CN106443179B - 一种ps级的时间频率测量电路和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种ps级的时间频率测量电路和测量方法。所述测量电路包括电路通道、ECL逻辑控制电路、△t1和△t2提取电路、积分‑采样电路、ADC转换电路、积分电容、恒流源电路、FPGA电路、单片机控制电路以及键盘和显示电路等。本发明测量方法是在模拟内插方法的基础上加以改进，通过控制对两路通道进行一致化校准、器件非线性校准、温度漂移校准、失调电压电流校准、系统触发误差校准等，通过长期统计运算，设计各系统参量的校准方法，统称系统统计校准，最终实现稳定的、准确的ps级时间频率测量。

Description

一种ps级的时间频率测量电路和测量方法
技术领域
本发明涉及一种时间频率测量装置，具体地说是一种ps级的时间频率测量电路和测量方法。
背景技术
目前比较常用的测量时间频率的方法主要有多周期同步计数技术、模拟内插技术和游标内插技术等。多周期同步计数技术需要取10GHz的基准值，才能达到ps级的测量精度，但目前最快器件的计数速度也远没有达到这么快的速度，所以目前还不能通过无限制的提高基准频率的方式来提高测量精度。模拟内插法实际所实现的扩展倍数k的准确值也难以得到，所以模拟内插技术要将测时精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。游标内插技术对时钟频率的稳定度，要求极高，长期以来没有得到实际的应用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种ps级的时间频率测量电路和测量方法，以解决时间频率测量精度不高的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种ps级的时间频率测量，包括有：
电路通道，包括第一电路通道和第二电路通道，两个电路通路分别与ECL逻辑控制电路相接，用于对被测信号进行阻抗耦合、交直流耦合、滤波、衰减、放大及整形的预处理；
ECL逻辑控制电路，分别与第一电路通道、第二电路通道、FPGA电路以及△t1和△t2提取电路相接，用于对经预处理后的信号的ECL电平进行逻辑控制和信号同步，并与FPGA电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量；
△t1和△t2提取电路，分别与ECL逻辑控制电路和积分-采样电路相接，用于触发信号边沿，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2；
积分-采样电路，分别与ECL逻辑控制电路、△t1和△t2提取电路、ADC转换电路和充积分电容相接，用于在△t1和△t2的脉冲信号到来时，控制积分电容通过恒流源放电△t1和△t2的时长；
ADC转换电路，分别与积分-采样电路和单片机控制电路相接，用于测量积分电容对应△t1和△t2时长的放电电量，并将使用某一特定频率时钟周期的一倍T0和两倍T0的标准脉冲对应转换为数字电压量；
积分电容，分别与积分-采样电路和恒流源电路相接，用于在恒流源电路的控制下进行△t1和△t2时长的放电；
恒流源电路，与积分电容相接，用于对积分电容进行充电，并控制积分电容进行△t1和△t2时长的放电；
FPGA电路，在FPGA芯片中设计包含有同步电路、计数器和逻辑控制电路；所述FPGA电路分别与ECL逻辑控制电路和单片机控制电路相接，用于与ECL逻辑控制电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量；
单片机控制电路，分别与FPGA电路、ADC转换电路、键盘和显示电路相接，用于控制恒流源电路的增益，计算△t1和△t2时长的对应时间量，采集最终的数字电压量并计算得到精确的被测时间参量；以及
