CN112824983B - 时间测量电路、时间测量芯片及时间测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间测量电路、时间测量芯片及时间测量装置，时间测量电路包括：参考电压产生模块，用于产生第一参考电压和第二参考电压；测试信号产生模块，用于根据输入输出信号和第一参考电压输出开始信号和停止信号的其中之一；时间测量模块，用于根据所述第二参考电压、所述开始信号/停止信号以及所述使能控制信号输出第一时间测量值和第二时间测量值，其中，所述第一时间测量值和所述第二时间测量值的差值为目标时间值。可以测量测试用电信号经过待测器件所需时间，测量精度高。

Description

时间测量电路、时间测量芯片及时间测量装置

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种时间测量电路、时间测量芯片及时间测量装置。

背景技术

时间作为一个基本物理量，在空间探索、高能物理、遥感测距以及流量、距离的测量等方面都有着极其重要的作用。时间测量是指对一个时间段的亮度，也就是要完成从开始信号start到结束信号stop之间的时间间隔测量。

而随着科学技术的进步，在相当多的场合中，信号经过一个或多个器件所需的时间已成为各类产品生产、应用以及科学实验等的重要参数。现有的测量测试用电信号经过待测器件所需时间可参考图1，图1示出现有的一种时间测量装置的结构框图，该时间测量装置包括测试件100以及与测试机100直接连接的待测器件200，由测试机100直接测量测试用电信号经过待测器件200所需的时间。

但是由于测试机的固有时间测量精度低，会导致最终的时间测量结果存在较大误差，不能满足如今产品以及科学实验等的高精度要求。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种时间测量电路、时间测量芯片及时间测量装置，可以测量测试用电信号经过待测器件所需时间，测量精度高。

根据本发明提供的一种时间测量电路，其特征在于，包括：参考电压产生模块，用于产生第一参考电压和第二参考电压；测试信号产生模块，所述测试信号产生模块的第一输入端与所述参考电压产生模块连接，以接收所述第一参考电压，所述测试信号产生模块的第二输入端接收输入输出信号，用于根据所述输入输出信号和所述第一参考电压输出开始信号和停止信号的其中之一；时间测量模块，所述时间测量模块的第一输入端与所述参考电压产生模块连接，以接收所述第二参考电压，所述时间测量模块的第二输入端与所述测试信号产生模块连接，以接收所述开始信号和所述停止信号，所述时间测量模块的第三输入端接收使能控制信号，用于根据所述第二参考电压、所述开始信号/停止信号以及所述使能控制信号输出第一时间测量值和第二时间测量值，其中，所述第一时间测量值和所述第二时间测量值的差值为目标时间值。

优选地，所述参考电压产生模块包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联于电源输入端与接地端之间，所述第一电阻和所述第二电阻的连接节点处输出所述第一参考电压；所述第三电阻和所述第四电阻串联于所述电源输入端与接地端之间，所述第三电阻和所述第四电阻的连接节点处输出所述第二参考电压。

优选地，所述测试信号产生模块包括：比较器，第一输入端接收所述第一参考电压，第二输入端接收所述输入输出信号，供电端端通过第五电阻与电源输入端连接，并通过第一电容接地，接地端接地，输出端端输出所述开始信号和所述停止信号的其中之一。

优选地，所述时间测量模块包括：多个串联连接的与门，连接于所述测试信号产生模块的输出端与第二电容的一端之间，所述第二电容的另一端接地，每个与门的第一输入端接收所述第二参考信号，第二输入端连接前一级所述与门的输出端，每个与门的供电端连接比较器的供电端；至少一个延时单元，连接于两个相邻的与门之间，用于对所述开始信号和所述停止信号进行延时输出；通道选择单元，连接于两个相邻的与门之间，包括第一测量通道和第二测量通道，控制端接收所述使能控制信号，用于根据所述使能控制信号连通所述第一测量通道和所述第二测量通道的其中之一，其中，当连通所述第一测量通道时，所述时间测量模块输出所述第一时间测量值，当连通所述第二测量通道时，所述时间测量模块输出所述第二时间测量值。

优选地，所述延时单元包括：第八电阻，一端与前一级与门的输出端连接，另一端与后一级与门的第二输入端连接；第三电容，一端通过所述第八电阻与前一级与门的输出端连接，另一端接地。

优选地，所述延时单元包括：多个串联的反相器。

优选地，所述通道选择单元包括：选择开关，输入端与前一级与门的输出端连接，第一输出端通过所述第一测量通道与后一级与门的第二输入端连接，第二输出端通过所述第二测量通道与后一级与门的第二输入端连接，所述选择开关的控制端接收所述使能控制信号，所述选择开关的输入端根据所述使能控制信号与所述第一输出端和所述第二输出端的其中之一连接。

