CN109613815A - 一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，该装置包括设置于2U结构标准机箱内并电连接的延迟线、锁相晶振、第一数据选择器、电压调整单元、第一脉冲分配单元、第二脉冲分配单元、第二数据选择器、声表面波滤波器、模数转换器、逻辑器件单元、显示器、电源及浮点处理器，所述2U结构标准机箱还包括第一BNC接口、第二BNC接口、第三BNC接口和RS232串口。本发明中通过信号采样和重构原理，利用较低的系统采样率即可获得非常高的时间间隔测量精度，大大降低了系统功耗，减少了两待测信号传输路径硬件单元数量，有效降低时间间隔测量装置测量精度的不确定性，弥补了传统时间间隔测量装置在路径延时一致性较弱和功耗高的两大缺陷。

Description

一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置

技术领域

本发明涉及时间间隔测量方法。更具体地，涉及一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置。

背景技术

时间间隔测量技术主要用于精确表征两个发生事件之间的时间间隔，是时间计量、测试领域的重要研究问题之一，已广泛应用于现代科学技术等多个领域，包括精密时间频率传递、雷达、无线电导航定位、通信、激光测距、光子物理等。

时间间隔测量装置是现代科学技术领域的最基本测量设备之一，一般将两个事件转换为方便处理的两个电脉冲信号，通过逻辑门或者模拟电路等对两个电脉冲信号进行特定处理后得到两个电脉冲之间的时间差。不同系统对时间间隔测量装置的精度需求不同，可以覆盖从几十纳秒到几皮秒量级范围。皮秒级的时间间隔计数器是评估国家国防力量的重要标志之一，也是国家重点发展的技术之一。

传统国内外时间间隔测量都是通过电路对输入的脉冲信号进行直接延迟、锁存和变换等处理，若要达到很高的系统测量精度将导致系统电路复杂度和功耗等极具升高。硬件路径延迟一致性是时间间隔测量精度其中一个关键瓶颈技术，系统信号路径包含的硬件环节越复杂导致系统时间间隔测量不确定性越高。因此尽可能减少时间间隔测量装置硬件路径环节，才能将时间间隔测量装置的测量精度不确定性和功耗降到最低。

因此，需要一种能够保证测量精度，同时降低测量不确定性的时间间隔测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，利用声表面波器件作为时间内插器，对时间进行拉伸，将两待测电脉冲持续时间极短的陡峭上升沿拉伸变换为持续时间较长便于测量的信号，使得在时间间隔测量过程中可以获得更多的测量原始观测量，通过平均的效果，时间间隔的测量误差被大大降低，可以获得比常用的时间间隔测量方法更高的测量精度。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，该装置包括设置于2U结构标准机箱内的延迟线、锁相晶振、第一数据选择器、电压调整单元、第一脉冲分配单元、第二脉冲分配单元、第二数据选择器、声表面波滤波器、模数转换器、逻辑器件单元、显示器、电源及浮点处理器，2U结构标准机箱还包括第一BNC接口、第二BNC接口、第三BNC接口和RS232串口，其中该装置具有以下连接关系：

第一BNC接口与锁相晶振的输入端电连接，锁相晶振的输出端与数模转换器的第一输入端及逻辑器件单元的第一输入端电连接；

数模转换器的输出端与浮点处理器的第一输入端电连接，

第二BNC接口通过控制选择开关选择与第一数据选择的第一输入端直接电连接或经过延迟线与数据选择器的第二输入端电连接，数据选择器的输出端与电压调整单元的第一输入端电连接；

第三BNC接口与电压调整单元的第二输入端电连接，电压调整单元的第一输出端与第一脉冲分配单元的输入端电连接，电压调整单元的第二输出端与第二脉冲分配单元的输入端电连接；

