CN106302014A - 宽量程高精度的信号测量方法 - Google Patents

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Abstract

宽量程高精度的信号测量方法,涉及通信技术。本发明包括下述步骤:A、测量时间锁存信号:记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty;B、测量精细参考时间段Ttdc:测量Tx到Ty之间的时延,即为精细参考时间段Ttdc;C、计算被测信号进入时间Tx:Tx=Tsys‑Ttdc;D、计算相位差;重复步骤A‑C,以两次测量得到的Tx值相减,即为相位差。本发明的测量方法不受测量范围的限制,达到宽量程测量的效果。

Description

宽量程高精度的信号测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通信技术。
背景技术
[0002] 随着科学技术的持续发展,时间同步系统在越来越多的行业和领域得到广泛应 用。例如,在通信行业,时间同步系统为通信系统中的各个节点或端设备提供同步时钟和时 间信号,保证了通信系统的正常运行;在电力行业,时间同步系统主要为电厂电站提供统一 的时间服务,确保各个监控或采集设备间的时间一致,便于监控和分析电网的运行状态。
[0003] 时间同步系统通常是由多个同步节点设备组成的时间同步网络构成,各个节点设 备都具备参考信号接收测量、校准设备时钟和时间,并输出时间和频率信号的功能。例如, 当节点设备的信号参考源为卫星信号(GPS或北斗)时,通常采用设备的时钟测量从卫星信 号接收的秒脉冲信号的频率来计算出时钟的频偏,通过调整设备时钟的输出频率,来达到 与卫星信号的频率同步的目的;通过测量设备的秒脉冲信号与卫星的秒脉冲信号的相位 差,来校准设备的秒脉冲信号,从而实现时间同步。可见,信号的相位和频率测量的准确度 是影响时间同步设备的同步及授时精度的重要因素。测量的准确度越高,时间同步设备的 同步速度越快和同步精度也越高;反之,测量的准确度低,时间同步设备的同步速度慢和同 步精度低。
[0004]通常对信号的相位测量方法是采用时钟对信号间相位差的时间间隔进行计数,将 计数结果乘以时钟的周期就得到相位差的测量结果。对信号的频率进行测量通常采用时钟 来计算被测信号经历的周期数除以时间间隔的方法来实现。假设,参考信号两次间的时钟 间隔计数为N,参考信号的周期为Trrf,则测量得到的时钟的频率
Figure CN106302014AD00031
;当时钟的周 期为Tea。*,两个信号相位差的计数为N,则测量得到的相位差Tphase3 = N · Tea。*。测量的最大 误差是时间间隔计数值N有±1个计算值的随机误差,
Figure CN106302014AD00032
,相位误差 Δ Tphase3 = ± Τ&α。以100MHz时钟为例,参考信号的频率为1Hz,则测量得到的时钟频率的相 对误差为10 8;相位误差为±l〇ns。
[0005] 由上分析可知,常规的时钟计数测量方法会带来很大的误差。即使提高时钟的频 率或增大参考信号的周期,对测量精度的提高有限,也难达到目前时间同步设备对参考源 信号亚纳秒级的测量精度需求。
[0006] 对于亚纳秒级的测量一般会采用专业芯片来实现,专业芯片工作稳定,具备自动 校准功能,测量精度高。德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP22常应用于信号时延测 量,测量分辨率可达22ps,测量范围为500ns到4ms。可见TDC-GP22也存在应用缺陷,不能测 量间隔小于500ns或大于4ms的信号。