键盘和显示电路，与单片机控制电路相接，用于实现人机交互，以设定系统功能和参数，并显示测量结果。
本发明时间频率测量电路是以模拟内插数字化的方法即时间-数字电压量转换结合系统统计校准的处理方式，实现ps级的高精度时间测量，通过高速ECL逻辑电路、高速ADC转换芯片、高稳定度的积分-采样电路、高精度的电容、高稳定的恒流源电路及精准的Δt1和Δt2提取技术，将时间量转化为数字电压量，从而实现将模拟内插法通过数字电路的方式来实现，使测量电路的实现方式简洁、可靠。
本发明的目的还可这样实现：一种ps级的时间频率测量方法，包括以下步骤：
a、被测信号进入第一通道电路和第二通道电路，在两个通道电路中进行阻抗匹配、交直流耦合、衰减、滤波及放大整形，处理成ECL电平信号；
b、经过通道电路处理的ECL电平信号进入ECL逻辑电路，并与ECL逻辑电路中的闸门电路所产生的闸门信号进行同步处理，并对其进行时间、频率、周期、脉宽、频率比、相位差、占空比各参数的测量；
c、通过△t1和△t2提取电路将通过ELC逻辑控制电路同步和处理后的信号，经过逻辑控制，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2；
d、将△t1和△t2的脉冲信号送入积分-采样电路，利用恒流源电路将积分电容充电至稳定状态，在△t1和△t2的脉冲信号到来时，通过积分-采样电路准确控制积分电容通过恒流源电路放电△t1和△t2的时长，通过ADC转换电路测量积分电容上的剩余电量得到对应△t1和△t2时长的放电电量；
e、设定内部使用某一特定频率时钟的周期为T0，通过ECL逻辑控制电路及△t1和△t2提取电路，控制其产生内部时钟为一倍T0和两倍T0脉冲宽度的标准脉冲，同时将这两个标准脉冲送入积分-采样电路及后续电路，通过ADC转换电路采集到对应的两个数字电压量；
f、利用单片机控制电路控制恒流源电路的增益，确保积分电容工作在其线性区域内，以保证△t1、△t2、一倍T0、两倍T0所对应的数字电压量存在线性比例关系，利用单片机控制电路计算得到△t1和△t2时长的对应时间量；
g、ECL逻辑控制电路处理产生的粗计数闸门时间送入FPGA电路，在FPGA内部设计实现被测信号和时钟信号同时填充粗计数闸门，利用FPGA电路中的计数器同时记录填充的被测信号和时钟信号的个数；
h、利用单片机控制电路采集最终的数字电压量和FPGA电路中的逻辑控制电路记录的二进制个数，计算得到精确的被测时间参量。
在单片机控制电路的单片机中加入了系统统计校准与每次测量小校准相结合的校准方法。
所述系统统计校准包括对两路通道电路进行的一致化校准、器件非线性校准、温度漂移校准、失调电压电流校准和系统触发误差校准。
把时间转化为数字电压量是本发明的核心，在系统被触发之前，开关管处于截至状态，精密积分电容通过电流源电路充电，使积分电容两端保持一个固定的电压。逻辑门输出的时间间隔脉冲Start-to-Clock的前沿到来时，逻辑门导通，积分电容与电流源电路接通，开始以恒定的电流放电；当时间间隔脉冲Start-to-Clock的后沿到来时，逻辑门重新处于截止状态，积分电容放电结束，此时积分电容上的电压与时间间隔脉冲的宽度有简单的线性关系。
在上述放电过程结束后，积分电容的电压经过缓冲放大和采样保持，保持在上一段时间，送到ADC转换电路进行转换，转换结果由单片机控制电路读取，并进行数值计算，即可得到高分辨率的时间间隔的值。当采用80MHz的时钟作为参考信号时，每两个时钟脉冲的间隔是12.5ns。由于ADC转换电路中的AD变换器是12位的，共有4096 bit，实现具体电路时，12.5ns的时间间隔变化占用4096 bit中的2/3，即2730 bit，这就意味着此时间－数字变换器的理论分辨率为12.5000ns/2730 ≈ 5ps/bit。
