CN111679569B - 一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法 - Google Patents

一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法，所述系统包括：第一阶跃信号产生电路、第一失配传输线、第一脉冲转换电路、第二阶跃信号产生电路、第二失配传输线、第二脉冲转换电路、事件计时器和数据处理单元。本发明中，通过阻抗不匹配的传输线，将单一触发信号转化为一系列脉冲信号，通过对这些脉冲信号的测量，计算出传输线的时延，再得出触发事件的时间，相当于使用了多次测量取平均值的方法提高了测量分辨率，且由于温度造成的传输时延的变化也可以在算法中进行抑制，故可提升单次测量分辨率。

Description

一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法
技术领域
本发明属于时间间隔测量技术领域，特别涉及一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法。
背景技术
随着信息化、数字化时代的到来，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量；其中，高精度时间间隔测量是进行高精度守时、授时、用时的重要基础。在冷原子碰撞的实验研究、Stark效应实验研究、相对论验证等前沿科学实验，雷达测距、激光遥感技术、光纤时间传递等实际工程应用以及社会生活等领域中高精度时间间隔测量有着广泛应用并发挥着不可或缺的作用。
目前，高精度时间间隔测量方法有很多种，如抽头延迟线法，时间扩展法，游标法，时间电压转换法等。超高精度的时间间隔测量精度已经达到ps量级，芬兰Oulu大学使用时间-幅度转换法，利用最新的器件获得了1ps rms的单次时间间隔测量精度。中国科学技术大学使用多链融合抽头延迟线法获得了4.3ps rms的单次时间间隔测量精度。中国科学院上海天文台的科研人员利用声表面波编码器件作为时间内插器，获得了1.2psrms的单次时间间隔测量精度。上海理工大学使用可触发环形振荡器实现了2.8ps rms的单次测量精度。综上，现有的高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量，进一步提升测量精度难度较大。
综上，亟需一种新的基于失配传输线的高精度时间间隔测量系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的时间间隔测量方法，可解决现有高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量的技术问题，能够抑制器件及温度等因素带来传输时延的变化，可提升单次测量分辨率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，包括：
第一阶跃信号产生电路，用于接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；
第一失配传输线，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线末端的电压波形；
第一脉冲转换电路，用于接收第一失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；
第二阶跃信号产生电路，用于接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；
第二失配传输线，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线末端的电压波形；
第二脉冲转换电路，用于接收第二失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；
事件计时器，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延；
数据处理单元，用于基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。
本发明的进一步改进在于，第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路中，提取出有效的第一事件的触发信号n次或第事件的触发信号m次时，对于每一次的第一事件的触发信号或第二事件的触发信号：
第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路中的比较器，将获得的第一失配传输线或第二失配传输线末端的电压波形转化为第一事件的方波信号或第二事件的方波信号，由第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路将第一事件的方波信号或第二事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号或第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线或第二失配传输线的时延。
本发明的进一步改进在于，事件计时器包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器、第二模数转换器、第一线性斜坡电压产生电路、第二线性斜坡电压产生电路、第一计时判断器、第二计时判断器、第一运算单元和第二运算单元；
第一事件的第i个脉冲信号或第二事件的第j个脉冲信号分别输入到第一通道或第二通道，触发第一线性斜坡电压产生电路或第二线性斜坡电压产生电路，输出第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号；第一模数转换器或第二模数转换器对第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1 i或AD2 j；其中，1≤i≤n，1≤j≤m；
通过第一计时判断器或第二计时判断器通过转换后的数据AD1 i或AD2 j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1 i或N2 j，由AD1 i或AD2 j的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1 i或第二事件与系统时钟的相位差ΔT2 j；第一运算单元或第二运算单元根据N1 i、AD1 i或N2 j、AD2 j，计算出第一事件的第i个计时值或第二事件的第j个计时值；
