CN111490785B - 一种数据采集系统的时延测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，公开了一种数据采集系统的时延测量装置及方法，时延测量装置包括：信号产生单元、电压比较单元、第一数据读取单元、第二数据读取单元、时间标记单元和数据处理单元；信号产生单元产生一个周期信号；电压比较单元根据周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；第一数据读取单元在时间标记单元的记时下获得脉冲信号对应的第一时间码T1；第二数据读取单元读取周期信号经过数据采集系统后输出的离散数据，并标记离散数据的时间信息；数据处理单元对第一时间码T1与离散数据的时间信息进行处理后获得所述数据采集系统的时间延迟信号。本发明不要求输出信号为连续值，可以测量离散输出的数据系统的输出输入间的时间间隔且精度高。

Description

一种数据采集系统的时延测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种数据采集系统的时延测量装置及方法。

背景技术

高精度ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)广泛应用于弱信号采集和测量系统中，由于ADC采集均存在一定的时间延迟，在一些重要的科学应用中，需要统一不同测量仪器采集到的数据的时间标签。因此需要统一的高精度时间参考，并且不同测量仪器所用ADC的采集时延需要精确测量，进而可以对数据的时间标签误差进行修正，最终使得数据的时间标签误差在需求范围内。举例如下：卫星重力测量是探测和研究全球重力场最有效的方法之一，地球重力场是通过测量同一轨道面上的两颗相距数百公里的低轨道卫星的间距和间距变化率而反演得出，该技术称为“低低卫卫跟踪”技术。

高精度静电加速度计是卫星重力测量的关键载荷之一，可以用来测量卫星受到的非保守力。在卫星重力测量中，重力场恢复的精度与大气模型的研究都对加速度计的性能和卫星间距的测量提出了一定的要求。在GRACE(低低卫卫跟踪卫星)系统中，其加速度计的分辨率达到

星间测距精度优于10μm，距离变化率测量精度优于1μm/s。微米级精度的星间测距的一个关键技术是，两颗卫星对载波相位的采样需保持同步。然而，由于双星不可能实现同源，时钟源总存在一定的噪声，测距信号在空间传播的过程中会受到电离层的延迟，硬件设备的信号处理与传输也会存在延迟，这些都会对数据的时间标签统一性产生影响。

因此，对系统中各环节引入的时标误差的精确测量是一个必须要解决的问题。高精度静电加速度计输出的数据用于修正非引力效应对卫星轨道的影响，为了保证数据的有效性加速度计输出数据的时间标签与其他类型数据的时间标签之间的误差必须要满足一定的要求。比如静电加速度计中的数据采集电路主要有ADC构成，ADC的等效位数在很大程度上决定了加速度计数据采集系统的分辨率水平，因此需要高精度的ADC。卫星重力测量中加速度计测量的信号频带在10^-4Hz～10^-1Hz范围。

现有技术中采用时间间隔测量仪测量某一系统的输出输入时间间隔，该仪器有两个独立的输入通道，可以设置触发沿和电平值，设置其中一通道输入开门信号，另一通道输入关门信号。开门信号打开信号闸门，关门信号关闭闸门，在此期间计数器开始计数，根据计数器累计的数值，计算出开门信号与关门信号之间的时间差。该测量方法具有较高的分辨率，测量不确定度达到0.026ns，但是该系统方案只能用于测量连续传输信号的网络，不能测量输出信号为离散的数字器件。ADC采集连续信号，输出是离散的数据值，因此无法采用该方案测量ADC的输出和输入之间的时间间隔。

基于以上条件的限制，所选用的ADC必须要具有高精度且适用于低频信号的测量。例如∑-Δ型ADC具有较高的精度，通常达24位以上，但转换速度较低，由采集引入的时延较大。时延在卫星重力测量中必须考虑。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种数据采集系统的时延测量装置及方法，旨在解决现有技术中使用时间间隔测量仪不能测量连续输入离散输出的数据采集系统的时间延迟大小。

