴相鉴频器的输出端分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；d.有源比例积分滤波器的输出连接到一个具有双极性转换模式的A/D转换器的模拟电压输入端；e.选取一个高速微控制器MCU，用于对A/D转换器输出的数字量进行计算，得到两个输入脉冲的相位差；f.将其中一路输入脉冲连接到高速可编程分频器的输入，分频器的输出连接到MCU的一个端口输入端Pn；g.MCU预置可编程分频器的分频比；输入到Pn的脉冲上升沿启动MCU定时器，Pn的下一个脉冲上升沿使MCU定时器停止，记录定时器数据；重复10次测量，由MCU计算取10次测量的平均值，并根据预置的可编程分频器的分频比得到输入脉冲的周期T；h.MCU根据测得的相位差和周期T，计算得到两个输入脉冲信号的时间间隔，将测量结果送到显示器显示。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法，其特征在于：所述步骤d中，A/D转换器是一种特殊的双极性A/D转换器，通过编程配置，允许其输入模拟电压数值的绝对值在小于等于参考电压的4倍范围内，都能够正常转换。
差分输入式有源比例积分滤波器采用正、负双电源供电，其输出电压可能为正值，也可能是负值，取决于两个因素：一是集成鉴相鉴频器输入脉冲R超前于V，还是V超前于R；二是鉴相鉴频器的输出端分别连接到集成运算放大器的同相端、反相端，还是分别连接到集成运算放大器的反相端、同相端。无论有源比例积分滤波器输出的电压是正极性还是负极性，具备双极性转换模式的A/D转换器都能够将其转换为相应的带符号数字量，然后由MCU计算得到两路输入脉冲的相位差。
两路同频率的脉冲信号，在得到它们的相位差之后，再测得其中一路信号的周期T，就可以通过计算，间接得到这两个脉冲的时间间隔Δt。将任一路输入脉冲经过可编程分频器n次分频后，频率降低到MCU可以直接测量的范围，输入到MCU的端口Pn。设定MCU工作在定时器方式，在Pn输入脉冲的一个周期内对机器周期计数，就可以测量出分频器输出脉冲的周期T′。若测量10次，取平均值，则T′的精度更高。考虑分频器的分频比n，再计算得到待测输入脉冲的周期T。那么，两个待测输入脉冲的时间间隔根据公式(1)可得到。
相应地，为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种电路简单、测量准确的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，包括两个相同的限幅电路、ECL集成鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器、双极性A/D转换器、高速可编程分频器、微控制器MCU和显示器，其特征在于：待测输入脉冲1经过限幅电路1后，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲2经过限幅电路2，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述ECL集成鉴相鉴频器的输出端分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；所述有源比例积分滤波器的输出信号输入到双极性A/D转换器的模拟电压输入端；所述双极性A/D转换器输出的数字信号输入到微控制器MCU；所述微控制器MCU对A/D转换器转换的数字信号进行计算，得到两个输入脉冲的相位差；将输入脉冲中的一路连接到可编程高速分频器的输入，MCU预置可编程分频器的分频比；高速分频器的输出连接到MCU的一个端口输入端Pn，Pn的脉冲上升沿启动MCU定时器，Pn的下一个脉冲上升沿使MCU定时器停止，记录定时器数据；重复10次测量，由MCU计算取10次测量的平均值，并根据预置的可编程分频器的分频比得到输入脉冲的周期T；根据测得的相位差和周期T，由MCU计算得到两个输入脉冲信号的时间间隔，并将测量结果送到显示器显示。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，所述差分输入式有源比例积分滤波器由一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述双极性A/D转换器是一种特殊的A/D转换器，通过编程配置，允许其输入模拟电压数值的绝对值在小于等于参考电压的4倍范围内，都能够正常转换。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述高速可编程分频器可以采用一级分频器，也可以多级级联。如果经过一级分频器分频后，信号频率仍然较高，超过MCU可测最高频率，那么可以串联一级或几级分频器，以提高分频比，保证输入到MCU端口Pn的脉冲周期可以由MCU直接测量。
本发明的有益效果是：提出一种新型的脉冲时间间隔测量方法，利用ECL集成鉴频鉴相器和双极性A/D转换器，先得到两个脉冲信号之间的相位差；再通过分频器降低输入脉冲的频率，由MCU直接、多次测量得到准确的脉冲周期，最后计算得到两个脉冲的时间间隔。测量电路较为简单，精度高，可测信号频率高。同时，扩展了集成鉴相鉴频器的应用领域。
附图说明