基于第一事件的n个计时值和第二事件的m个计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延。
本发明的进一步改进在于，
第一事件的第i个计时值的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000041
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000042
为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA0002542085620000043
为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第j个计时值的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000044
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000045
为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA0002542085620000046
为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000047
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000048
为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；
第二失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000049
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA00025420856200000410
为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。
本发明的进一步改进在于，数据处理单元中：
第一事件的到来时间计算表达式为：
Figure BDA00025420856200000411
第二事件的到来时间计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000051
两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。
本发明的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，包括以下步骤：
步骤1，第一阶跃信号产生电路接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；第一失配传输线接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线末端的电压波形；第一脉冲转换电路接收第一失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；
步骤2，第二阶跃信号产生电路接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；第二失配传输线接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线末端的电压波形；第二脉冲转换电路接收第二失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；
步骤3，事件计时器接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延；
步骤4，数据处理单元基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。
本发明的进一步改进在于，步骤1或步骤2中，提取出有效的第一事件的触发信号n次或第二脉冲信号的触发信号m次时，对于每一次的第一事件的触发信号或第二事件的触发信号：
第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路中的比较器，将获得的第一失配传输线或第二失配传输线末端的电压波形转化为第一事件的方波信号或第二事件的方波信号，由第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路将第一事件的方波信号或第二事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号或第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线或第二失配传输线的时延。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，事件计时器包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器、第二模数转换器、第一线性斜坡电压产生电路、第二线性斜坡电压产生电路、第一计时判断器、第二计时判断器、第一运算单元和第二运算单元；
第一事件的第i个脉冲信号或第二事件的第j个脉冲信号分别输入到第一通道或第二通道，触发第一线性斜坡电压产生电路或第二线性斜坡电压产生电路，输出第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号；第一模数转换器或第二模数转换器对第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1 i或AD2 j；其中，1≤i≤n，1≤j≤m；
通过第一计时判断器或第二计时判断器通过转换后的数据AD1 i或AD2 j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1 i或N2 j，由AD1 i或AD2 j的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1 i或第二事件与系统时钟的相位差ΔT2 j；第一运算单元或第二运算单元根据N1 i、AD1 i或N2 j、AD2 j，计算出第一事件的第i个计时值或第二事件的第j个计时值；
基于第一事件的n个计时值和第二事件的m个计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，第一事件的第i个计时值的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000071
