CN112506031A - 一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了时间间隔测量领域的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块；时钟管理模块是将输入时钟Clk倍频，记为“C1”、“C2”；“C1”作为整数测量模块的输入时钟。本发明中，通过对进位链的大延时单元进行切割，有效的解决了因进位链延时链不均匀、存在大延时单元所带来测量误差大的问题，该系统应用在自由落体绝对重力仪中，可以有效提高重力仪自由落体下落时间的测量精度，本发明的通用性较强，可以移植到其它用途的时间间隔测量系统。

Description

一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统

技术领域

本发明涉及时间间隔测量领域，具体是一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统。

背景技术

在绝对重力仪侧测量中，激光通过分光镜，一束光透射过去，另一束光反射，反射光依次经过参考棱镜和下落棱镜，在经过两次反射与先前透射的光相遇，形成干涉，通过光雪崩二极管接收干涉信号，经过零整形处理，利用计数器计数干涉条纹的个数，从而精确得到物体下落的时间，结合落体下落距离得出时间-距离参数，参与重力拟合计算，得到重力观测值。

高精度时间间隔测量技术在自由落体式绝对重力仪中承担着关键作用，当角锥棱镜作为落体在高真空中自由下落时，用激光干涉测量出落体下落的距离s，同时测量出落体的下落时间t，其下落时间t的准确度影响着最终重力值拟合的精度。

高精度时间间隔测量技术一直是时间测量领域的研究热点，精密时间间隔测量技术现有专用ASIC制造的TDC芯片，但是其不具有很好的灵活性和可移植性，而且价格昂贵，因此，近年来基于FPGA的高精度时间间隔测量技术逐渐成为热点，主要通过时钟移相法和专用进位链(Carry时钟管理模块Chain)构造时间刻度来实现高精度的时间间隔测量。

由于FPGA内部的专用进位链特性问题，存在每8个进位延时单元会出现一个较大的延时单元，该较大的延时单元会影响时间间隔测量的精度，因此需要对较大的延时单元进行分割来提高时间间隔的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块；

时钟管理模块是将输入时钟Clk倍频，记为“C1”、“C2”；“C1”作为整数测量模块的输入时钟，“C2”作为错位进位链的停止时钟；

激光干涉条纹信号计数模块对激光干涉条纹信号进行计数，该计数结果记为“Delay”；

“Delay”信号分别与上升沿检测模块和下降沿检测模块相连接，检测到的“Delay”的上升沿记为“S1”信号；检测到的下降沿记为“P1”信号；

“S1”信号接时间间隔小数测量模块1的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块1的时钟端，输出记为“S11”；“P1”信号接时间间隔小数测量模块2的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块2的时钟端，输出记为“P11”；

将所测量得到的小数时间间隔“S11”和“P11”与进位解码模块相连进行解码，解码得到的结果“DE1”结合整数部分测量结果“Int1”得到最终结果。

作为本发明进一步的方案：调用FPGA内部计数器对整形后的激光干涉条纹信号进行计数，每计数700个激光干涉条纹信号记为一段，这700个激光干涉条纹信号记为待测量的时间间隔“Delay”。

作为本发明再进一步的方案：错位进位链是在FPGA芯片上通过VerilogHDL硬件描述语言来设计的时间刻度链路。构造两条长度相同但错位的进位链，确保进位链1的大延时单元与进位链2的小延时单元相对应，保证进位链2的小延时单元恰好切割进位链1的大延时单元。进位链2的大延时单元对应进位链1的小延时单元，使进位链2的小延时单元可以恰好切割进位链1的大延时单元。

作为本发明再进一步的方案：“C2”信号进入进位链1后，如果落入进位链1的大延时单元，读取进位链2的测量结果；最终输出结果为进位链1已经测量的小延时单元结果与进位链2输出结果组合求出的小数时间间隔，计算公式为：

式中，n₁为进位链1的延时单元个数；n₂为进位链2的延时单元个数；t₁为进位链1延时单元的延时时间；t₂为进位链2延时单元的延时时间。

作为本发明再进一步的方案：构造一个4位二进制计数器和12位二进制计数器，4位二进制计数器每计完16个数，12位二进制计数器加1，最终整数计数结果为12位计数器的计算值乘以4位计数器的计算值。

作为本发明再进一步的方案：所述数据解码模块采用温度计码转独热码的解码方式，将温度计码转化为独热码，独热码送入数据解码模块，判断信号在错位进位链上传播的级数，即独热码中“1”所在的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中，通过对进位链的大延时单元进行切割，有效的解决了因进位链延时链不均匀、存在大延时单元所带来测量误差大的问题，该系统应用在自由落体绝对重力仪中，可以有效提高重力仪自由落体下落时间的测量精度。

附图说明

图1为时间间隔测量的时序原理图；

图2为本系统的功能结构框图；

图3为构造的错位进位链的原理图。

具体实施方式

下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块；

时钟管理模块是将输入时钟Clk倍频，记为“C1”、“C2”；“C1”作为整数测量模块的输入时钟，“C2”作为错位进位链的停止时钟；激光干涉条纹信号计数模块对激光干涉条纹信号进行计数，该计数结果记为“Delay”；“Delay”信号分别与上升沿检测模块和下降沿检测模块相连接，检测到的“Delay”的上升沿记为“S1”信号；检测到的下降沿记为“P1”信号；“S1”信号接时间间隔小数测量模块1的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块1的时钟端，输出记为“S11”；“P1”信号接时间间隔小数测量模块2的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块2的时钟端，输出记为“P11”；将所测量得到的小数时间间隔“S11”和“P11”与进位解码模块相连进行解码，解码得到的结果“DE1”结合整数部分测量结果“Int1”得到最终结果。