第一脉冲分配单元的第一输出端与第二数据选择器的第一输入端电连接，第一脉冲分配单元的第二输出端与逻辑器件单元的第二输入端电连接；

第二脉冲分配单元的第一输出端与第二数据选择器的第二输入端电连接，第二脉冲分配单元的第二输出端与逻辑器件单元的第三输入端电连接；

第二数据选择器的输出端与声表面波滤波器的输入端电连接；

声表面波滤波器的输出端与数模转换器的第二输入端电连接；

数模转换器的输出端与浮点处理器的第一输入端电连接；

逻辑器件单元的第四输入端与显示器的输出端电连接，逻辑器件单元的第一输出端与控制开关电连接，逻辑器件单元的第二输出端与电压调整单元的第三输入端电连接，逻辑器件单元的第三输出端与浮点处理器的第二输入端电连接，逻辑器件单元的第四输出端与浮点处理器的第三输入端电连接；

浮点处理器的第一输出端与显示器的输入端电连接，浮点处理器的第二输出端与RS232串口电连接；及

电源模块为时间间隔测量装置供电。

优选地，逻辑器件单元进一步包括延迟线选择模块、触发电平设置模块和粗计算模块，其中：

延迟线选择模块的第一输入端作为逻辑器件单元的第二输入端与第一脉冲分配单元的第二输出端电连接，延迟线选择模块的第二输入端作为逻辑器件单元的第三输入端与第二脉冲分配单元的第二输出端电连接，延迟线选择模块的第一输出端作为逻辑器件单元的第一输出端与控制选择开关电连接，延迟线选择模块的第二输出端与粗计算模块的输入端电连接，延迟线选择模块的第三输出端作为逻辑器件单元的第四输出端与浮点处理器的第三输入端电连接；

触发电平设置模块的输入端作为逻辑器件单元的第四输入端与显示器的输出端电连接，触发电平设置模块的输出端作为逻辑器件单元的第二输出端与电压调整单元的第三输入端电连接；及

粗计算模块的输出端作为逻辑器件单元的第三输出端与浮点处理单元的第二输入端电连接。

优选地，浮点处理器进一步包括相关运算模块和串口模块，其中：

相关运算模块的第一输入端作为浮点处理器的第一输入端与数模转换器的输出端电连接，相关运算模块的输出端与浮点处理器的第二输入端及浮点处理器的第三输入端电连接至一点后与串口模块的输入端电连接；及

串口模块的输出端作为浮点处理器的第二输出端与RS232串口电连接。

优选地，第一BNC接口与第一通道脉冲电连接，第一通道脉冲用于第一待测脉冲信号。

进一步优选地，第二BNC接口与第二通道脉冲电连接，第二通道脉冲用于第二待测脉冲信号。

进一步优选地，第三BNC接口为外部输入信号，外部输入信号频率大于时间间隔测量装置内部信号频率。

进一步优选地，外部输入信号频率为10MHz。

优选地，电源采用开关电源，开关电源的输入为220V/50Hz的交流电，其醉倒输出功率为5W，用于提供+5V的直流电压输出。

优选地，声表面波滤波器的中心频率为525MHz，其3dB带宽为10MHz。

优选地，该时间间隔测量装置中采样时钟的采样频率为70.07Hz。

本发明的有益效果如下：

本发明中一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，通过信号采样和重构原理，利用较低的系统采样率即可获得非常高的时间间隔测量精度，大大降低了系统功耗；同时本发明的装置将时间间隔测量压力转移到软件处理，因此减少了两待测信号传输路径硬件单元数量，有效降低时间间隔测量装置测量精度的不确定性。弥补了传统时间间隔测量装置在路径延时一致性较弱和功耗高的两大缺陷。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，该装置包括设置于2U结构标准机箱内的延迟线、锁相晶振、第一数据选择器、电压调整单元、第一脉冲分配单元、第二脉冲分配单元、第二数据选择器、声表面波滤波器、模数转换器、逻辑器件单元、显示器、电源及浮点处理器，2U结构标准机箱还包括第一BNC接口、第二BNC接口、第三BNC接口和RS232串口，其中该装置具有以下连接关系：