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000072
为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA0002542085620000073
为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第j个计时值的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000074
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000075
为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA0002542085620000076
为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000077
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000078
为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；
第二失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure BDA0002542085620000079
式中，T0为系统时钟周期，
Figure BDA00025420856200000710
为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。
本发明的进一步改进在于，步骤4的数据处理单元中：
第一事件的到来时间计算表达式为：
Figure BDA00025420856200000711
第二事件的到来时间计算表达式为：
Figure BDA00025420856200000712
两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的系统中，通过阻抗不匹配的传输线，将单一触发信号转化为一系列脉冲信号，通过对这些脉冲信号的测量，计算出传输线的时延，再得出触发事件的时间，相当于使用了多次测量取平均值的方法提高了测量分辨率，且由于温度造成的传输时延的变化也可以在算法中进行抑制，故可提升单次测量分辨率。
本发明提供的基于失配传输线的高精度时间间隔测量方法，根据高精度时间间隔测量技术的应用实际情况，及信号可在传输线上来回反射的现象；首先将触发信号送入传输线来回反射，将单个信号转化为一连串的波形，再将其跳边沿转化为脉冲信号，最后送入事件计时器测量，来提高两个触发事件时间间隔的测量分辨率。本发明采用基于失配传输线的高精度时间间隔测量方法，可解决现有高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量的问题，及抑制器件及温度等因素带来传输时延的变化，从而提升单次测量分辨率，简化结构，集成装置，可利于在实际工程广泛应用。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法的示意图；
图2是本发明实施例中，传输线末端波形转化为脉冲波形的示意图；
图3是本发明实施例中，多通道精密事件计时单元原理示意框图；
图4是本发明实施例中，计时值的测量时序示意图；
图中，1、第一阶跃信号产生电路；2、第一失配传输线；3、第一脉冲转换电路；4、第二阶跃信号产生电路；5、第二失配传输线；6、第二脉冲转换电路；7、事件计时器；8、数据处理单元；
701、第一模数转换器；702、第二模数转换器；703、第一线性斜坡电压产生电路；704、第二线性斜坡电压产生电路；705、第一计时判断器；706、第二计时判断器；707、第一运算单元；708、第二运算单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，包括：第一阶跃信号产生电路1、第一失配传输线2、第一脉冲转换电路3、第二阶跃信号产生电路4、第二失配传输线5、第二脉冲转换电路6、事件计时器7及数据处理单元8。
第一阶跃信号产生电路1，用于接收第一事件产生的触发信号，将接收的触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；
第一失配传输线2，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线2末端的电压波形；
第一脉冲转换电路3，用于接收第一失配传输线2末端的电压波形，提取出有效的第一脉冲信号n次；并转化为第一事件的第一脉冲信号，第一事件的第二脉冲信号，…，第一事件的第n脉冲信号；
第二阶跃信号产生电路4，用于接收第二事件产生的触发信号，将接收的触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；
第二失配传输线5，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线5末端的电压波形；
第二脉冲转换电路6，用于接收第二失配传输线5末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的第一脉冲信号，第二事件的第二脉冲信号，…，第二事件的第m脉冲信号；
事件计时器7，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线2和第二失配传输线5上往返一次的时延；
数据处理单元8，用于基于系统时钟周期、第一事件及第二事件的计时值、以及在第一失配传输线2和第二失配传输线5上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。
本发明实施例中，第一脉冲转换电路3或第二脉冲转换电路6中，提取出有效的第一事件的触发信号n次或第二事件的触发信号m次时，对于每一次的第一事件的触发信号或第二事件的触发信号：第一脉冲转换电路3或第二脉冲转换电路6中的比较器，将获得的第一失配传输线2或第二失配传输线5末端的电压波形转化为第一事件的方波信号或第二事件的方波信号，由第一脉冲转换电路3或第二脉冲转换电路6将第一事件的方波信号或第二事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号或第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线2或第二失配传输线5的时延。