[0007] 作为一项现有技术,中国专利CN201210593724.2高精度相位和频率测量系统公开 了 一种相位和频率的测量方法,该方法利用FPGA对两路信号间的间隔用时钟进行粗计数, 并将时间间隔的开始和结尾处生成两个内插脉冲,并将两个内插脉冲分别输出至积分式模 拟延展电路,再通过计数测量延展电路返回的脉冲,最后结合充放电电路的参数比来计算 得到开始和结尾的相位,从而计算得到比较精确的测量间隔。该方法采用双内插法与积分 式模拟延展法,对时间间隔的测量分辨率理论能达到50ps,高于传统方法的测量分辨率。该 方法采用时间扩展法的主要的缺点是非线性难以控制。由于利用电路充放电原理进行测 量,模拟电路充放电过程中难以避免的存在非线性;而且也难以实现具有理想性的恒流源, 实际应用中的恒流电路会受电压变化和稳定变化等环境因素的影响,所以非线性不易控 制。
发明内容
[0008] 本发明所要解决的技术问题是,提供一种对信号间隔的高精度测量,并能满足宽 量程的应用需求的信号测量方法。
[0009] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是,宽量程高精度的信号测量方法,包 括下述步骤:
[0010] A、测量时间锁存信号:记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统 时钟上升沿时刻Ty;
[0011 ] B、测量精细参考时间段Ttdc:测量Tx到Ty之间的时延,即为精细参考时间段Ttdc;
[0012] C、计算被测信号进入时间Tx:Tx = Tsys-Ttdc;
[0013] D、计算相位差;重复步骤A-C,以两次测量得到的T1值相减,即为相位差。
[0014] 所述系统时间为基于FPGA的周期性时钟。
[0015] 对于多路信号,所述步骤D为:对第二路被测信号运用步骤A-C,得到第二路被测信 号进入时间T2,T2与Tx的差值即为两路信号的相位差。
[0016] 所述步骤A中,
Figure CN106302014AD00041
,Tclock为系统时间的周期。
[0017] 本发明的有益效果是,通过被测量信号锁存准确的系统时间,根据锁存时间的差 运算即可得到两次或多次信号间的相位差(时延)数据;不同信号的锁存时间的差运算可得 到不同信号间的相位差(时延)数据。可见该测量方法不受测量范围的限制,达到宽量程测 量的效果。
[0018] 本发明利用时钟获取被测量信号的上升沿,并在固定时钟周期后锁存系统时间, 并结束TDC-GP22的测量,这样有效的保障来TDC-GP22测量的可靠性,从而保证来测量精度。 针对被测信号所做的时延,已包含在TDC-GP22的测量数据中,通过数据的差运算后已从结 果中扣除。
[0019] 本发明利用TDC-GP22的测量功能实现来皮秒级的测量分辨率,提高了信号测量的 准确度。TDC-GP22芯片是一种较为广泛应用的芯片,购买成本相对低,因此具有较低的硬件 成本优势。
附图说明
[0020] 图1是本发明的原理图。
[0021] 图2是本发明的实施例的原理图。
[0022] 图3是本发明的测量系统结构框图。
具体实施方式
[0023] 参见图1。
[0024]本发明提出一种基于FPGA的时钟计数测量信号间隔的粗相位差,TDC-GP22测量信 号的细相位差,从而实现对信号间隔的高精度测量,并能满足宽量程的应用需求。其中,粗 相位差的测量采用时钟计数信号间间隔的个数,根据测量的时钟个数乘以时钟周期值可得 到相差值;细相差的测量指测量信号的上升沿与时钟上升沿间的时间间隔,该测量值分辨 率在皮秒级;根据粗相差值及高分辨率的细相差值,简单运算可得到被测信号间皮秒级精 度的相差值。
[0025]本发明中为了解决测量的信号间的相位关系存在变化的问题,提出一种基于时钟 运行一个系统时间,利用时钟监控被测信号的上升沿,根据被测信号的上升沿锁存当前系 统时间得到被测信号的粗时间值,应用TDC-GP22测量被测信号的上升沿与时钟上升沿间的 间隔得到细时间相位值,再根据初时间值减去细时间相位值,可得被测信号相对于系统时 间精确的时间值。利用信号的时间值相减可得信号间高精度的相位差值。
[0026] 本发明中为了解决TDC-GP22的可测区间有限的问题(测量范围500ns~4ms ),在利 用时钟识别被测信号的上升沿锁存系统时间时,当识别出被测信号的上升沿后延时一定的 时间(大于500ns)后才锁存系统时间,这样可以保证被测信号上升沿与时钟锁存信号间的 间隔大于TDC-GP22测试的死区间500ns。