采用高速16位微处理器，控制全温度范围无失码的12位逐次逼近型CMOS的A/D变换器，将时间量通过电路转化为的模拟电压量采样过来，变化为数字编码量。结合时间-电压-数字编码量之间的对应关系，即可得到准确的时间值。
在这个过程中，需要通过软件控制对两路通道进行一致化校准、器件非线性校准、温度漂移校准、失调电压电流校准、系统触发误差校准等，通过统计运算，设计各系统参量的校准方法，对系统统计校准，最终得以实现稳定的、准确的ps级时间频率的测量。
本发明时间频率测量方法实现了极短时间量到数字电压量再到数字时间量的转换，通过在单片机中加入系统统计校准和每次测量小校准相结合的校准方法，确保整个系统在不同环境中准确、稳定的工作。系统统计校准主要对各分立元器件、众多不同变化参量对系统总的整体影响，而不是对每一元器件分别校准，简化了设计流程，通过采集在不同工作状态下的系统参数，实现系统统计校准。与此同时，在每一次的测量中加入小校准，避免了器件、环境等的实时因素对测量的影响。两者相辅相成，确保了最终ps级测量结果的实现。
本发明时间频率测量方法结合多周期同步与模拟内插的测量方法，创造出更便于实现、更加简洁、测量精度更高的数字化方法，对高精度的时间频率测量具有积极地推动作用。相对于传统测试方法，对硬件的要求大幅降低，更便于通用性的设计。
附图说明
图1是本发明时间频率测量电路的电路结构框图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明时间频率测量电路包括电路通道、ECL逻辑控制电路、△t1和△t2提取电路、积分-采样电路、ADC转换电路、积分电容、恒流源电路、FPGA电路、单片机控制电路以及键盘和显示电路等部分。
其中，电路通道包括第一电路通道和第二电路通道，两个电路通路的输入端分别连接被测信号，两个电路通路的输出端分别与ECL逻辑控制电路相接；所述电路通道用于对被测信号进行阻抗耦合、交直流耦合、滤波、衰减、放大及整形的预处理。
ECL逻辑控制电路的输入端分别与第一电路通道和第二电路通道相接，ECL逻辑控制电路的输出端分别与FPGA电路、△t1和△t2提取电路相接。ECL逻辑控制电路用于对经预处理后的信号的ECL电平进行逻辑控制和信号同步，并与FPGA电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量。
△t1和△t2提取电路的输入端与ECL逻辑控制电路相接，△t1和△t2提取电路的输出端与积分-采样电路相接。△t1和△t2提取电路用于触发信号边沿，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2。
积分-采样电路的输入端分别与ECL逻辑控制电路、△t1和△t2提取电路相接，积分-采样电路的输出端分别与ADC转换电路和充积分电容相接。积分-采样电路用于在△t1和△t2的脉冲信号到来时，控制积分电容通过恒流源放电△t1和△t2的时长。
ADC转换电路的输入端与积分-采样电路相接，ADC转换电路的输入/输出端与单片机控制电路相接。ADC转换电路用于测量积分电容对应△t1和△t2时长的放电电量，并将使用某一特定频率时钟周期的一倍T0和两倍T0的标准脉冲对应转换为数字电压量。
恒流源电路的输出端与积分电容相接，一方面对积分电容进行充电，另一方面控制积分电容进行△t1和△t2时长的放电。
FPGA电路是在FPGA芯片中设计包含有同步电路、计数器和逻辑控制电路。所述FPGA电路分别与ECL逻辑控制电路和单片机控制电路相接，用于与ECL逻辑控制电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量。
单片机控制电路分别与FPGA电路、ADC转换电路、键盘和显示电路相接，用于控制恒流源电路的增益，计算△t1和△t2时长的对应时间量，采集最终的数字电压量并计算得到精确的被测时间参量。在单片机中设置有系统统计校准与每次测量小校准处理软件。