本发明实施例中，事件计时器7包括：事件计时器7包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器701、第二模数转换器702、第一线性斜坡电压产生电路703、第二线性斜坡电压产生电路704、第一计时判断器705、第二计时判断器706、第一运算单元707和第二运算单元708；
其中(以第一事件的第一脉冲信号或第二事件的第一脉冲信号为例)，第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号输入到第一通道或第二通道，触发第一线性斜坡电压产生电路703或第二线性斜坡电压产生电路704，输出第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号；第一模数转换器701或第二模数转换器702对第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD11或AD21；
通过第一计时判断器705或第二计时判断器706通过转换后的数据AD11或AD21判断是否通过装载系统计时单元的计时值N11或N21，由AD11或AD21的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT11或第二事件与系统时钟的相位差ΔT21；第一运算单元707或第二运算单元708根据N11、AD11或N21、AD21，计算出第一事件的计时值或第二事件的计时值；将n次第一事件的脉冲信号或m次第二事件的脉冲信号重复输入第一通道或第二通道，计算获得在第一失配传输线2或第二失配传输线5上往返一次的时延。
本发明实施例中，第一事件的第一脉冲信号、第一事件的第二脉冲信号、…、第一事件的第n脉冲信号的计时值
Figure BDA0002542085620000111
的计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000112
Figure BDA0002542085620000113
其中n为正整数，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000114
均为正整数，分别为第一事件的第一脉冲信号、第一事件的第二脉冲信号、…、第一事件的第n脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA0002542085620000115
分别为第一事件的第一脉冲信号、第一事件的第二脉冲信号、…、第一事件的第n脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第一脉冲信号、第二事件的第二脉冲信号、…、第二事件的第m脉冲信号的计时值
Figure BDA0002542085620000116
的计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000117
Figure BDA0002542085620000118
其中m为正整数，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000119
均为正整数，分别为第二事件的第一脉冲信号、第二事件的第二脉冲信号、…、第二事件的第m脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure BDA00025420856200001110
分别为第二事件的第一脉冲信号、第二事件的第二脉冲信号、…、第二事件的第m脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线2上往返一次的时延的计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000121
其中n为正整数，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000122
为第一事件的第n脉冲信号的计时值；
第二失配传输线5上往返一次的时延的计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000123
其中m为正整数，T0为系统时钟周期，
Figure BDA0002542085620000124
为第二事件的第m脉冲信号的计时值。
本发明实施例中，数据处理单元8中：
第一事件的到来时间计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000125
第二事件的到来时间计算表达式为，
Figure BDA0002542085620000126
两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。
本发明实施例的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将第一事件产生的开始触发信号通过第一阶跃信号产生电路，转化为第一事件的阶跃信号；
步骤2：将步骤1获得的第一事件的阶跃信号送入第一失配传输线，使其发生多次反射，输出传输线末端的电压波形，使用第一脉冲转换电路提取出有效的第一事件的触发信号n次，n为正整数。其中，以其中有效的第一事件的第一触发信号为例进行说明，第一脉冲转换电路中的比较器将获得的传输线末端的电压波形转化为第一事件的第一方波信号，第一事件的第一方波信号中两个跳边沿的时间间隔即为传输线的时延；由第一脉冲转换电路将第一事件的第一方波信号的跳边沿转化为第一事件的第一脉冲信号；
步骤3：第一事件的第一脉冲信号输入到事件计时器的第一通道,触发第一线性斜坡电压产生电路工作，输出第一事件的第一斜坡电压产生信号；
步骤4：由第一高速ADC(模数转换器)对第一线性斜坡电压产生电路输出的第一事件的第一斜坡电压产生信号进行转换，其中，第一高速ADC的采样时钟是由系统时钟提供的；
步骤5：第一计时判断器通过第一高速ADC转换的数据判断是否通过装载系统计时单元的计时值
Figure BDA0002542085620000131
并同时记录下第一高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000132
根据系统的校准数据可由
Figure BDA0002542085620000133
的值计算出触发事件与系统时钟的相位差
Figure BDA0002542085620000134
步骤6：运算单元根据装载的计时值
Figure BDA0002542085620000135
和第一高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000136