[0027] 本发明针对TDC-GP22存在测量的死区间的问题,利用时钟将被测信号的上升沿与 时间锁存信号间的间隔控制在死区间外,这样有效的避免来TDC-GP22的应用缺点来达到高 精度广范围的应用需求。
[0028] 本发明的方法如图1所示,系统中运行一个系统时间单元,系统的时钟周期为 (TciockM)),系统时间单元每个时钟上升沿时刻输出的时间Tsys比上一时钟上升沿输出的时 间多Tcdc^k。将被测信号接入高精度测量芯片TDC-GP22的start管脚,将基于被测信号上升沿 产生的时间锁存信号接TDC-GP22的stop管脚,TDC-GP22测量得到的精细部分的测量结果 Ttd。。被测信号进入系统相对于系统准确的时间值Tn = Tsys-Ttd。,进行两次测量,Tn+1-Tn为被 测信号相邻两次的相位差值;在同一系统中同时对多个信号进行测量,信号间的时间值之 差即为信号间的相位差值。
[0029]为了保证TDC-GP22的测量满足其测量范围的要求,将系统时钟识别出的被测信号 上升沿延迟Ν(Ν为正整数)个时钟周期后产生时间锁存信号。时间锁存信号用于锁存系统时 间,并同时作为TDC-GP22的测量结束信号。TDC-GP22测量的死区间为500ns,为了保证TDC- GP22的测量有效,锁存信号的延时周期数N需要满足
Figure CN106302014AD00051
[0030] 实施例:参见图2。
[0031]图2的系统时间周期为10ms,各步骤为:
[0032] A、测量时间锁存信号:记录被测信号上升沿时刻T1在N个系统时间周期后的系统 时钟上升沿时刻Ty,Ty为30ms;
[0033] B、测量精细参考时间段Ttdc:测量Tx到Ty之间的时延,即为精细参考时间段Ttdc = 30-14 = 16ms ;
[0034] C、计算被测信号进入时间Tx: Tx = Tsy s-Ttdc;
[0035] D、计算相位差;重复步骤A-C,以两次测量得到的T1值相减,即为相位差。
[0036] 根据本发明所述的信号测量方法,设计出的一种信号测量系统如图3。
[0037] 信号测量系统由高稳定时钟单元、FPGA单元和TDC-GP22应用单元构成,其中FPGA 单元由系统时间运行单元模块、时间锁存信号模块、TDC_GP22控制单元模块和数据处理单 元模块构成。
[0038]高稳定时钟单元主要由高稳恒温晶振或铷原子钟为核心器件,产生测量系统所需 的时钟信号,TDC-GP22所需的工作时钟和校准时钟信号。为了提高时钟的准确度和稳定性, 可利用如卫星接收的1PPS信号或高等级时钟系统输出的频率信号来实现对时钟的调整或 驯服。
[0039] TDC-GP22应用单元主要由TDC-GP22测量芯片及其工作所需的外围电路组成。TDC- GP22的SPI接口提供对其控制及测量数据读取接口; start管脚是测试开始信号的控制管 脚,stop管脚是测量结束的控制管脚;每次测量结束并可读取数据时,中断信号管脚产生中 断信号。
[0040] FPGA单元的系统时间运行单元模块在时钟的驱动下进行系统时间的运行,并向其 他模块输出时间,为测量信号提供时间戳信息。
[0041] 时间锁存信号生成模块监测被测信号,通过时钟采集被测信号的上升沿,并在N个 时钟周期后产生时间锁存信号用于锁存当前系统时间数据Tsys,并将该信号输出到TDC-GP22芯片的sotp管脚。其中N为系统参数,选取的依据是N个时钟周期的时延大于500ns,即 保证TDC-GP22的start与stop信号的时间间隔大于500ns,满足最低测量范围需要。
[0042] TDC-GP22控制单元通过SPI总线实现对TDC-GP22芯片的工作状态监控,及其他测 量所需的控制功能,并读取测量数据。
[0043]数据处理单元模块将锁存的系统时间减去TDC-GP22的测量数据得到被测信号到 达测量系统的时间数据,并根据应用及设计需求将数据送到其他功能单元或做进一步的运 算获取其他数据。