优选地，所述第二选择通道上设置有第一连接端口和第二连接端口，所述第一连接端口用于连接被测器件的信号输入端，所述第二连接端口连接被测器件的信号输出端。

根据本发明提供的一种时间测量芯片，所述时间测量芯片上集成有上述的时间测量电路。

根据本发明提供的一种时间测量装置，其特征在于，包括：测试机、以及上述的时间测量电路，测试机，用于提供测试所需的使能控制信号和输入输出信号；所述时间测量电路分别与所述测试机和被测器件连接，用于根据所述使能控制信号和所述输入输出信号获得目标时间值。

本发明的有益效果是：本发明在测量测试用电信号经过待测器件所需的目标时间值时，在测试机与被测器件之间设置有时间测量电路。该时间测量电路通过使能控制信号分别测量未连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，以及连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，通过计算两个时间值的差值来获得目标时间值，使得待测器件的目标时间值精度取决于时间测量电路本身的测量精度，提高了固有测试机的时间测量精度。

该时间测量电路采用信号传播延时较小的逻辑门进行时间测量，使得时间测量电路本身能够具有高的测量精度，进一步提高了目标时间值的测量精度。

在时间测量电路中设置延时单元，使得测试时间精度可调，测试时在不更换电路本身的情况下也可以满足不同的测试需要。

本发明时间测量电路设置有两路时间测量通道，其中一个测量通道通过连接端口与被测器件连接，由使能控制信号控制测量通道的切换，通过两个测量通道在同一开始和停止信号下的时间差进而获得信号经过待测器件所需时间，结构简单，测量方便，可以适用于不同器件的时间测量。

应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有的一种时间测量装置的结构框图；

图2示出本发明实施例提供的一种时间测量装置的结构框图；

图3示出本发明实施例提供的一种时间测量电路的结构框图；

图4示出本发明第一实施例提供的时间测量电路的电路结构图；

图5示出本发明第二实施例提供的时间测量电路的电路结构图；

图6示出本发明提供的一种时间测量芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图2示出本发明实施例提供的一种时间测量装置的结构框图，图3示出本发明实施例提供的一种时间测量电路的结构框图。

如图2所示，本实施例中，时间测量装置包括测试机100以及时间测量电路300。

其中，测试机用于提供测试所需的使能控制信号和输入输出信号。

时间测量电路300分别与测试机100和被测器件200连接，用于根据测试机100所提供的使能控制信号和输入输出信号测量测试用电信号经过被测器件200所需的目标时间值。

参考图3，时间测量电路300包括参考电压产生模块310、测试信号产生模块320和时间测量模块330。

参考电压产生模块310用于产生第一参考电压和第二参考电压。

测试信号产生模块320的第一输入端与参考电压产生模块310的第一输出端连接，以接收第一参考电压，同时测试信号产生模块320的第二输入端与测试机100连接，以接收输入输出信号，测试信号产生模块320用于根据输入输出信号和第一参考电压输出开始信号和停止信号的其中之一。

时间测量模块330的第一输入端与参考电压产生模块310的第二输出端连接，以接收第二参考电压，时间测量模块330的第二输入端与测试信号产生模块320的输出端连接，以接收开始信号/停止信号，时间测量模块330的第三输入端与测试机100连接，以接收使能控制信号，时间测量模块330用于根据第二参考电压、开始信号/停止信号、以及使能控制信号输出第一时间测量值和第二时间测量值。其中，第一时间测量值和第二时间测量值的差值为目标时间值。

需要说明的是，本文中，上述目标时间值为测试用电信号经过待测器件所需的时间。

本实施例中，时间测量电路300通过使能控制信号分别测量未连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，以及连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，通过计算两个时间值的差值来获得目标时间值，使得待测器件的目标时间值精度取决于时间测量电路300本身的测量精度，当需要进行高精度的时间测量时，可以采用测量精度高的时间测量电路，提高了固有测试机100的时间测量精度，且测试灵活，测量范围广，可以满足不同的测试需要。

进一步地，时间测量模块330包括延时单元331和通道选择单元332。

延时单元331用于对开始信号/停止信号进行延迟输出。

优选地，本实施例中，延时单元331对开始信号/停止信号的延迟时间可控。

在时间测量电路中设置延时单元，使得测试时间精度可调，测试时在不更换电路本身的情况下也可以满足不同的测试需要。

通道选择单元332包括第一测量通道和第二测量通道，通道选择单元332的输入端(即控制端)接收使能控制信号，并根据使能控制信号连通第一测量通道和第二测量通道的其中之一。