计算出第一事件的计时值
Figure BDA0002542085620000137
其中T0为系统时钟周期；
步骤7：将第一事件产生的第一事件的第一脉冲信号，第一事件的第二脉冲信号…第一事件的第n脉冲信号，输入到事件计时器的第一通道，重复步骤3至步骤6，对应于本步骤所述各个脉冲信号的时间为
Figure BDA0002542085620000138
则信号在传输线上往返一次的时延
Figure BDA0002542085620000139
Figure BDA00025420856200001310
步骤8：数据处理单元将各个脉冲的时间整合在一起，得到第一事件到来时间的表达式为：
Figure BDA00025420856200001311
步骤9：将第二事件产生的开始触发信号通过第二阶跃信号产生电路，转化为第二事件的阶跃信号；
步骤10：将步骤9获得的第二事件的阶跃信号送入第二失配传输线，使其发生多次反射，输出传输线末端的电压波形，使用第二脉冲转换电路提取出有效的第二事件的触发信号m次，m为正整数。其中，以其中有效的第二事件的第一触发信号为例进行说明，第二脉冲转换电路中的比较器将获得的传输线末端的电压波形转化为第二事件的第一方波信号，第二事件的第一方波信号中两个跳边沿的时间间隔即为传输线的时延；由第二脉冲转换电路将第二事件的第一方波信号的跳边沿转化为第二事件的第一脉冲信号；
步骤11：第二事件的第一脉冲信号输入到事件计时器的第二通道,触发第二线性斜坡电压产生电路工作，输出第二事件的第一斜坡电压产生信号；
步骤12：由第二高速ADC(模数转换器)对第二线性斜坡电压产生电路输出的第二事件的第一斜坡电压产生信号进行转换，其中，第二高速ADC的采样时钟是由系统时钟提供的；
步骤13：第二计时判断器通过第二高速ADC转换的数据判断是否通过装载系统计时单元的计时值
Figure BDA0002542085620000141
并同时记录下第二高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000142
根据系统的校准数据可由
Figure BDA0002542085620000143
的值计算出触发事件与系统时钟的相位差
Figure BDA0002542085620000144
步骤14：第二运算单元根据装载的计时值
Figure BDA0002542085620000145
和第二高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000146
计算出第二事件的计时值
Figure BDA0002542085620000147
其中T0为系统时钟周期；
步骤15：将第二事件产生的第二事件的第一脉冲信号，第二事件的第二脉冲信号…第二事件的第m脉冲信号，输入到事件计时器的第二通道，重复步骤11至步骤14，对应于本步骤所述各个脉冲信号的时间为
Figure BDA0002542085620000148
则信号在传输线上往返一次的时延
Figure BDA0002542085620000149
Figure BDA00025420856200001410
步骤16：数据处理单元将各个脉冲的时间整合在一起，得到第二事件到来时间的表达式为：
Figure BDA00025420856200001411
步骤17：将第一事件的到来时间Ttrig1与第二事件的到来时间Ttrig2，两者做差即可得到两事件的时间间隔ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。
至此，实现了高精度时间间隔的测量。
本发明的优点在于，通过阻抗不匹配的传输线，将单一触发信号转化为一系列脉冲信号，通过对这些脉冲信号的测量，计算出传输线的时延，再得出触发事件的时间，相当于使用了多次测量取平均值的方法提高了测量分辨率，且由于温度造成的传输时延的变化也可以在算法中进行抑制。
本发明实施例中，使用的传输线是由聚乙烯材料包裹的同轴线，长度约为3.3m，信号在其中的传播速度主要受聚乙烯的相对介电常数εr影响：
Figure BDA0002542085620000151
c为真空中光速，聚乙烯的介电常数为2.2左右,
Figure BDA0002542085620000152
信号在传输线中往返一次所需的时间
Figure BDA0002542085620000153
请参阅图2，图2是传输线末端波形转化为脉冲波形图；由图2可知，其中包括传输线末端的电压波形、转化的方波波形及最终转化成的脉冲波形，脉冲信号的时间间隔为30ns。
请参阅图3，图3是多通道精密事件计时单元原理框图；由图3可知，事件计时器中包括：系统时钟、系统计时单元、第一线性斜坡电压产生单元、第一ADC、第一计时判断单元、第一运算单元、第二线性斜坡电压产生单元、第二ADC、第二计时判断单元、第二运算单元。
本发明实施例中，选取1PPS信号为系统计时单元提供参考时间信号，系统时钟为100MHz，使用时钟频率为100MHz的12位的高速ADC，可以完成30ns一次的时间间隔测量。
请参阅图4，图4是事件计时值的测量时序图。由图4可知，由于触发事件信号产生的斜坡电压信号维持时间Ts大于系统时钟周期T0，所以系统时钟对该斜坡电压信号的ADC采样值至少有一次落在线性区，而计算触发信号的计时值也是依据对线性区的ADC采样得到的，这提高了事件计时测量的线性度，并避免了触发事件与系统时钟间的竞争冒险的情况，提高了测量的可靠性。调节线性斜坡电压的斜率使其在下一次事件到来时已经准备就绪,即可对多个脉冲完成采样。
本发明实施例的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，实施步骤如下：
步骤1：将第一事件产生的开始触发信号通过第一阶跃信号产生电路，转化为第一事件的阶跃信号；
步骤2：将步骤1所述第一事件的阶跃信号送入第一失配传输线，使其发生多次反射，输出传输线末端的电压波形，使用第一脉冲转换电路提取出有效的第一事件的触发信号12次；
步骤3：以其中有效的第一事件的第一触发信号为例进行说明，第一脉冲转换电路中的比较器将步骤2所述传输线末端的电压波形转化为第一事件的第一方波信号，第一事件的第一方波信号中两个跳边沿的时间间隔即为传输线的时延；
步骤4：由所述第一脉冲转换电路，将第一事件的第一方波信号的跳边沿转化为第一事件的第一脉冲信号；
步骤5：第一事件的第一脉冲信号输入到事件计时器的第一通道,触发第一线性斜坡电压产生电路工作，输出第一事件的第一斜坡电压产生信号；
步骤6：由第一高速ADC(模数转换器)对步骤5所述第一线性斜坡电压产生电路输出的第一事件的第一斜坡电压产生信号进行转换，其中，第一高速ADC的采样时钟是由系统时钟提供的；
步骤7：第一计时判断器通过第一高速ADC转换的数据判断是否通过装载系统计时单元的计时值