Claims (4)

1. 宽量程高精度的信号测量方法,包括下述步骤: A、 测量时间锁存信号:记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟 上升沿时刻Ty; B、 测量精细参考时间段Ttdc:测量Tx到Ty之间的时延,即为精细参考时间段Ttdc; C、 计算被测信号进入时间Tx:Tx = Tsys-Ttdc; D、 计算相位差;重复步骤A-C,以两次测量得到的Tx值相减,即为相位差。
2. 如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法,其特征在于,所述系统时间为基 于FPGA的周期性时钟。
3. 如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法,其特征在于,所述步骤D为:对第 二路被测信号运用步骤A-C,得到第二路被测信号进入时间T2,T2与Tx的差值即为两路信号 的相位差。
4. 如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法,其特征在于,所述步骤A中,延时 XT 5()0/w 周期数Ν满足一々clock为系统时间的周期。 ^ dock
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109932995A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 鸿富锦精密电子(天津)有限公司 电子装置
CN111693785A (zh) * 2020-05-14 2020-09-22 湖南毂梁微电子有限公司 一种数字脉冲信号宽度测量电路及测量方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050052952A1 (en) * 2003-09-04 2005-03-10 Petr Panek Time interval measurement device
CN101043215A (zh) * 2007-03-12 2007-09-26 启攀微电子(上海)有限公司 一种高性能时间数字转换器电路架构
CN102116797A (zh) * 2010-12-29 2011-07-06 天津七六四通信导航技术有限公司 基于fpga的高准确度数字频率测量方法
CN102497196A (zh) * 2011-12-21 2012-06-13 东南大学 一种改进型时间判决器
CN102621878A (zh) * 2012-01-04 2012-08-01 西安近代化学研究所 高精度时间间隔测量装置
JP2013240015A (ja) * 2012-05-17 2013-11-28 Renesas Electronics Corp 時間デジタル変換器
US20150077279A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-19 Qualcomm Incorporated Time-to-digital converter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050052952A1 (en) * 2003-09-04 2005-03-10 Petr Panek Time interval measurement device
CN101043215A (zh) * 2007-03-12 2007-09-26 启攀微电子(上海)有限公司 一种高性能时间数字转换器电路架构
EP1971032A2 (en) * 2007-03-12 2008-09-17 Chiphomer Technology Limited Circuit structure of high performance time-to-digital converter
CN102116797A (zh) * 2010-12-29 2011-07-06 天津七六四通信导航技术有限公司 基于fpga的高准确度数字频率测量方法
CN102497196A (zh) * 2011-12-21 2012-06-13 东南大学 一种改进型时间判决器
CN102621878A (zh) * 2012-01-04 2012-08-01 西安近代化学研究所 高精度时间间隔测量装置
JP2013240015A (ja) * 2012-05-17 2013-11-28 Renesas Electronics Corp 時間デジタル変換器
US20150077279A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-19 Qualcomm Incorporated Time-to-digital converter

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHAO, WG (ZHAO, WEIGUO) 等: "A New Ultrasonic Flowmeter with Low Power Consumption for Small Pipeline Applications", 《2016 IEEE INTERNATIONAL INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE PROCEEDINGS》 *
闫德立 等: "基于FPGA与TDC-GP22的连续脉冲测距系统研究", 《国防交通工程与技术》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109932995A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 鸿富锦精密电子(天津)有限公司 电子装置
CN109932995B (zh) * 2017-12-18 2021-06-15 鸿富锦精密电子(天津)有限公司 电子装置
CN111693785A (zh) * 2020-05-14 2020-09-22 湖南毂梁微电子有限公司 一种数字脉冲信号宽度测量电路及测量方法
CN111693785B (zh) * 2020-05-14 2021-05-07 湖南毂梁微电子有限公司 一种数字脉冲信号宽度测量电路及测量方法

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