在第一测量通道和第二测量通道的其中之一上设置有连接端口，该连接端口用于连接被测器件。

进一步地，当通道选择单元332连通第一测量通道时，时间测量模块330输出第一时间测量值。当通道选择单元332连通第二测量通道时，时间测量模块330输出第二时间测量值。

通道选择单元332通过使能控制信号实现第一时间测量值与第二时间测量值的输出，使得在简单的测试结构上就可以实现所需的功能。

本实施例中，第一时间测量值与第二时间测量值的差值为目标时间值。

图4示出本发明第一实施例提供的时间测量电路的电路结构图。

如图4所示，本实施例中，参考电压产生模块310包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4。第一电阻R1和第二电阻R2串联于电源Vs输入端与接地端之间，第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点处输出第一参考电压Ref1；第三电阻R3和第四电阻R4串联于电源Vs输入端与接地端之间，第三电阻R3和第四电阻R4的连接节点处输出第二参考电压Ref2。

进一步地，通过调节第一电阻R1和第二电阻R2的分压比例，可以调整第一参考电压Ref1的输出电压值。通过调节第三电阻R3和第四电阻R4的分压比例，可以调整第二参考电压Ref2的输出电压值。

第一参考电压Ref1和第二参考电压Ref2的电压值可以相同也可以不同，实际设计中应参考具体的芯片等电学器件的工作电压范围而定。

上述参考电压产生模块310仅为一种优选结构，结构简单，成本低。本发明也可以采用其它的参考电压产生结构，只要可以实现分压功能即可。

测试信号产生模块320包括：比较器U1、第一电容C1和第五电阻R5。比较器U1的同相输入端接收输入输出信号DIO，反相输入端接收第一参考电压Ref1，输出端输出开始信号Start和停止信号Stop的其中之一。比较器U1的供电端通过第五电阻R5与电源Vs输入端连接，同时通过第一电容C1接地。比较器U1的接地端接地。

可选地，比较器U1的同相输入端与反相输入端接收的信号可以互换，只需相应的调整接收输入输出信号DIO的电压大小即可。

时间测量模块330包括多个串联连接的与门，每个与门的第一输入端接收第二参考电压Ref2，第二输入端与前一级与门的输出端连接。

时间测量模块330中，延时单元331的数量至少为一个，连接于两个相邻的与门之间。

多个串联连接的与门中，在其中相邻两个与门之间连接有通道选择单元332。采用信号传播延时较小的逻辑门进行时间测量，使得时间测量电路本身能够具有高的测量精度，进一步提高了目标时间值的测量精度。

下面以三个串联的与门U2、U3和U4为例对时间测量模块330进行说明。

本实施例中，延时单元331包括第八电阻R8和第三电容C3。第八电阻R8串联于相邻的与门之间(即串联于第一与门U2的输出端与第二与门U3的输入端之间)，第三电容C3的一端通过第八电阻R8与第二与门U2的输出端连接，第三电容C3的另一端接地。

通过改变第八电阻R8与第三电容C3的电参数，可以改变延时单元331的延时时间。

通道选择单元332包括选择开关S1和第七电阻R7。选择开关S1的控制端通过第七电阻R7接收使能控制信号EN，选择开关S1的输入端与第二与门U3的输出端连接，选择开关S1的第一输出端通过第一测量通道与第三与门U4的输入端连接，选择开关S1的第二输入端通过第二测量通道与第三与门U4的输入端连接。

第二测量通道上设置有第一连接端口Out1和第二连接端口Out2，第一连接端口Out1连接被测器件的信号输入端，第二连接端口Out2连接被测器件的信号输出端。

使能控制信号EN控制选择开关S1的输入端与第一输出端和第二输出端的其中之一连接。

第三与门U4(最后一级与门)的输出端通过第二电容C2接地。

进一步地，每个与门的供电端分别与比较器U1的供电端连接。

本实施例中，采用电阻电容延时网络，结构简单，参数调整更方便。

图5示出本发明第二实施例提供的时间测量电路的电路结构图。

如图5所示，本实施例中，延时单元331为多个串联的反相器，通过改变串联的反相器的个数，可以改变延时单元331的延时时间。

本实施例中，时间测量电路的其它电路结构与图4中所公开的时间测量电路的电路结构相同，在此不再赘述。

本实施例中，采用多个反相器构成的延时网络，可以很大程度上还原原始输入信号的波形，保证信号不失真，进而提高测量结果的准确性。

参考图4和图5，时间测量电路的基本工作原理如下：

由电阻分压网络对输入的电源Vs进行分压，得到第一参考电压Ref1和第二参考电压Ref2。将第一参考电压Ref1和输入输出信号DIO同时输入比较器U1的不同输入端，当输入输出信号DIO为第一电平状态如高电平状态时，获得开始信号Start，当输入输出信号DIO转变为第二电平状态如低电平状态时，获得停止信号Stop。将第二参考电压Ref2输入每个与门的第一输入端。