Figure BDA0002542085620000161
并同时记录下第一高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000162
根据系统的校准数据可由AD1的值计算出第一事件与系统时钟的相位差
Figure BDA0002542085620000163
步骤8：运算单元根据装载的计时值
Figure BDA0002542085620000164
和第一高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000165
计算出该事件的计时值
Figure BDA0002542085620000166
其中T0为系统时钟周期；
步骤9：将第一事件产生的第一事件的第一脉冲信号，第一事件的第二脉冲信号…第一事件的第十二脉冲信号，输入到事件计时器的第一通道，重复步骤5至步骤8，对应于本步骤所述各个脉冲信号的时间为
Figure BDA0002542085620000167
则信号在传输线上往返一次的时延
Figure BDA0002542085620000168
T0)/12；
步骤10：数据处理单元将各个脉冲的时间整合在一起，得到第一事件到来时间的表达式为：
Figure BDA0002542085620000171
步骤11：将第二事件产生的开始触发信号通过第二阶跃信号产生电路，转化为第二事件的阶跃信号；
步骤12：将步骤11所述第二事件的阶跃信号送入第二失配传输线，使其发生多次反射，输出传输线末端的电压波形，使用第二脉冲转换电路提取出有效的第二事件的触发信号12次；
步骤13：以其中有效的第二事件的第一触发信号为例进行说明，第二脉冲转换电路中的比较器将步骤12所述传输线末端的电压波形转化为第二事件的第一方波信号，第二事件的第一方波信号中两个跳边沿的时间间隔即为传输线的时延；
步骤14：由所述第二脉冲转换电路，将第二事件的第一方波信号的跳边沿转化为第二事件的第一脉冲信号；
步骤15：第二事件的第一脉冲信号输入到事件计时器的第二通道,触发第二线性斜坡电压产生电路工作，输出第二事件的第一斜坡电压产生信号；
步骤16：由第二高速ADC(模数转换器)对步骤15所述第二线性斜坡电压产生电路输出的第二事件的第一斜坡电压产生信号进行转换，其中，第二高速ADC的采样时钟是由系统时钟提供的；
步骤17：第一计时判断器通过第二高速ADC转换的数据判断是否通过装载系统计时单元的计时值
Figure BDA0002542085620000172
并同时记录下第二高速ADC转换的数据
Figure BDA0002542085620000173
根据系统的校准数据可由
Figure BDA0002542085620000174
的值计算出第二事件与系统时钟的相位差
Figure BDA0002542085620000175
步骤18：运算单元根据装载的计时值
Figure BDA0002542085620000176
和
Figure BDA0002542085620000177
转换的数据，计算出该事件的计时值
Figure BDA0002542085620000178
其中T0为系统时钟周期；
步骤19：将第二事件产生的第二事件的第一脉冲信号，第二事件的第二脉冲信号…第二事件的第十二脉冲信号，输入到事件计时器的第二通道，重复步骤15至步骤18，对应于本步骤所述各个脉冲信号的时间为
Figure BDA0002542085620000181
则信号在传输线上往返一次的时延
Figure BDA0002542085620000182
Figure BDA0002542085620000183
步骤20：数据处理单元将各个脉冲的时间整合在一起，得到第二事件到来时间的表达式为：
Figure BDA0002542085620000184
步骤21：将第一事件的到来时间Ttrig1与第二事件的到来时间Ttrig2，两者做差即可得到两事件的时间间隔ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。
本发明采用3m长的失配传输线，通过脉冲转化电路提取出有效的触发信号12次。本发明采用的事件计时单元单次测量分辨率为1.88ps rms，通过失配传输线方法转化为多次测量后单次测量分辨率提高到了0.61ps rms。
综上所述，本发明的目的在于提供一种基于失配传输线的高精度时间间隔测量方法，该方法根据高精度时间间隔测量技术的应用实际情况，及信号可在传输线上来回反射的现象，首先将触发信号送入传输线来回反射，将单个信号转化为一连串的波形，再将其跳边沿转化为脉冲信号，最后送入事件计时器测量，来提高两个触发事件时间间隔的测量分辨率。本发明采用基于失配传输线的高精度时间间隔测量方法，可解决现有高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量的问题，及抑制器件及温度等因素带来传输时延的变化，从而提升单次测量分辨率，简化结构，集成装置，可利于在实际工程广泛应用。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，包括：
第一阶跃信号产生电路(1)，用于接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；
第一失配传输线(2)，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线(2)末端的电压波形；
第一脉冲转换电路(3)，用于接收第一失配传输线(2)末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；
第二阶跃信号产生电路(4)，用于接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；
第二失配传输线(5)，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线(5)末端的电压波形；
第二脉冲转换电路(6)，用于接收第二失配传输线(5)末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；
事件计时器(7)，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延；
数据处理单元(8)，用于基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，第一脉冲转换电路(3)中，提取出有效的第一事件的触发信号n次时，对于每一次的第一事件的触发信号：第一脉冲转换电路(3)中的比较器，将获得的第一失配传输线(2)末端的电压波形转化为第一事件的方波信号，由第一脉冲转换电路(3)将第一事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线(2)的时延；
