CN205080373U - 一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路 - Google Patents

一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路 Download PDF

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郭丽娟
史俊
宋运平
邓雨荣
张炜
吕泽承
吴秋莉
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Abstract

本实用新型涉及半导体应用技术领域，具体涉及一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，包括时间分辨器、START数据通道、STOP数据通道、时间数字转换器、数据输出端口，所述时间分辨器用于产生待测脉冲信号，并将待测脉冲信号分别通过START数据通道和STOP数据通道与时间数字转换器进行互联，所述时间数字转换器将时间间隔信号送入数据输出端口实现平衡输出，本实用新型创造性地采用门延时的延迟线内插技术(又称为时间数字转换器(time-to-digital？converter-TDC)，通过对延时链的片上实现，验证和分析时间间隔测量系统性能的影响因素；并利于准确定位局部放电源、识别RFID电子标签等。

Description

一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路
技术领域
本实用新型涉及半导体在电力设备状态监测与故障诊断中的研究、应用领域，具体涉及一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路。
背景技术
时间间隔测量技术在电子通信、脉冲激光测距、频率综合等研究领域都有着广泛的工业用途。在电力生产领域，例如基于特高频局部放电位置的监测、定位技术、基于RFID的电力设备巡检实时定位系统中，均有时间同步和测距模块，使得时间间隔的测量成为其中关键的部分，定位系统的精度关键取决于时间间隔测量的精度。因而为了达到好的系统性能，提高时间间隔测量的精度至关重要。
目前常用的时间间隔测量方法有如下分类：数字计数器法、模拟内插法、时间幅度转换法、游标卡尺法、“粗”计数和“细”时间测量组合的方法等。为了能同时满足高精度和大量程的需求，目前主流方案依然是所谓的“粗”计数和“细”时间测量组合，这里“粗”计数即数字计数器法，采用格雷码计数器实现，“细”时间测量依靠内插技术。然而在时间同步系统中，时间间隔的测量至关重要。一方面，提高时间间隔测量的精度，可使电力生产中的局部放电监测或RFID设备信息采集的定位更加精确，另一方面，延迟线内插法是近年来广泛研究和采用的一种时间间隔测量方法，因此，有必要研究、应用一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，并结合电子计数器使之测量量程，从而达到在线监测局部放电、采集RFID设备信息等高精度、大量程测量要求。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供了一种实现128级延时的基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：包括时间分辨器、START数据通道、STOP数据通道、时间数字转换器、数据输出端口，所述时间分辨器用于产生待测脉冲信号，并将待测脉冲信号分别通过START数据通道和STOP数据通道与时间数字转换器进行互联，所述时间数字转换器将时间间隔信号送入数据输出端口实现平衡输出。
优选地，所述时间数字转换器包括延迟链和脉冲计数器，所述延迟链包括BUF1～BUF128级延迟单元、Q0～Q127级D触发器和多级移位寄存器，所述BUF1～BUF128级延迟单元依次串行连接，每一级延迟单元的输出依次接到Q0～Q127级D触发器的数据输入端，所述D触发器的数据输出端通过移位寄存器由并行变为串行输出。
优选地，所述START数据通道和STOP数据通道分别包括128路延迟单元，经过START数据通道和STOP数据通道的脉冲信号经过左右两路延迟单元将脉冲信号一分为二，左右两两对称拆分，然后延迟单元将脉冲信号二分为四，四分为八，如此类推并依次连接，直到最末端分为左右各为64路延迟单元。
优选地，所述脉冲计数器采用时基为80MHz的32位计数器。
优选地，所述数据输出端口为RS232接口电路。
综上所述，本实用新型由于采用了上述方案，本实用新型具有以下有益效果：第一,本实用新型独创了基于门延时的延迟线内插技术(时间数字转换器，time-to-digitalconverter-TDC)，实现了通过对延时链的片上应用可验证和分析时间间隔测量系统性能的影响因素，突破了延迟线内插法精细测量部分在ASIC芯片上测试、应用的关键难题，并率先将测试精度控制1ns以内。第二，该电路可集成到定位芯片中，通过检测信号到达芯片的时间差(TDOA)来确定目标的距离，实现局部放电源、RFID电子标签等的准确定位。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路的结构原理图。
图2是本实用新型START数据通道和STOP数据通道的电路原理图。
图3是本实用新型一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路的时间数字转换器原理图。