本发明提供了一种数据采集系统的时延测量装置，包括：信号产生单元、电压比较单元、第一数据读取单元、第二数据读取单元、时间标记单元和数据处理单元；信号产生单元的输出端连接至电压比较单元的输入端和数据采集系统的输入端，用于产生一个周期信号；电压比较单元用于根据周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；时间标记单元的第一输出端与第一数据读取单元的控制端连接，第二输出端与第二数据读取单元的控制端连接，用于在同一时间系统下标记出第一数据读取单元和第二数据读取单元所读取数据的时间码；第一数据读取单元的输入端连接至所述比较单元的输出端，用于在时间标记单元的记时下获得所述脉冲信号对应的第一时间码T1；第二数据读取单元的输入端连接至所述数据采集系统的输出端，用于读取周期信号经过所述数据采集系统后输出的离散数据，并在时间标记单元的记时下获得所述离散数据的时间信息；数据处理单元的第一输入端连接至第一数据读取单元的输出端，第二输入端连接至第二数据读取单元的输出端，用于对第一时间码T1与离散数据的时间信息进行处理后获得数据采集系统的时间延迟信号。

更进一步地，数据处理单元包括：拟合单元和时延获取单元，拟合单元用于对所述离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2；时延获取单元用于将所述第一时间码T1和所述第二时间码T2进行比较后获得所述数据采集系统的时间延迟信号。

更进一步地，时延测量装置还包括：控制单元，连接至所述数据采集系统的控制端，用于提供数据采集系统工作时所需要的控制时序或其他必要的控制信号。

更进一步地，电压比较单元为电压比较器，用于将输入的周期信号转换为脉冲信号，产生脉冲的时刻对应输入周期信号过零的时刻。

更进一步地，时间标记单元为晶振，用于提供同一时间记录系统。

更进一步地，信号产生单元产生的所述周期信号的频率小于所述数据采集系统的测量频带。

本发明还提供了一种数据采集系统的时延测量方法，包括下述步骤：

S1：获得一个周期信号，并根据所述周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；

S2：通过给所述脉冲信号标记时间获得所述脉冲信号对应的第一时间码T1；

S3：获取所述周期信号经过待测数据采集系统后输出的离散数据，并通过给所述离散数据标记时间获得所述离散数据的时间信息；

S4：对所述离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2将所述第一时间码T1和所述第二时间码T2进行比较后获得所述数据采集系统的时间延迟信号。

更进一步地，周期信号的频率小于所述数据采集系统的测量频带。

更进一步地，根据公式(T1-T2)获得所述数据采集系统的时间延迟信号。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明通过信号产生单元产生一个周期信号，一方面该周期信号通过电压比较单元获取到电压过零点对应的脉冲信号，然后通过第一数据读取单元在高精度晶振的记时下得到对应脉冲信号上升沿或下降沿对应的时间码T1，其反映了输入信号过零点的时刻；另一方面该周期信号通过待测的数据采集系统后，通过第二数据读取单元得到周期信号对应的离散数据，同时在相同的高精度晶振的记时下记录每个离散数据的时间码。数据处理单元首先对第二数据读取单元得到的离散数据进行插值和拟合处理，进而得到该信号过零时的时间码T2，通过比较测量得到的输入周期信号的过零点时刻T1和经过待测采集系统后信号过零点的时刻T2，便可获得采集系统引入的时间延迟。该方法不要求输出信号为连续值，因此可以测量离散输出的数据系统的输出输入间的时间间隔，如果选取高精度的晶振作为时间标记单元，同时电压比较单元选取速度快的电压比较器，则电压比较单元和时间标定单元的误差基本可控制在ns量级，因此测量出的时延误差小，精度较高。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的数据采集系统的时延测量装置的原理框图。

图2是本发明第二实施例提供的数据采集系统的时延测量装置的原理框图。

图3是本发明提供的数据采集系统的时延测量方法的实现流程图。

图4是本发明实施例提供的一种数据采集系统的时延测量方法的实现流程图。

在本文中，相同的数字标记表示相同的物理含义，其中，1为时延测量装置，2为数据采集系统，11为信号产生单元，12为电压比较单元，13为第一数据读取单元，14为第二数据读取单元，15为时间标记单元，16为数据处理单元，17为控制单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种针对数据采集系统(如高精度ADC采集系统等)的时延进行测量的装置，现有技术中采用的时间间隔测量仪器无法对连续输入离散输出的系统进行时间延迟测试，而本发明通过特定的方式标记出输入信号某一幅值V的时间码，再对通过插值得出输出幅值为V时的时间码，因此不要求输出也是连续信号，只需要将两对应电压值处的时刻做差即可得出时延值。且计算较为简单，适用于数据采集系统时延的长期稳定性测试。