输入使能控制信号EN(如为高电平)，使得选择开关S1连通第一测量通道(第一测量通道上无外接的被测器件)，测试机100测试开始信号Start到停止信号Stop之间的时间，得到第一时间测量值。

调整使能控制信号EN的电压值(如由高电平调整为低电平)，使得选择开关S1连通第二测量通道，该第二测量通道上连接有被测器件，测试机100测试开始信号Start到停止信号Stop之间的时间，得到第二时间测量值。

计算第一时间测量值和第二时间测量值的差值，进而获得信号经过待测器件所需时间，即目标测量值。

进一步地，在实际测量中，可根据具体需要调整时间测量模块330中延时单元331的延时参数，以优化测量过程，获得更准确的时间测量值。

本发明所公开的时间测量装置还应包括数据处理模块和显示模块，分别用以进行对测量结果的分析、计算和显示。该数据处理模块和显示模块可由测试机100内的相应功能模块代替，或由具有相同或相似功能的其它辅助器件充当，本申请中不做限定。

本实施例中，上述时间测量值由开始信号Start和停止信号Stop的上升沿或下降沿所经过的与门的个数决定，时间测量值的精度即为信号经过一个与门所需的时间，且该时间精度一般小于10纳秒。

采用信号传播延时较小的逻辑门和比较器进行时间测量，提高了时间测量精度，同时在逻辑门电路中设置延时单元，使得测试时间精度可调，进而可以满足不同的测试需要。

图6示出本发明提供的一种时间测量芯片的结构示意图。

如图6所述，本发明还公开了一种时间测量芯片300＇，该时间测量芯片300＇内部集成有如上述图3至图5所述的时间测量电路。该时间测量芯片300＇包括电源引脚Vs，接地引脚GND，输入输出信号输入引脚DIO，使能控制信号输入引脚EN，开始信号输入引脚Start，停止信号输入引脚Stop，外设输入引脚Out1，以及外设输出引脚Out2。

上述时间测量芯片300＇仅为本发明所公开的一种优选芯片结构，该结构在实现如图3至图5所述的相应功能的基础上，具有最少的测量引脚，成本低。本发明也可以采用其它的时间测量芯片300＇结构，只要具有上述引脚即可。

在进行时间测量时，上述时间测量芯片300＇或包含有上述时间测量芯片300＇的测量板、测量设备连接与测试机与被测器件之间，进而可以提高测试机的测量精度。

其中，在本发明的一个实施例中，时间测量芯片300＇的输入输出信号输入引脚DIO和使能控制信号输入引脚EN与测试机的相应输出引脚连接，时间测量芯片300＇的外设输入引脚Out1连接被测器件的信号输入端，外设输出引脚Out2连接被测器件的信号输出端。

在本发明的一个实施例中，测试机或其它信号输出设备直接与时间测量芯片300＇的开始信号输入引脚Start和停止信号输入引脚Stop连接，直接向时间测量芯片300＇输入开始信号Start和停止信号Stop，提高效率。

进一步地，也可直接将上述时间测量芯片300＇集成在测试机的内部，以减少测量所需外接设备的数量，优化测量结构。

结合图4和图5，不同的分压参数和/或不同的时间延时参数可对应不同型号的时间测量芯片。

本发明在测量测试用电信号经过待测器件所需的目标时间值时，在测试机与被测器件之间设置有时间测量电路。该时间测量电路通过使能控制信号分别测量未连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，以及连接有待测器件时开始信号与停止信号之间的时间值，通过计算两个时间值的差值来获得目标时间值，使得待测器件的目标时间值精度取决于时间测量电路本身的测量精度，提高了固有测试机的时间测量精度。

