CN109100928A - 一种高精度脉冲时间间隔测量方法及电路 - Google Patents

一种高精度脉冲时间间隔测量方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种脉冲信号的时间间隔测量方法及电路。本发明利用限幅电路对两路脉冲信号限幅，由高频集成鉴相鉴频器比相得到相位差脉冲，经过电平转换后，由DSP判断、测算及误差校正，得到两路脉冲信号的时间间隔值送去显示。综合利用高速鉴相技术和DSP的快速运算与处理，实现对较宽频率范围内两路同频率输入脉冲信号时间间隔参数的准确测量。

Description

一种高精度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，具体涉及一种高精度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，本发明提供了一种基于集成鉴相鉴频器的电路简单、测量准确的高精度脉冲时间间隔测量方法及电路。
本发明的高精度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PECL集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V；b.将两路待测输入脉冲中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与限幅电路，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；c.所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到数字信号处理器DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到数字信号处理器DSP的另外一个GPIO引脚B；d.所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测脉冲信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两个输入脉冲信号的时间间隔初测值t1秒；e.输入两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准方波信号，按照所述步骤a～d的方法，测得两路标准脉冲信号的时间间隔值t0秒；所述DSP按下述公式计算出每秒时间间隔的测量误差值：Δt＝2t0×103-1；f.所述DSP按下述公式对t1进行误差修正：得到两路待测脉冲的准确时间间隔值t秒，并将测算的时间间隔结果输出到显示器显示。
本发明的高精度脉冲时间间隔测量方法，其特征在于：所述第一耦合与限幅电路和第二耦合与限幅电路完全相同；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
在集成鉴相鉴频器输入端设置两个结构与参数完全相同的限幅电路，目的是保证集成鉴相鉴频器的输入脉冲幅度符合PECL电平要求，同时确保集成鉴相鉴频器能准确比较两路输入脉冲信号的不同相位。
两路待测脉冲信号的相位关系可能是同相，也可能是输入1超前输入2，或者输入1滞后输入2。PECL集成鉴相鉴频器两个脉冲输入端R和V的相位关系直接反映两路待测脉冲信号的相位关系，PECL集成鉴相鉴频器的输出状态取决于两个脉冲输入端R和V的相位关系，如果R端输入脉冲超前于V端输入脉冲，则PECL集成鉴相鉴频器的U端输出PECL逻辑正脉冲、端输出PECL逻辑高电平；如果V端输入脉冲超前于R端输入脉冲，则PECL集成鉴相鉴频器的端输出PECL逻辑正脉冲、U端输出PECL逻辑低电平；如果R端输入脉冲与V端输入脉冲同相位，则PECL集成鉴相鉴频器的U端输出PECL逻辑低电平、端输出PECL逻辑高电平。U端或端输出的PECL逻辑正脉冲即是鉴相脉冲，其脉冲宽度与两路输入脉冲信号的时间间隔相等。
两个电平转换器的作用是将PECL逻辑电平转换成TTL/CMOS逻辑电平，将PECL集成鉴相鉴频器输出的PECL逻辑脉冲信号和高、低电平转换成DSP可以直接识别的TTL/CMOS逻辑脉冲信号或高、低电平。
输入到DSP两个GPIO引脚A、B的信号Vo1、Vo2共有三种情况：(1)Vo1为正向脉冲、Vo2为高电平；(2)Vo2为正向脉冲、Vo1为低电平；(3)Vo1为低电平、Vo2为高电平。这三种情况分别与两路待测输入脉冲信号的以下相位关系相对应：(1)输入1超前输入2；(2)输入2超前输入1；(3)输入1与输入2同相。DSP首先根据两个GPIO引脚A、B中某一个引脚的输入固定电平来判断哪一路待测输入脉冲相位超前，然后利用定时器测量另外一个GPIO引脚输入的TTL/CMOS鉴相脉冲，在鉴相脉冲上升沿来到时，将定时器打开；在紧随其后的鉴相脉冲下降沿来到时关闭定时器，读取并保存定时器的值t1；t1秒就是两路待测脉冲信号的时间间隔初测值。
用函数信号发生器产生两路频率为1kHz、相位差是π(即脉冲时间间隔为0.5ms)的标准方波信号作为待测信号输入，按照前述方法，可以测得两路标准脉冲信号的时间间隔值t0秒。则每秒时间间隔对应的测量误差值如公式(1)所示：
Δt＝2t0×103-1 (1)
两路待测脉冲的准确时间间隔值t就可以用公式(2)进行误差修正：
DSP通过公式(1)、公式(2)，计算得到两路待测脉冲的准确时间间隔值t秒。
为保证测量精度，测量过程可进行n次，最终的结果取n次测量的平均值。
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、测量准确的高精度脉冲时间间隔测量电路。
本发明的高精度脉冲时间间隔测量电路，包括：输入1端子，输入2端子，第一耦合与限幅电路，第二耦合与限幅电路，PECL集成鉴相鉴频器，第一电平转换电路，第二电平转换电路，数字信号处理器DSP，显示器；其特征在于：两路待测输入脉冲信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到DSP的另外一个GPIO引脚B；所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测脉冲信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两个输入脉冲信号的时间间隔初测值t1秒；然后对两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准方波信号进行测量，得到每秒时间间隔的测量误差值，由所述DSP根据每秒时间间隔的测量误差值进行误差修正，得到两路待测脉冲的准确时间间隔值t秒，并将测算的时间间隔结果输出到显示器显示。
本发明的高精度脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述第一耦合与限幅电路和第二耦合与限幅电路完全相同；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