第一BNC接口与锁相晶振的输入端电连接，锁相晶振的输出端与数模转换器的第一输入端及逻辑器件单元的第一输入端电连接；数模转换器的输出端与浮点处理器的第一输入端电连接；第二BNC接口通过控制选择开关选择与第一数据选择的第一输入端直接电连接或经过延迟线与数据选择器的第二输入端电连接，数据选择器的输出端与电压调整单元的第一输入端电连接；第三BNC接口与电压调整单元的第二输入端电连接，电压调整单元的第一输出端与第一脉冲分配单元的输入端电连接，电压调整单元的第二输出端与第二脉冲分配单元的输入端电连接；第一脉冲分配单元的第一输出端与第二数据选择器的第一输入端电连接，第一脉冲分配单元的第二输出端与逻辑器件单元的第二输入端电连接；第二脉冲分配单元的第一输出端与第二数据选择器的第二输入端电连接，第二脉冲分配单元的第二输出端与逻辑器件单元的第三输入端电连接；第二数据选择器的输出端与声表面波滤波器的输入端电连接；声表面波滤波器的输出端与数模转换器的第二输入端电连接；数模转换器的输出端与浮点处理器的第一输入端电连接；逻辑器件单元的第四输入端与显示器的输出端电连接，逻辑器件单元的第一输出端与控制开关电连接，逻辑器件单元的第二输出端与电压调整单元的第三输入端电连接，逻辑器件单元的第三输出端与浮点处理器的第二输入端电连接，逻辑器件单元的第四输出端与浮点处理器的第三输入端电连接；浮点处理器的第一输出端与显示器的输入端电连接，浮点处理器的第二输出端与RS232串口电连接；及电源模块为时间间隔测量装置供电。

本发明的时间间隔测量装置，利用声表面波器件作为时间内插器，对时间进行拉伸，将两待测电脉冲持续时间极短的陡峭上升沿拉伸变换为持续时间较长便于测量的信号，使得在时间间隔测量过程中可以获得更多的测量原始观测量，通过平均的效果，时间间隔的测量误差被大大降低，可以获得比常用的时间间隔测量方法更高的测量精度。

下面结合附图1对该时间间隔测量装置进行详细说明

本发明中，一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置硬件结构为一个2U结构的标准机箱，采用双面背板的插卡式设计，便于维护和功能扩展。该装置外部输入输出端口全部位于后面板，包括3个BNC接口和1个RS232串口。3个BNC接口为外部输入信号包括：10MHz-in，可以提供比内部频标更高的频率标准，比如铯(CS)原子钟，并使该装置工作同步于外频标；通道A-in，为待测脉冲信号1；通道B-in，为待测脉冲信号2。1个RS232串口为输出信号：DATA-out，为时间间隔测量。同时，装置前面板还包括一个2寸LCD触摸显示器。

本发明中，一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置包括：延迟线1、锁相晶振2、MUX3、电压调整4、脉冲分配5、脉冲分配6、MUX7、声表面滤波器8、ADC9、逻辑器件10(包括延迟线选择模块11、触发电平设置模块12和粗计算模块13)、显示器14、电源15、浮点处理器16(包括相关运算模块17和串口模块18)等。该装置的工作是在锁相晶振2(或外部10MHz输入)的触发下按照节拍进行的，延迟线1用于对通道信号进行固定延时，复用器MUX3用于延迟和非延迟两路信号的合成、电压调整4负责触发电平的设置，脉冲分配5和脉冲分配6负责两路脉冲信号的分配，复用器MUX7负责两路脉冲信号的合成，声表面滤波器负责两路脉冲信号的时间拉伸，ADC9负责两路脉冲信号的采样，延迟线选择模块11负责通道B延迟选择，触发电平模块12负责触发电平的输入，粗计算模块负责两脉冲粗略差值的计算，显示器14负责状态监视和触发电平输出，相关运算模块17负责两路信号相关运算并获得时间间隔，串口模块18负责时间间隔数据输出。