该时间测量电路采用信号传播延时较小的逻辑门进行时间测量，进一步提高了目标时间值的测量精度。

在逻辑门电路中设置延时单元，使得测试时间精度可调，进而可以满足不同的测试需要。

本发明时间测量电路设置有两路时间测量通道，其中一个测量通道通过连接端口与被测器件连接，由使能控制信号控制测量通道的切换，通过两个测量通道在同一开始和停止信号下的时间差进而获得信号经过待测器件所需时间，结构简单，测量方便，可以适用于不同器件的时间测量。

应当说明的是，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种时间测量电路，其特征在于，包括：

参考电压产生模块，用于产生第一参考电压和第二参考电压；

测试信号产生模块，所述测试信号产生模块的第一输入端与所述参考电压产生模块连接，以接收所述第一参考电压，所述测试信号产生模块的第二输入端接收输入输出信号，用于根据所述输入输出信号和所述第一参考电压输出开始信号和停止信号的其中之一；

时间测量模块，所述时间测量模块的第一输入端与所述参考电压产生模块连接，以接收所述第二参考电压，所述时间测量模块的第二输入端与所述测试信号产生模块连接，以接收所述开始信号和所述停止信号，所述时间测量模块的第三输入端接收使能控制信号，用于在所述使能控制信号为第一电平状态时连通第一测量通道以根据所述第二参考电压和对所述开始信号到停止信号之间的时间的测试输出第一时间测量值，以及在所述使能控制信号为第二电平状态时连通第二测量通道以根据所述第二参考电压和对所述开始信号到停止信号之间的时间的测试输出第二时间测量值，

其中，所述第一测量通道和所述第二测量通道的其中之一上串联有被测器件，所述第一时间测量值和所述第二时间测量值的差值为目标时间值。

2.根据权利要求1所述的时间测量电路，其特征在于，所述参考电压产生模块包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻，

所述第一电阻和所述第二电阻串联于电源输入端与接地端之间，所述第一电阻和所述第二电阻的连接节点处输出所述第一参考电压；

所述第三电阻和所述第四电阻串联于所述电源输入端与接地端之间，所述第三电阻和所述第四电阻的连接节点处输出所述第二参考电压。

3.根据权利要求1所述的时间测量电路，其特征在于，所述测试信号产生模块包括：

比较器，第一输入端接收所述第一参考电压，第二输入端接收所述输入输出信号，供电端通过第五电阻与电源输入端连接，并通过第一电容接地，接地端接地，输出端输出所述开始信号和所述停止信号的其中之一。

4.根据权利要求1所述的时间测量电路，其特征在于，所述时间测量模块包括：

多个串联连接的与门，连接于所述测试信号产生模块的输出端与第二电容的一端之间，所述第二电容的另一端接地，每个与门的第一输入端接收所述第二参考电压，第二输入端连接前一级所述与门的输出端，每个与门的供电端连接比较器的供电端；

至少一个延时单元，连接于两个相邻的与门之间，用于对所述开始信号和所述停止信号进行延时输出；

通道选择单元，连接于两个相邻的与门之间，包括第一测量通道和第二测量通道，控制端接收所述使能控制信号，用于根据所述使能控制信号连通所述第一测量通道和所述第二测量通道的其中之一。

5.根据权利要求4所述的时间测量电路，其特征在于，所述延时单元包括：

第八电阻，一端与前一级与门的输出端连接，另一端与后一级与门的第二输入端连接；

第三电容，一端通过所述第八电阻与前一级与门的输出端连接，另一端接地。

6.根据权利要求4所述的时间测量电路，其特征在于，所述延时单元包括：多个串联的反相器。

7.根据权利要求4所述的时间测量电路，其特征在于，所述通道选择单元包括：

选择开关，输入端与前一级与门的输出端连接，第一输出端通过所述第一测量通道与后一级与门的第二输入端连接，第二输出端通过所述第二测量通道与后一级与门的第二输入端连接，所述选择开关的控制端接收所述使能控制信号，

所述选择开关的输入端根据所述使能控制信号与所述第一输出端和所述第二输出端的其中之一连接。

8.根据权利要求7所述的时间测量电路，其特征在于，所述第二测量通道上设置有第一连接端口和第二连接端口，所述第一连接端口用于连接被测器件的信号输入端，所述第二连接端口连接被测器件的信号输出端。

9.一种时间测量芯片，其特征在于，所述时间测量芯片上集成有如权利要求1至8中任一项所述的时间测量电路。

10.一种时间测量装置，其特征在于，包括：测试机以及如权利要求1至8中任一项所述的时间测量电路，

测试机，用于提供测试所需的使能控制信号和输入输出信号；

所述时间测量电路分别与所述测试机和被测器件连接，用于根据所述使能控制信号和所述输入输出信号获得目标时间值。

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