键盘和显示电路与单片机控制电路相接，用于实现人机交互，以设定系统功能和参数，并显示测量结果。
实施例2：
参考图1所示，本发明时间频率测量方法包括以下步骤：
1、被测信号进入第一通道电路和第二通道电路，这两个通道电路在理论上是完全一致的，在两个通道电路中进行阻抗匹配、交直流耦合、衰减、滤波及放大整形等处理，使处理好的信号成为ECL电平信号。
2、经过通道电路处理的ECL电平信号进入ECL逻辑电路，并与ECL逻辑电路中的闸门电路所产生的闸门信号进行同步处理，并对其进行时间、频率、周期、脉宽、频率比、相位差、占空比各参数的测量。因为ECL逻辑电路传输延迟小，抗干扰能力强，工作速度高，可很好保证后续测量功能实现的准确性和可靠性，所以在此选择ECL逻辑电路处理相关逻辑功能。
3、通过△t1和△t2提取电路将通过ELC逻辑控制电路同步和处理后的信号，经过逻辑控制，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2。
4、将△t1和△t2的脉冲信号送入积分-采样电路，利用恒流源电路将积分电容充电至稳定状态，在△t1和△t2的脉冲信号到来时，通过积分-采样电路准确控制积分电容通过恒流源电路放电△t1和△t2的时长，通过ADC转换电路测量积分电容上的剩余电量即可得到对应△t1和△t2时长的放电电量。
5、设定内部使用90MHz时钟的周期为T0，通过ECL逻辑控制电路及△t1和△t2提取电路，控制其产生内部时钟的一倍T0和两倍T0脉冲宽度的标准脉冲，同时将这两个标准脉冲送入积分-采样电路及后续电路，通过ADC转换电路采集到对应的两个数字电压量。
6、利用单片机控制电路控制恒流源电路的增益，确保积分电容工作在其线性区域内，进而保证△t1、△t2、一倍T0、两倍T0所对应的数字电压量存在线性比例关系，利用单片机控制电路中的16位单片机即可计算得到△t1和△t2时长的对应时间量，实现了极短时间量到数字电压量再到数字时间量的转换。
7、ECL逻辑控制电路处理产生的粗计数闸门时间送入FPGA电路，在FPGA内部设计实现被测信号和时钟信号同时填充粗计数闸门，利用FPGA电路中的计数器同时记录填充的被测信号和时钟信号的个数；
8、利用单片机控制电路采集最终的数字电压量和FPGA电路中的逻辑控制电路记录的二进制个数，由单片机计算得到精确的被测时间参量。
在测量中，所有构成整个测量系统的元器件均会存在温漂、离散性、电压失调、外部和自身干扰、通道不一致、线性器件非线性等问题，这些都会影响最终测量结果的精确性和稳定性。
所以，在单片机控制电路的单片机中加入了系统统计校准和每次测量小校准相结合的软件校准方法，以确保整个系统在不同环境中准确、稳定的工作。系统统计校准主要对各分立元器件、众多不同变化参量对系统总的整体影响，而不是对每一元器件分别校准，通过采集在不同工作状态下的系统参数，实现系统统计校准。与此同时，在每一次的测量中加入小校准，避免了器件、环境等的实时因素对测量的影响。两者相辅相成，确保了最终ps级测量结果的实现。

Claims (4)

1.一种ps级的时间频率测量电路，其特征是，包括有：
电路通道，包括第一电路通道和第二电路通道，两个电路通路分别与ECL逻辑控制电路相接，用于对被测信号进行阻抗耦合、交直流耦合、滤波、衰减、放大及整形的预处理；
ECL逻辑控制电路，分别与第一电路通道、第二电路通道、FPGA电路以及△t1和△t2提取电路相接，用于对经预处理后的信号的ECL电平进行逻辑控制和信号同步，并与FPGA电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量；
△t1和△t2提取电路，分别与ECL逻辑控制电路和积分-采样电路相接，用于触发信号边沿，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2；