第二脉冲转换电路(6)中，提取出有效的第二事件的触发信号m次时，对于每一次的第二事件的触发信号：第二脉冲转换电路(6)中的比较器，将获得的第二失配传输线(5)末端的电压波形转化为第二事件的方波信号，由第二脉冲转换电路(6)将第二事件的方波信号的跳边沿转化为第二事件的脉冲信号；其中，第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第二失配传输线(5)的时延。
3.根据权利要求1所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，事件计时器(7)包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器(701)、第二模数转换器(702)、第一线性斜坡电压产生电路(703)、第二线性斜坡电压产生电路(704)、第一计时判断器(705)、第二计时判断器(706)、第一运算单元(707)和第二运算单元(708)；
第一事件的第i个脉冲信号输入到第一通道，触发第一线性斜坡电压产生电路(703)，输出第一斜坡电压产生信号；第一模数转换器(701)对第一斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1 i；其中，1≤i≤n；通过第一计时判断器(705)通过转换后的数据AD1 i判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1 i，由AD1 i的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1 i；第一运算单元(707)根据N1 i、AD1 i，计算出第一事件的第i个计时值；基于第一事件的n个计时值，计算获得在第一失配传输线(2)上往返一次的时延；
第二事件的第j个脉冲信号输入到第二通道，触发第二线性斜坡电压产生电路(704)，输出第二斜坡电压产生信号；第二模数转换器(702)对第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD2 j；其中，1≤j≤m；
通过第二计时判断器(706)通过转换后的数据AD2 j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N2 j，由AD2 j的值计算出第二事件与系统时钟的相位差ΔT2 j；第二运算单元(708)根据N2 j、AD2 j，计算出第二事件的第j个计时值；基于第二事件的m个计时值，计算获得在第二失配传输线(5)上往返一次的时延。
4.根据权利要求3所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，
第一事件的第i个计时值的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000031
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000032
为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure FDA0002993319370000033
为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第j个计时值的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000034
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000035
为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure FDA0002993319370000036
为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线(2)上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000037
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000038
为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；
第二失配传输线(5)上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000041
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000042
为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。
5.根据权利要求4所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，数据处理单元(8)中：
第一事件的到来时间计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000043
第二事件的到来时间计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000044
两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝|Ttrig2-Ttrig1|。
6.一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，第一阶跃信号产生电路(1)接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；第一失配传输线(2)接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线(2)末端的电压波形；第一脉冲转换电路(3)接收第一失配传输线(2)末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；
步骤2，第二阶跃信号产生电路(4)接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；第二失配传输线(5)接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线(5)末端的电压波形；第二脉冲转换电路(6)接收第二失配传输线(5)末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；