附图1为本发明的电原理框图；附图2为本发明的部分电路图，含两个限幅电路、ECL鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器、可编程分频器；附图3为本发明的鉴相鉴频器工作波形图。
图中：1限幅电路1，2限幅电路2，3差分输入式有源比例积分滤波器，4可编程分频器。
具体实施方式
结合附图，本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法，按照以下步骤进行：
a.选取一个ECL逻辑的集成鉴相鉴频器MCH12140，其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为
b.输入脉冲1经过限幅电路1，输入到集成鉴相鉴频器MCH12140的输入端R；输入脉冲2经过限幅电路2，输入到集成鉴相鉴频器MCH12140的输入端V。两路限幅电路的结构与参数完全相同，电阻R1、R2取合适的值使得图2限幅电路中的A、B两点静态电位都是+3.8V，以满足鉴相鉴频器MCH12140的输入脉冲幅度符合ECL电平要求，保证MCH12140准确比较两路输入脉冲的不同相位。
c.选取正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器LT1028，与外围电阻、电容元件构成差分输入有源比例积分滤波器，鉴相鉴频器的输出端分别连接到该有源比例积分滤波器的两个输入端。
d.选取一个具有双极性转换模式的A/D转换器AD7656A，有源比例积分滤波器的输出连接到AD7656A的其中一个模拟电压输入端V1。
e.选取一个高速微控制器MCU，对A/D转换器AD7656A输出的数字量进行计算，得到两个输入脉冲的相位差
f.将其中一路输入脉冲连接到高速可编程分频器HMC394的输入，分频器HMC394的输出连接到MCU的一个端口输入端Pn。
g.MCU预置分频器HMC394的分频比；输入到Pn的脉冲上升沿启动MCU定时器，Pn的下一个脉冲上升沿使MCU定时器停止，记录定时器数据；重复10次测量，由MCU计算取10次测量的平均值，并根据预置的HMC394的分频比得到输入脉冲的周期T；
h.MCU根据测得的相位差和周期T，依据公式(1)计算得到两个输入脉冲信号的时间间隔，将测量结果送到显示器显示。
如附图所示，给出了本发明的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其包括限幅电路1(1)、限幅电路2(2)、ECL鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器(3)、双极性A/D转换器、可编程分频器(4)、微控制器MCU、显示器、辅助电阻R3以及+5V、-5V、等必要的工作电源。
MCH12140的鉴相增益为0.11V/弧度，经过有源比例积分滤器后成为放大了的直流电压。根据图3所示，集成鉴相鉴频器MCH12140只对两个输入脉冲的前沿进行比相，输出的鉴相脉冲经过有源比例积分滤器后成为直流电压，根据R、V端输入脉冲的相位关系，有源比例积分滤器输出的直流电压可能为正值，也可能为负值。本实施例中，若有源比例积分滤器输出的电压为正值，表示输入脉冲2的相位超前输入脉冲1的相位；反之，若有源比例积分滤器输出的电压为负值，表示输入脉冲1的相位超前输入脉冲2的相位。该有源比例积分滤器输出的电压值线性反应两个输入脉冲之间的相位差，经过双极性A/D转换器AD7656A转换之后，由MCU计算，可准确得到两个输入脉冲之间的相位差值
AD7656A为16位双极性A/D转换器，其输出编码方式为二进制补码，最高位为符号位，0代表正电压，1代表负电压；输出数字量可以串行输出，也可以并行输出。MCU根据符号位判断电压的正、负值，然后依据数据求补的结果进行计算。AD7656A的参考电压VREF可采用片内的+2.5V基准电压，也可以外接高稳定度电压源，该A/D转换器的模拟电压输入范围为-4VREF～+4VREF。
MCH12140的鉴相输出经过有源比例积分滤波器后，其总体鉴相增益K如公式(2)所示：
公式(2)中的Uom+、Uom-分别是LT1028实际输出的最大正电压和最大负电压。
为保证相位差的测量精度，有源比例积分滤波器电路需要进行调零。输入1端、输入2端分别输入两个相位相同的脉冲信号，调节R4、R5的值使LT1028输出的直流电压为零；然后测量并记录下两个待测输入脉冲的相位差分别为+2π和-2π时，LT1028实际对应输出的Uom+、Uom-值，提供给MCU，由MCU按公式(2)计算鉴相增益K。
本实施例中，双极性A/D转换器AD7656A的参考电压选用片内的+2.5V基准电压；通过编程配置，使其输入模拟电压可测范围为-5V～+5V，即其满量程电压为10V，其最小电压分辨率为0.152mV，保证了相位差的测量精度。
AD7656A输出的二进制数经过MCU补码运算后得到的十进制数为D10，则实测的相位差弧度数为公式(3)所示：
两个输入频率相同的脉冲信号，将其中一路经过可编程分频器HMC394分频之后，将频率降低到MCU可以直接测量的范围，由MCU通过软件编程，利用定时器模式对输入的脉冲测出其周期数T。根据公式(1)、(2)、(3)，MCU就可以计算得到两个输入脉冲的时间间隔。