积分-采样电路，分别与ECL逻辑控制电路、△t1和△t2提取电路、ADC转换电路和充积分电容相接，用于在△t1和△t2的脉冲信号到来时，控制积分电容通过恒流源放电△t1和△t2的时长；
ADC转换电路，分别与积分-采样电路和单片机控制电路相接，用于测量积分电容对应△t1和△t2时长的放电电量，并将使用某一特定频率时钟周期的一倍T0和两倍T0的标准脉冲对应转换为数字电压量；
积分电容，分别与积分-采样电路和恒流源电路相接，用于在恒流源电路的控制下进行△t1和△t2时长的放电；
恒流源电路，与积分电容相接，用于对积分电容进行充电，并控制积分电容进行△t1和△t2时长的放电；
FPGA电路，在FPGA芯片中设计包含有同步电路、计数器和逻辑控制电路；所述FPGA电路分别与ECL逻辑控制电路和单片机控制电路相接，用于与ECL逻辑控制电路配合，对经预处理后的信号的频率、周期、时间间隔、正/负脉冲宽度、相位差、占空比、累加计数、上升沿和下降沿进行测量；
单片机控制电路，分别与FPGA电路、ADC转换电路、键盘和显示电路相接，用于控制恒流源电路的增益，计算△t1和△t2时长的对应时间量，采集最终的数字电压量并计算得到精确的被测时间参量；以及
键盘和显示电路，与单片机控制电路相接，用于实现人机交互，以设定系统功能和参数，并显示测量结果。
2.一种ps级的时间频率测量方法，其特征是，包括以下步骤：
a、被测信号进入第一通道电路和第二通道电路，在两个通道电路中进行阻抗匹配、交直流耦合、衰减、滤波及放大整形，处理成ECL电平信号；
b、经过通道电路处理的ECL电平信号进入ECL逻辑电路，并与ECL逻辑电路中的闸门电路所产生的闸门信号进行同步处理，并对其进行时间、频率、周期、脉宽、频率比、相位差、占空比各参数的测量；
c、通过△t1和△t2提取电路将通过ELC逻辑控制电路同步和处理后的信号，经过逻辑控制，提取出信号内部的某一特定频率的时钟信号与同步处理后的闸门前沿的时间差信号△t1以及该时钟信号与闸门后沿的时间差信号△t2；
d、将△t1和△t2的脉冲信号送入积分-采样电路，利用恒流源电路将积分电容充电至稳定状态，在△t1和△t2的脉冲信号到来时，通过积分-采样电路准确控制积分电容通过恒流源电路放电△t1和△t2的时长，通过ADC转换电路测量积分电容上的剩余电量得到对应△t1和△t2时长的放电电量；
e、设定内部使用某一特定频率时钟的周期为T0，通过ECL逻辑控制电路及△t1和△t2提取电路，控制其产生内部时钟为一倍T0和两倍T0脉冲宽度的标准脉冲，同时将这两个标准脉冲送入积分-采样电路及后续电路，通过ADC转换电路采集到对应的两个数字电压量；
f、利用单片机控制电路控制恒流源电路的增益，确保积分电容工作在其线性区域内，以保证△t1、△t2、一倍T0、两倍T0所对应的数字电压量存在线性比例关系，利用单片机控制电路计算得到△t1和△t2时长的对应时间量；
g、ECL逻辑控制电路处理产生的粗计数闸门时间送入FPGA电路，在FPGA内部设计实现被测信号和时钟信号同时填充粗计数闸门，利用FPGA电路中的计数器同时记录填充的被测信号和时钟信号的个数；
h、利用单片机控制电路采集最终的数字电压量和FPGA电路中的逻辑控制电路记录的二进制个数，计算得到精确的被测时间参量。
3.根据权利要求2所述的ps级的时间频率测量方法，其特征是，在单片机控制电路的单片机中加入了系统统计校准与每次测量小校准相结合的校准方法。
4.根据权利要求3所述的ps级的时间频率测量方法，其特征是，所述系统统计校准包括对两路通道电路进行的一致化校准、器件非线性校准、温度漂移校准、失调电压电流校准和系统触发误差校准。
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