本发明提出的数据采集系统时延测量方案主要应用于采集低频信号、高精度测量的领域。高精度的数据采集系统，比如由∑-Δ型ADC构成的数据采集系统，但是该类型的数据采集系统常常会引入较大的时间延迟，通常为几十毫秒，有的达到上百毫秒。在精度要求较高的卫星重力测量中，对于加速度计输出数据的时间标签误差要求要小于0.1ms，因此由数据采集系统引入的时间延迟必须要进行测量，以便于在后续的处理中进行修正。本发明提出的测量方案及实验测试精度针对于低频信号精度要求较高的领域，不同于无线通讯等高频信号领域的时间延迟测量。

图1示出了本发明第一实施例提供的数据采集系统的时延测量装置的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

时延测量装置包括：信号产生单元11、电压比较单元12、第一数据读取单元13、第二数据读取单元14、时间标记单元15和数据处理单元16；信号产生单元11的输出端连接至电压比较单元12的输入端和数据采集系统2的输入端，用于产生一个周期信号；电压比较单元12用于根据周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；时间标记单元15的第一输出端与第一数据读取单元13的控制端连接，第二输出端与第二数据读取单元14的控制端连接，用于在同一时间系统下标记出第一数据读取单元和第二数据读取单元所读取数据的时间码；第一数据读取单元13的输入端连接至比较单元12的输出端，用于在时间标记单元15的记时下获得脉冲信号对应的第一时间码T1；第二数据读取单元14的输入端连接至数据采集系统2的输出端，用于读取周期信号经过数据采集系统后输出的离散数据，并在时间标记单元15的记时下获得离散数据的时间信息；数据处理单元16的第一输入端连接至第一数据读取单元的输出端，第二输入端连接至第二数据读取单元的输出端，用于对第一时间码T1与离散数据的时间信息进行处理后获得数据采集系统2的时间延迟信号。

在本发明第一实施例中，信号产生单元11可以产生高稳定性的周期信号，该周期信号的频率小于数据采集系统2的测量频带。具体地，信号产生单元11可以利用信号发生器、数字频率合成技术或者其他震荡器产生的正余弦信号，三角波信号或者其他有周期规律的缓变信号等。

在本发明第一实施例中，电压比较单元12用于实现将高稳定性的周期信号转换为脉冲信号，可以采用电压比较器来实现，具体可以采用各半导体公司生产的传播延迟在ns量级的高速电压比较器，如Analog Device公司的AD790型号的比较器；这些比较器属于高速比较器，其传播延迟在ns量级，失调电压在微伏量级。

在本发明第一实施例中，第一数据读取单元13和第二数据读取单元14可以采用FPGA、DSP或者单片机来实现，通过时序、接口连接及协议设计，其主要功能是获取到电压比较单元输出的脉冲电压信号，以及数据采集系统输出的离散数据。

在本发明第一实施例中，时间标记单元15可以对第一数据读取单元13和第二数据读取单元14中读取的数据的时间信息进行标记，具体地，可以采用高精度晶振实现，也可以采用原子钟、光钟等高精度时间基准系统实现。

在本发明第一实施例中，数据处理单元16包括：拟合单元和时延获取单元，拟合单元用于对离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2；时延获取单元用于将第一时间码T1和第二时间码T2进行比较后获得数据采集系统2的时间延迟信号。

图2示出了本发明第二实施例提供的数据采集系统的时延测量装置的原理框图，与图1所示的第一实施例相比，该时延测量装置在第一实施例的基础上还包括：控制单元17，当数据采集系统需要外部时序控制或者其他必要的控制信号时才需要增加控制单元17，控制单元17连接至数据采集系统2的控制端，用于提供数据采集系统工作时可能需要的控制时序或其他必要的控制信号。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的数据采集系统的时延测量装置，现详细描述其工作过程如下：首先设定信号产生单元11输出的周期信号的幅值和频率，该周期信号经过电压比较单元12后输出电压过零点对应的脉冲信号，第一数据读取单元13输出在时间标记单元15的记时下获得的与脉冲信号对应的时间码T_R，与此同时，第二数据读取单元14读取周期信号经过数据采集系统2后输出的离散数据，并在时间标记单元15的记时下获得离散数据的时间信息，数据处理单元16对离散数据的时间信息进行线性插值，获取与输入信号幅值为V时对应的时间码T_s，将每一周期内的T_R、T_s分别求平均值后可以获得单一频率下的实验数据。通过改变信号产生单元11的输出信号的幅值和频率，并重复上述操作，获得不同频率下测量得到的T_R、T_s的平均值。再通过联立频率f与T_R、T_s的平均值，即可解算出数据采集系统的时间延迟。