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，通过限幅电路作用，利用PECL集成鉴频鉴相器的鉴相功能，经由电平转换电路，由DSP初测和误差校正，完成对两路同频率脉冲信号的时间间隔测量，测量精度高，可测信号频率高，电路较为简单。
附图说明
图1为本发明的原理框图；图2为本发明的部分电路图，含第一耦合与限幅电路、第二耦合与限幅电路、PECL集成鉴相鉴频器MC12040、第一电平转换电路、第二电平转换电路；图3是本发明的鉴相鉴频器工作波形图。
图2中：1第一耦合与限幅电路，2第二耦合与限幅电路，3第一电平转换电路，4第二电平转换电路。
具体实施方式
结合附图，本发明的高精度脉冲时间间隔测量方法，按照以下步骤进行：
a.选取一个PECL集成鉴相鉴频器MC12040，其两个脉冲输入端分别为R、V。
b.将两路待测输入脉冲信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与限幅电路后，输入到鉴相鉴频器MC12040的输入端R。待测输入脉冲中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与限幅电路后，输入到到MC12040的输入端V。
c.PECL集成鉴相鉴频器MC12040的输出端U接到第一电平转换电路TLV3501的同相输入端，TLV3501的反相输入端接由电阻分压得到的+3.6V电平，TLV3501的输出端5脚电压Vo1接到数字信号处理器TMS320F2811的一个GPIO引脚A。MC12040的输出端接到第二电平转换电路TLV3501的同相输入端，该TLV3501的反相输入端也接由电阻分压得到的+3.6V电平，该TLV3501的输出端5脚电压Vo2连接到TMS320F2811的另外一个GPIO引脚B。
d.TMS320F2811根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测脉冲信号的超前、滞后或同相的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入脉冲信号的时间间隔初测值t1秒。
e.利用函数信号发生器产生两路已知频率为1kHz的标准方波信号，方波信号1的相位超前方波信号2的相位π弧度。将方波信号1从输入1端子引入，方波信号2从输入2端子引入，按照前述步骤a～d的方法，测得两路标准脉冲信号的时间间隔值t0秒；由TMS320F2811按公式(1)计算出每秒时间间隔对应的测量误差值。
f.TMS320F2811按公式(2)对t1进行误差修正，得到两路待测脉冲信号的准确时间间隔值t秒，并将测算的时间间隔值输出到显示器显示。
电平转换电路采用高速比较器TLV3501及其外围电阻构成，两个电路结构及参数完全相同，分别将集成鉴相鉴频器U端和端的PECL逻辑电平信号转换成TTL/CMOS逻辑电平信号输出。这种TTL/CMOS逻辑电平信号输入到DSP的GPIO端子，才能确保DSP正确判断输入信号的电平高低，正确区分脉冲上升沿、下降沿。
如附图所示，给出了本发明的高精度脉冲时间间隔测量电路，其包括：输入1端子、输入2端子、第一耦合与限幅电路(1)、第二耦合与限幅电路(2)、PECL集成鉴相鉴频器MC12040、第一电平转换电路(3)、第二电平转换电路(4)、数字信号处理器TMS320F2811、显示器以及必要的+5V工作电源。
集成鉴相鉴频器MC12040实际有四个输出端子U、D、根据需要只使用U、两个输出端。MC12040对R、V两个输入脉冲的前沿进行比相，从MC12040的U端和端输出鉴相脉冲或固定电平信号，该鉴相脉冲能准确反映两个待测输入脉冲之间的相位关系，其工作波形如附图3所示。如果MC12040输入端R的脉冲相位超前输入端V的脉冲相位，则U端输出PECL逻辑正向脉冲，端输出PECL逻辑高电平；如果MC12040输入端R的脉冲相位滞后输入端V的脉冲相位，则U端输出PECL逻辑低电平，端输出PECL逻辑正向脉冲；当MC12040输入端R的脉冲与输入端V的脉冲相位相同时，其输出U端为PECL逻辑低电平，端为PECL逻辑高电平。
如附图2所示，电平转换电路采用高速比较器TLV3501及其外围电阻构成，两个电路结构及参数完全相同，分别将U端和端的PECL逻辑电平信号转换成TTL/CMOS逻辑电平信号输出。这种TTL/CMOS逻辑电平信号输入到DSP的GPIO端子，才能确保DSP正确判断输入脉冲的电平高低以及脉冲上升沿、下降沿。
MC12040的输出端U经过第一电平转换电路后连接到数字信号处理器TMS320F2811的GPIO其中一个引脚(设为A脚)，MC12040的输出端经过第二电平转换电路后连接到数字信号处理器TMS320F2811的另外一个GPIO引脚(设为B脚)，TMS320F2811将两个GPIO引脚A、B都配置为输入引脚。
TMS320F2811分三步进行脉冲时间间隔测算：第一步，定性判断；第二步，定量初测算；第三部，误差修正。
第一步，定性判断。TMS320F2811根据两个GPIO输入引脚的信号性质，定性判断出两路待测脉冲信号的超前、滞后或同相的相位关系。具体是：如果A脚是低电平、B脚是高电平，则判定两路待测输入脉冲信号同相位，即相位差为零；如果A脚是低电平，B脚是电平变化的脉冲信号，则判定从输入1端子引入的待测脉冲信号相位滞后从输入2端子引入的脉冲信号相位；如果B脚是高电平，A脚是电平变化的脉冲信号，则判定从输入1端子引入的待测脉冲信号相位超前从输入2端子引入的脉冲信号相位。TMS320F2811将这种相位关系存储下来。
第二步，定量初测算。TMS320F2811利用定时器功能对A脚或B脚输入的正向鉴相脉冲进行测算。当GPIO引脚输入的正向鉴相脉冲上升沿来到时，将定时器打开；在紧随其后的脉冲下降沿来到时关闭定时器，读取并存储定时器的值t1秒。其工作过程如附图3所示。则初测的两路待测脉冲信号的时间间隔值就是t1秒。
第三步，误差修正。利用函数信号发生器产生两路已知频率为1kHz的标准方波信号，方波信号1的相位超前方波信号2的相位π弧度。将方波信号1从输入1端子引入，方波信号2从输入2端子引入，按照前述定性判断和定量初测算的方法，测得两路标准脉冲信号的时间间隔值t0秒。然后，由TMS320F2811按公式(1)、公式(2)对t1进行误差修正，得到两路待测脉冲信号的准确时间间隔值t秒。
为保证测量精度，整个测量过程可进行n次，最终的结果取n次测量的平均值。TMS320F2811将最终的测量结果送去显示器直观显示出来。
为提高电路的工作频率，DSP选用TMS320F2811，TMS320F281x系列DSP的最高主频为150MHz，这样，整个测量电路的工作频率上限就取决于鉴相鉴频器MC12040的工作频率，最高可达80MHz。
本实施例中，设置有两个完全相同的耦合与限幅电路，其作用在于保证集成鉴相鉴频器的输入脉冲幅度符合PECL电平要求，同时确保集成鉴相鉴频器能准确比较两路输入脉冲信号的不同相位。两路耦合与限幅电路完全相同，电阻R1、R2取合适的值使得图2耦合与限幅电路中A、B两点静态电位都是+3.8V，以满足鉴相鉴频器MC12040的输入脉冲幅度符合PECL电平要求，保证MC12040准确比较两路输入脉冲的不同相位。