具体工作原理分析如下

电源15采用开关电源，输入为220V/50Hz的交流电，最大输出功率5W，提供+5V直流电压输出，为装置内部进行供电。将外部高精度频率源(氢铷铯原子钟钟)与10MHz参考输入连接，直到内部锁相晶振2与输入10MHz参考锁定；将待测两路脉冲分别接入通道A和通道B；触摸显示器14根据输入信号电平大小设置合适的触发电平；电压调整4通过设置的触发电平对两路信号进行脉冲整形，调整为电压幅度和持续时长完全一致的脉冲信号；脉冲分配5将通道A整形后的脉冲分为两路，一路输入到延迟线选择模块11，另一路输入到复用器MUX7；脉冲分配6将通道B整形后的脉冲分为两路，一路输入到延迟线选择模块11，另一路输入到复用器MUX7；延迟选择模块对两路整形脉冲进行粗略时间间隔测量，若两路时间间隔小于声表面滤波器8响应时长(元器件固有参数)，则控制延迟线选择开关，对通道B输入信号进行固定时长的延时，使得两路整形信号经过声表面滤波器8的脉冲响应在时域上错开而不重叠；复用器MUX7将整形后时域上不重叠的两路脉冲信号合成一路输入给声表面滤波器8；声表面滤波器8合成脉冲信号进行时间拉伸，将其拉伸为先后时间不重叠的两个百纳秒脉宽自相关特性极好的一路波形信号(其中声表面波滤波器中心频率为525MHz，3dB带宽为10Mhz)；ADC9将此一路波形信号进行70.07MHz进行采样输入给相关运算模块17，将采样数据分为前后两段，前一段作为通道A输入变换信号，后一段作为通道B输入变换信号，然后进行信号重构和相位估计，此得到精密时间间隔数值部分；最终时间间隔输出由相关模块17输出的精密时间间隔数值部分与粗计算模块13输出的粗值部分求和组成。最终这些信息全部通过串口输出并且由显示屏显示出来，进行人机交互。

本发明在两路脉冲信号传输路径所经过的硬件模块极少，只包括7个简易电子器件和模块，并且很容易实现两个路径的延迟一致性，降低了系统时间间隔测量不确定性；同时系统仅使用70.07MHz左右的采样时钟即可获得几个皮秒级时间间隔测量精度，极大的降低了系统功耗。

本发明中一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，通过信号采样和重构原理，利用较低的系统采样率即可获得非常高的时间间隔测量精度，大大降低了系统功耗；同时本发明的装置将时间间隔测量压力转移到软件处理，因此减少了两待测信号传输路径硬件单元数量，有效降低时间间隔测量装置测量精度的不确定性。弥补了传统时间间隔测量装置在路径延时一致性较弱和功耗高的两大缺陷。

应注意的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于时间拉伸的时间间隔测量装置，其特征在于，所述装置包括设置于2U结构标准机箱内的延迟线、锁相晶振、第一数据选择器、电压调整单元、第一脉冲分配单元、第二脉冲分配单元、第二数据选择器、声表面波滤波器、模数转换器、逻辑器件单元、显示器、电源及浮点处理器，所述2U结构标准机箱还包括第一BNC接口、第二BNC接口、第三BNC接口和RS232串口，其中所述装置具有以下连接关系：

所述第一BNC接口与所述锁相晶振的输入端电连接，所述锁相晶振的输出端与所述数模转换器的第一输入端及所述逻辑器件单元的第一输入端电连接；

所述数模转换器的输出端与所述浮点处理器的第一输入端电连接，

所述第二BNC接口通过控制选择开关选择与所述第一数据选择的第一输入端直接电连接或经过所述延迟线与所述数据选择器的第二输入端电连接，所述数据选择器的输出端与所述电压调整单元的第一输入端电连接；