如图3所示，本发明还提供了一种数据采集系统的时延测量方法，包括下述步骤：

S1：获得一个周期信号，并根据所述周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；

S2：通过给脉冲信号标记时间获得脉冲信号对应的第一时间码T1；

S3：获取周期信号经过待测数据采集系统后输出的离散数据，并通过给离散数据标记时间获得离散数据的时间信息；

S4：对离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2将第一时间码T1和第二时间码T2进行比较后获得数据采集系统的时间延迟信号。

其中，在步骤S1中，周期信号的频率小于数据采集系统(2)的测量频率范围(即测量带宽)。且该周期信号可以为正、余弦信号，三角波信号、锯齿波信号等单频信号。可以采用单频周期信号便于降低数据处理单元对时延计算和获取的难度。

在本发明实施例中，待测的数据采集系统可以为高精度ADC采集系统，当周期信号经过数据采集系统后，模拟数据信号变成离散数据，其中离散数据的采样周期、数据精度等由数据采集系统自身特性决定，同时会引入时延，即本发明需要测量的量。

在步骤S4中，具体可以采用多项式拟合、理论解析表达式拟合或最小二乘法拟合等方法实现对离散数据信息的拟合。

在步骤S4中，可以根据公式(T1-T2)获得待测的数据采集系统的时间延迟信号；其精度主要取决于本方案中电压比较器的传输延迟和失调电压大小，以及时间标定单元的标记精度。为了满足高精度要求，提出了选取高速电压比较器(如AD790)，高精度时间标记系统(如高精度晶振、原子钟等)。

本发明提供的测量方法，与现有技术相比，由于本发明先产生一个周期信号(该周期信号可以采用正弦波，其频率需小于待测的数据采集系统的测量频带)，一方面该周期信号通过电压比较后获得电压过零点对应的脉冲信号，然后通过第一数据读取单元在高精度晶振的记时下得到对应脉冲信号上升沿或下降沿对应的时间码T1，其反映了输入信号过零点的时刻；另一方面该周期信号通过待测的数据采集系统后，通过第二数据读取单元得到周期信号对应的离散数据，同时在相同的高精度晶振的记时下记录每个离散数据的时间码。数据处理单元首先对第二数据读取单元得到的离散数据进行插值和拟合处理，进而得到该信号过零时的时间码T2，通过比较测量得到的输入周期信号的过零点时刻T1和经过待测采集系统后信号过零点的时刻T2，便可获得采集系统引入的时间延迟。该方法不要求输出信号为连续值，因此可以测量离散输出的数据系统的输出输入间的时间间隔，且测量精度高。

图4示出了本发明实施例提供的一种数据采集系统的时延测量方法的实现流程，具体包括：根据需要设定信号产生单元输出的周期信号的频率和幅值，再通过第一数据读取单元记录输入信号V＝0时的时刻T_R，且通过第二数据读取单元记录数据采集系统输出的电压幅值与对应的时间码；然后通过数据处理单元对记录的电压值和时间码进行插值得到V＝0的时刻T_S，对T_R和T_S求平均值，记录此时的信号频率；通过改变信号产生单元的输出信号的频率且幅值保持不变，重复测量后获得不同频率下的T_R和T_S并求其平均值；联立不同频率下测得的T_R和T_S时刻的平均值及信号频率值，列出方程组解得由数据采集系统引入的时间延迟。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的数据采集系统的时延测量装置及方法，现结合附图以及实施例进行详细说明，以正弦波为例详述如下：

信号产生单元11输出正弦波，分别输入给待测的数据采集系统2和电压比较单元12；正弦波的表达式为：V(t)＝Asin(2π×f×t)；正弦波信号经过电压比较单元12之后变为方波信号，电压比较单元12输出数据读取模块识别出方波信号的下降沿(或上升沿)，并标记出该时刻，记为T_R，该时间码作为标记正弦信号电压为零的时刻。待测的数据采集系统2由控制单元17控制其正常工作，第二数据读取单元记录下待测的数据采集系统2每次采到的电压值和对应的时刻。将数据打包通过串口发送到数据处理单元16，待进一步后续处理。

对待测的数据采集系统2采集到的电压值和第二数据读取单元记录到的对应时刻进行线性插值，得出电压V＝0时对应的时刻，记为T_s。测试所需要的实验周期数，求出T_s、T_R的平均值。联立方程即可解得由待测的数据采集系统2采集引入的时延。