Claims (4)

1.一种高精度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PECL集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V；
b.将两路待测输入脉冲中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与限幅电路，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；
c.所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到数字信号处理器DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到数字信号处理器DSP的另外一个GPIO引脚B；
d.所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测脉冲信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两个输入脉冲信号的时间间隔初测值t1秒；
e.输入两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准方波信号，按照所述步骤a～d的方法，测得两路标准脉冲信号的时间间隔值t0秒；所述DSP按下述公式计算出每秒时间间隔的测量误差值：Δt＝2t0×103-1；
f.所述DSP按下述公式对t1进行误差修正：得到两路待测脉冲的准确时间间隔值t秒，并将测算的时间间隔结果输出到显示器显示。
2.根据权利要求1所述的高精度脉冲时间间隔测量方法，其特征在于：所述第一耦合与限幅电路和第二耦合与限幅电路完全相同；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
3.高精度脉冲时间间隔测量电路，包括：输入1端子，输入2端子，第一耦合与限幅电路，第二耦合与限幅电路，PECL集成鉴相鉴频器，第一电平转换电路，第二电平转换电路，数字信号处理器DSP，显示器；其特征在于：两路待测输入脉冲信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入脉冲信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与限幅电路后，输入到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到DSP的另外一个GPIO引脚B；所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测脉冲信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两个输入脉冲信号的时间间隔初测值t1秒；然后对两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准方波信号进行测量，得到每秒时间间隔的测量误差值，由所述DSP根据每秒时间间隔的测量误差值进行误差修正，得到两路待测脉冲的准确时间间隔值t秒，并将测算的时间间隔结果输出到显示器显示。
4.根据权利要求3所述的高精度脉冲时间间隔测量电路，其特征在于：所述第一耦合与限幅电路和第二耦合与限幅电路完全相同；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
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