所述第三BNC接口与所述电压调整单元的第二输入端电连接，所述电压调整单元的第一输出端与所述第一脉冲分配单元的输入端电连接，所述电压调整单元的第二输出端与所述第二脉冲分配单元的输入端电连接；

所述第一脉冲分配单元的第一输出端与所述第二数据选择器的第一输入端电连接，所述第一脉冲分配单元的第二输出端与所述逻辑器件单元的第二输入端电连接；

所述第二脉冲分配单元的第一输出端与所述第二数据选择器的第二输入端电连接，所述第二脉冲分配单元的第二输出端与所述逻辑器件单元的第三输入端电连接；

所述第二数据选择器的输出端与所述声表面波滤波器的输入端电连接；

所述声表面波滤波器的输出端与所述数模转换器的第二输入端电连接；

所述数模转换器的输出端与所述浮点处理器的第一输入端电连接；

所述逻辑器件单元的第四输入端与所述显示器的输出端电连接，所述逻辑器件单元的第一输出端与所述控制开关电连接，所述逻辑器件单元的第二输出端与所述电压调整单元的第三输入端电连接，所述逻辑器件单元的第三输出端与所述浮点处理器的第二输入端电连接，所述逻辑器件单元的第四输出端与所述浮点处理器的第三输入端电连接；

所述浮点处理器的第一输出端与所述显示器的输入端电连接，所述浮点处理器的第二输出端与所述RS232串口电连接；及

所述电源模块为所述时间间隔测量装置供电。

2.根据权利要求1所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述逻辑器件单元进一步包括延迟线选择模块、触发电平设置模块和粗计算模块，其中：

所述延迟线选择模块的第一输入端作为所述逻辑器件单元的第二输入端与所述第一脉冲分配单元的第二输出端电连接，所述延迟线选择模块的第二输入端作为所述逻辑器件单元的第三输入端与所述第二脉冲分配单元的第二输出端电连接，所述延迟线选择模块的第一输出端作为所述逻辑器件单元的第一输出端与所述控制选择开关电连接，所述延迟线选择模块的第二输出端与所述粗计算模块的输入端电连接，所述延迟线选择模块的第三输出端作为所述逻辑器件单元的第四输出端与所述浮点处理器的第三输入端电连接；

所述触发电平设置模块的输入端作为所述逻辑器件单元的第四输入端与所述显示器的输出端电连接，所述触发电平设置模块的输出端作为所述逻辑器件单元的第二输出端与所述电压调整单元的第三输入端电连接；及

所述粗计算模块的输出端作为所述逻辑器件单元的第三输出端与所述浮点处理单元的第二输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述浮点处理器进一步包括相关运算模块和串口模块，其中：

所述相关运算模块的第一输入端作为所述浮点处理器的第一输入端与所述数模转换器的输出端电连接，所述相关运算模块的输出端与所述浮点处理器的第二输入端及所述浮点处理器的第三输入端电连接至一点后与所述串口模块的输入端电连接；及

所述串口模块的输出端作为所述浮点处理器的第二输出端与所述RS232串口电连接。

4.根据权利要求1所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述第一BNC接口与第一通道脉冲电连接，所述第一通道脉冲用于第一待测脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述第二BNC接口与第二通道脉冲电连接，所述第二通道脉冲用于第二待测脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述第三BNC接口为外部输入信号，所述外部输入信号频率大于所述时间间隔测量装置内部信号频率。

7.根据权利要求6所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述外部输入信号频率为10MHz。

8.根据权利要求1所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述电源采用开关电源，所述开关电源的输入为220V/50Hz的交流电，其醉倒输出功率为5W，用于提供+5V的直流电压输出。

9.根据权利要求1所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述声表面波滤波器的中心频率为525MHz，其3dB带宽为10MHz。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的时间间隔测量装置，其特征在于，所述时间间隔测量装置中采样时钟的采样频率为70.07Hz。