改变信号产生单元11的输出信号频率，测得多种频率下的数据，得到方程组，联立方程组解得T_s-T_R。

本发明使用信号产生单元11输出正弦波，将正弦波信号一分为二。一路作为待测的数据采集系统2的采集输入，一路作为比较单元12的输入，经过比较单元12之后输出为方波。第一数据读取单元读取高稳定性的电压比较单元输出的方波信号上升沿(或下降沿)时刻标记出正弦信号电压为零的时刻，记为T_R，同时记录下待测的数据采集系统2采集到的电压信号和对应的时刻。将待测的数据采集系统2采集到的电压值与对应的时间码进行插值处理，得出V＝0的时刻，记为T_s。求出该信号频率下的T_s与T_R的平均值。然后改变信号产生单元11的输出信号频率，保持幅值不变，重复上述步骤，测得三组不同频率的T_R与T_s数据。联立方程组解得T_s-T_R即可得到由待测的数据采集系统2采集引入的时延。可以在不要求输出信号为连续值的情况下，测量离散输出的数据系统的输出输入间的时间间隔，且测量精度高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数据采集系统的时延测量装置，其特征在于，包括：信号产生单元(11)、电压比较单元(12)、第一数据读取单元(13)、第二数据读取单元(14)、时间标记单元(15)和数据处理单元(16)；

所述信号产生单元(11)的输出端连接至电压比较单元(12)的输入端和数据采集系统(2)的输入端，用于产生一个周期信号；

所述电压比较单元(12)用于根据所述周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；

所述时间标记单元(15)的第一输出端与第一数据读取单元(13)的控制端连接，第二输出端与第二数据读取单元(14)的控制端连接，用于在同一时间系统下标记出所述第一数据读取单元和所述第二数据读取单元所读取数据的时间码；

所述第一数据读取单元(13)的输入端连接至所述比较单元(12)的输出端，用于在所述时间标记单元(15)的记时下获得所述脉冲信号对应的第一时间码T1；

所述第二数据读取单元(14)的输入端连接至所述数据采集系统(2)的输出端，用于读取所述周期信号经过所述数据采集系统后输出的离散数据，并在所述时间标记单元(15)的记时下获得所述离散数据的时间信息；

所述数据处理单元(16)的第一输入端连接至所述第一数据读取单元的输出端，第二输入端连接至所述第二数据读取单元的输出端，用于对所述第一时间码T1与所述离散数据的时间信息进行处理后获得所述数据采集系统(2)的时间延迟信号。

2.如权利要求1所述的时延测量装置，其特征在于，所述数据处理单元(16)包括：拟合单元和时延获取单元，

所述拟合单元用于对所述离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2；

所述时延获取单元用于将所述第一时间码T1和所述第二时间码T2进行比较后获得所述数据采集系统(2)的时间延迟信号。

3.如权利要求1所述的时延测量装置，其特征在于，所述时延测量装置还包括：控制单元(17)，连接至所述数据采集系统(2)的控制端，用于提供数据采集系统工作时所需要的控制时序或其他必要的控制信号。

4.如权利要求1-3任一项所述的时延测量装置，其特征在于，所述电压比较单元(12)为电压比较器，用于将输入的周期信号转换为脉冲信号，产生脉冲的时刻对应输入周期信号过零的时刻。

5.如权利要求1-3任一项所述的时延测量装置，其特征在于，所述时间标记单元(15)为晶振，用于提供同一时间记录系统。

6.如权利要求1-3任一项所述的时延测量装置，其特征在于，所述信号产生单元(11)产生的所述周期信号的频率小于所述数据采集系统(2)的测量频带。

7.一种数据采集系统的时延测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：获得一个周期信号，并根据所述周期信号获得电压过零点对应的脉冲信号；

S2：通过给所述脉冲信号标记时间获得所述脉冲信号对应的第一时间码T1；

S3：获取所述周期信号经过待测数据采集系统后输出的离散数据，并通过给所述离散数据标记时间获得所述离散数据的时间信息；

S4：对所述离散数据的时间信息进行拟合，获得延迟后信号过零点对应的第二时间码T2将所述第一时间码T1和所述第二时间码T2进行比较后获得所述数据采集系统的时间延迟信号。

8.如权利要求7所述的时延测量方法，其特征在于，所述周期信号的频率小于所述数据采集系统(2)的测量频带。

9.如权利要求7或8所述的时延测量方法，其特征在于，根据公式(T1-T2)获得所述数据采集系统的时间延迟信号。

Images