高速可编程分频器HMC394的最高输入信号频率可达2GHz，其分频比在2～32可变，由MCU预置，并根据输入信号频率的高低可随时调整。控制策略通常是，首先将分频比n置最大数，以保证MCU端口Pn的脉冲频率可测；如果已知输入待测脉冲的频率不高，则分频比可以适当设得低一些，以提高测量速度。
鉴相鉴频器采用ECL电平器件，工作频率很高。同时MCH12140的鉴相灵敏度也很高。该方案实现的系统可以测量频率达500MHz的ECL脉冲信号时间间隔或TTL电平的脉冲信号时间间隔，测量精度较高。

Claims (6)

1.一种基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选取一个ECL逻辑的集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为
b.待测输入脉冲1经过限幅电路1，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲2经过限幅电路2，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端V；
c.选取一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成差分输入式有源比例积分滤波器，集成鉴相鉴频器的输出端分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；
d.有源比例积分滤波器的输出连接到一个具有双极性转换模式的A/D转换器的模拟电压输入端；
e.选取一个高速微控制器MCU，用于对A/D转换器输出的数字量进行计算，得到两个输入脉冲的相位差；
f.将其中一路输入脉冲连接到高速可编程分频器的输入，分频器的输出连接到MCU的一个端口输入端Pn；
g.MCU预置可编程分频器的分频比；输入到Pn的脉冲上升沿启动MCU定时器，Pn的下一个脉冲上升沿使MCU定时器停止，记录定时器数据；重复10次测量，由MCU计算取10次测量的平均值，并根据预置的可编程分频器的分频比得到输入脉冲的周期T；
h.MCU根据测得的相位差和周期T，计算得到两个输入脉冲信号的时间间隔，将测量结果送到显示器显示。
2.根据权利要求1所述的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量方法，其特征在于：所述步骤d中，A/D转换器是一种特殊的双极性A/D转换器，通过编程配置，允许其输入模拟电压数值的绝对值在小于等于参考电压的4倍范围内，都能够正常转换。
3.基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，包括两个相同的限幅电路、ECL集成鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器、双极性A/D转换器、高速可编程分频器、微控制器MCU和显示器，其特征在于：待测输入脉冲1经过限幅电路1后，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲2经过限幅电路2，输入到ECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述ECL集成鉴相鉴频器的输出端分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；所述有源比例积分滤波器的输出信号输入到双极性A/D转换器的模拟电压输入端；所述双极性A/D转换器输出的数字信号输入到微控制器MCU；所述微控制器MCU对A/D转换器转换的数字信号进行计算，得到两个输入脉冲的相位差；将输入脉冲中的一路连接到可编程高速分频器的输入，MCU预置可编程分频器的分频比；高速分频器的输出连接到MCU的一个端口输入端Pn，Pn的脉冲上升沿启动MCU定时器，Pn的下一个脉冲上升沿使MCU定时器停止，记录定时器数据；重复10次测量，由MCU计算取10次测量的平均值，并根据预置的可编程分频器的分频比得到输入脉冲的周期T；根据测得的相位差和周期T，由MCU计算得到两个输入脉冲信号的时间间隔，并将测量结果送到显示器显示。
4.根据权利要求3所述的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述差分输入式有源比例积分滤波器由一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成。
5.根据权利要求3所述的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述双极性A/D转换器是一种特殊的A/D转换器，通过编程配置，允许其输入模拟电压数值的绝对值在小于等于参考电压的4倍范围内，都能够正常转换。
6.根据权利要求3所述的基于集成鉴相鉴频器的脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述高速可编程分频器可以采用一级分频器，也可以多级级联。
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