实施例2，一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块。

步骤1：对激光干涉条纹模块进行计数，作为待测时间间隔；步骤2：对待测时间间隔的上升沿和下降沿进行检测；步骤3：上升沿作为整数计数模块的起始信号，下降沿作为整数计数模块的结束信号，对时间间隔的整数部分进行测量；步骤4：检测到的上升沿连接第一个错位进位链模块，对上升沿与时钟的小数时间间隔进行测量；步骤5：检测到的下降沿连接第一个错位进位链模块，对下降沿与时钟的小数时间间隔进行测量；步骤6：对测得的小数测量结果进行解码，最终结果为整数部分与小数部分结果的结合。

实施例3，一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块。

激光干涉条纹信号经过零比较产生平稳的方波脉冲信号，FPGA计数器开始对每一个脉冲进行计数，共记N个激光干涉条纹信号(N的值可以根据实际需要进行设定)，把计数的N个激光干涉条纹信号记为待测时间间隔“Delay”；将待测时间间隔“Delay”信号接入时间间隔上升沿和下降沿检测模块，检测时间间隔“Delay”的上升沿和下降沿，分别记为“S1”和“P1”信号，该信号作为小数时间间隔测量模块1和小数时间间隔测量模块2的起始信号；待测时间间隔“Delay”接入时间间隔整数测量模块，整数测量模块由一个4位计数器和一个12位计数器构成，4位计数器每记满16个数，12位计数器加1；错位进位链构造：(1)如附图3构造两条相同的进位链，记为进位链1和进位链2，每一条进位链由80个进位单元构成，根据进位链的特性，把两条进位链错位构造，保证进位链1的大延时单元对应进位链2的小延时单元，使进位链2的小延时单元分割进位链1的大延时单元；(2)进位链2的大延时单元对应进位链1的小延时单元，使进位链1的小延时单元切割进位链2的大延时单元。两个进位链的大延时单元被切割以后，使进位刻度更加精细化，可以有效的提高测量精度；(3)读数规则：“C2”信号进入进位链1后，如果落入进位链1的大延时单元，读取进位链2的测量结果；最终输出结果为，进位链1的小延时单元结果与进位链2结果的组合求出解；其计算公式为：

式中，n₁为进位链1的延时单元个数；n₂为进位链2的延时单元个数；t₁为进位链1延时单元的延时时间；t₂为进位链2延时单元的延时时间；小数部分测量模块接数据处理模块，小数部分测量模块所产生的结果形式类似于一种温度计形式的二进制码“1111111...11100”，需要检测出“0”和“1”变化的位置来确定小数测量结果；将温度计码转换成独热码，只需要确定该码中“1”所在的位置，即可计算出小数部分的测量值；整数部分的测量值结合小数部分的测量值，得出最终结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：包括激光干涉条纹信号计数模块、时钟管理模块、上升沿检测模块、下降沿检测模块、时间间隔整数测量模块、时间间隔小数测量模块1、时间间隔小数测量模块2、进位解码模块和数据处理模块；

时钟管理模块是将输入时钟Clk倍频，记为“C1”、“C2”；“C1”作为整数测量模块的输入时钟，“C2”作为错位进位链的停止时钟；

激光干涉条纹信号计数模块对激光干涉条纹信号进行计数，该计数结果记为“Delay”；

“Delay”信号分别与上升沿检测模块和下降沿检测模块相连接，检测到的“Delay”的上升沿记为“S1”信号；检测到的下降沿记为“P1”信号；

“S1”信号接时间间隔小数测量模块1的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块1的时钟端，输出记为“S11”；“P1”信号接时间间隔小数测量模块2的开始端，时钟“C2”接时间间隔小数测量模块2的时钟端，输出记为“P11”；

将所测量得到的小数时间间隔“S11”和“P11”与进位解码模块相连进行解码，解码得到的结果“DE1”结合整数部分测量结果“Int1”得到最终结果。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：调用FPGA内部计数器对整形后的激光干涉条纹信号进行计数，每计数700个激光干涉条纹信号记为一段，这700个激光干涉条纹信号记为待测量的时间间隔“Delay”。

3.根据权利要求1所述的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：错位进位链是在FPGA芯片上通过VerilogHDL硬件描述语言来设计的时间刻度链路。构造两条长度相同但错位的进位链，确保进位链1的大延时单元与进位链2的小延时单元相对应，保证进位链2的小延时

单元恰好切割进位链1的大延时单元。进位链2的大延时单元对应进位链1的小延时单元，使进位链2的小延时单元可以恰好切割进位链1的大延时单元。

4.根据权利要求1所述的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：“C2”信号进入进位链1后，如果落入进位链1的大延时单元，读取进位链2的测量结果；最终输出结果为进位链1已经测量的小延时单元结果与进位链2输出结果组合求出的小数时间间隔，计算公式为：

式中，n₁为进位链1的延时单元个数；n₂为进位链2的延时单元个数；t₁为进位链1延时单元的延时时间；t₂为进位链2延时单元的延时时间。

5.根据权利要求1所述的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：构造一个4位二进制计数器和12位二进制计数器，4位二进制计数器每计完16个数，12位二进制计数器加1，最终整数计数结果为12位计数器的计算值乘以4位计数器的计算值。

6.根据权利要求1所述的一种激光干涉条纹信号的高精度时间间隔测量系统，其特征在于：所述数据解码模块采用温度计码转独热码的解码方式，将温度计码转化为独热码，独热码送入数据解码模块，判断信号在错位进位链上传播的级数，即独热码中“1”所在的位置。

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