步骤3，事件计时器(7)接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延；
步骤4，数据处理单元(8)基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。
7.根据权利要求6所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，其特征在于，
步骤1中，提取出有效的第一事件的触发信号n次时，对于每一次的第一事件的触发信号：第一脉冲转换电路(3)中的比较器，将获得的第一失配传输线(2)末端的电压波形转化为第一事件的方波信号，由第一脉冲转换电路(3)将第一事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线(2)的时延；
步骤2中，提取出有效的第二事件触发信号m次时，对于每一次的第二事件的触发信号：
第二脉冲转换电路(6)中的比较器，将获得的第二失配传输线(5)末端的电压波形转化为第二事件的方波信号，由第二脉冲转换电路(6)将第二事件的方波信号的跳边沿转化为第二事件的脉冲信号；其中，第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第二失配传输线(5)的时延。
8.根据权利要求6所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤3中，事件计时器(7)包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器(701)、第二模数转换器(702)、第一线性斜坡电压产生电路(703)、第二线性斜坡电压产生电路(704)、第一计时判断器(705)、第二计时判断器(706)、第一运算单元(707)和第二运算单元(708)；
第一事件的第i个脉冲信号输入到第一通道，触发第一线性斜坡电压产生电路(703)，输出第一斜坡电压产生信号；第一模数转换器(701)对第一斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1 i；其中，1≤i≤n；通过第一计时判断器(705)通过转换后的数据AD1 i判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1 i，由AD1 i的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1 i；第一运算单元(707)根据N1 i、AD1 i，计算出第一事件的第i个计时值；基于第一事件的n个计时值，计算获得在第一失配传输线(2)上往返一次的时延；
第二事件的第j个脉冲信号输入到第二通道，触发第二线性斜坡电压产生电路(704)，输出第二斜坡电压产生信号；第二模数转换器(702)对第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD2 j；其中，1≤j≤m；
通过第二计时判断器(706)通过转换后的数据AD2 j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N2 j，由AD2 j的值计算出第二事件与系统时钟的相位差ΔT2 j；第二运算单元(708)根据N2 j、AD2 j，计算出第二事件的第j个计时值；基于第二事件的m个计时值，计算获得在第二失配传输线(5)上往返一次的时延。
9.根据权利要求6所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤3中，第一事件的第i个计时值的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000061
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000062
为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure FDA0002993319370000063
为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第j个计时值的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000071
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000072
为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，
Figure FDA0002993319370000073
为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线(2)上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000074
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000075
为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；
第二失配传输线(5)上往返一次的时延的计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000076
式中，T0为系统时钟周期，
Figure FDA0002993319370000077
为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。
10.根据权利要求6所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤4的数据处理单元(8)中：
第一事件的到来时间计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000078
第二事件的到来时间计算表达式为：
Figure FDA0002993319370000079
两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝|Ttrig2-Ttrig1|。
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