图4是本实用新型一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路的测量时序图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，包括时间分辨器、START数据通道、STOP数据通道、时间数字转换器、数据输出端口，所述时间分辨器用于产生待测脉冲信号，并将待测脉冲信号分别通过START数据通道和STOP数据通道与时间数字转换器进行互联，所述时间数字转换器将时间间隔信号送入数据输出端口实现平衡输出，，所述脉冲计数器采用时基为80MHz的32位计数器，所述数据输出端口为RS232接口电路。
结合图1和图2，所述START数据通道和STOP数据通道分别包括128路延迟单元BUF，通过START数据通道和STOP数据通道的脉冲信号经过左右两路延迟单元BUF(缓冲器BUF)将脉冲信号一分为二，左右两两对称拆分，左右两路(A为右路，B为左路)的延迟单元BUF将脉冲信号二分为四，四分为八，如此类推并依次连接，直到最末端分为左右各为64路延迟单元BUF为止,左右两路最末尾的延迟单元BUF输出相互对称的64路(总共128路)延迟脉冲信号后，采用相应位数的移位寄存器将并行输出变为串行输出。
如图3所示，在本实用新型中，基本延时链结构的芯片上实现采用0.18μmCOMS工艺，完成了128级延时链结构，所述时间数字转换器包括延迟链和脉冲计数器，所述延迟链包括BUF1～BUF128级延迟单元、Q0～Q127级D触发器和多级移位寄存器，所述BUF1～BUF128级延迟单元依次串行连接，每一级延迟单元的输出依次接到Q0～Q127级D触发器的数据输入端，所述D触发器的数据输出端通过移位寄存器由并行变为串行输出。如图3所示，单个延迟链包括一个D触发器和一个延迟单元BUF(缓冲器BUF)，由于START脉冲信号要同时接入所有D触发器，为了避免在导线上的差异造成D触发器时钟不同步，在时钟树的实现时采用完全对称的结构，参考时钟将作为缓冲器链的输入，经过128级联缓冲器(在图3中，每个缓冲器BUF输出的单位延时时间为τ)的推进作为D触发器的D输入端，START脉冲信号作为D触发器链的CK输入端，D触发器对缓冲器采集电平，时钟信号clk经过BUF1～BUF128级缓冲器BUF输出单位延时时间τ～128τ，从D触发器链输出128个电平值，根据这一组电平值，即可以确定精测值，为了测量方便，将128个电平值传到移位寄存器中，进行并串转换，移位寄存器高位补零，先输出低位数据，再输出高位数据，
如图1和图4所示，待测时间T定义为输入给START数据通道和STOP数据通道的两个脉冲的上升沿之间的时间间隔，这个时间间隔通过TDC(时间数字转换器)来测量，包括延迟链和脉冲计数器，时间间隔测量有如下几个关键特征参数：精度/分辨率/最低有效位，最小可测量间隔、测量范围、单脉冲精度、噪声、差分非线性、死时间与测量率、功耗以及PVT工艺拐角稳定性等。
在本实用新型中，如图4所示，为保证精确的分辨率和单脉冲精度，测量时序图采用三段模式：分别测量Ts,T1,T2，记脉冲计数器粗测时间为Ts，测量整数倍时钟周期；记START信号上升沿与其下一个最近时钟上升沿的时间间隔为T1，而STOP信号上升沿与下一个最近时钟上升沿的时间间隔为T2,若START信号和STOP信号的上升沿过后，下一个最近的时钟上升沿分别为第M个和第N个时钟周期，则计数器测得值Ts＝(N-M)×Tclk，待测时间间隔T＝Ts+T1-T2＝(N-M)×Tclk+T1-T2。
如图4，START脉冲信号和STOP脉冲信号之间的间隔转化为三部分，将参考时作为中间比较信号，粗测量时间间隔由时钟计数确定，不足一个时钟周期的精细测量部分由延迟单元确定，T1和T2不足一个时钟周期，由于采用时钟作为中间比较信号，所以需要两组测量电路才能分别确定出和T1和T2，在本实用新型中采用了两组延时链和移位寄存器并让二者对称进行测量实现，本实用新型的时间间隔测量电路在FPGA芯片中进行处理数据从而得到测量值。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本使用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：包括时间分辨器、START数据通道、STOP数据通道、时间数字转换器、数据输出端口，所述时间分辨器用于产生待测脉冲信号，并将待测脉冲信号分别通过START数据通道和STOP数据通道与时间数字转换器进行互联，所述时间数字转换器将时间间隔信号送入数据输出端口实现平衡输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：所述时间数字转换器包括延迟链和脉冲计数器，所述延迟链包括BUF1～BUF128级延迟单元、Q0～Q127级D触发器和多级移位寄存器，所述BUF1～BUF128级延迟单元依次串行连接，每一级延迟单元的输出依次接到Q0～Q127级D触发器的数据输入端，所述D触发器的数据输出端通过移位寄存器由并行变为串行输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：所述START数据通道和STOP数据通道分别包括128路延迟单元，经过START数据通道和STOP数据通道的脉冲信号经过左右两路延迟单元将脉冲信号一分为二，左右两两对称拆分，然后延迟单元将脉冲信号二分为四，四分为八，如此类推并依次连接，直到最末端分为左右各为64路延迟单元。
4.根据权利要求2所述的一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：所述脉冲计数器采用时基为80MHz的32位计数器。
5.根据权利要求1所述的一种基于延迟线内插法的精密时间间隔测量电路，其特征在于：所述数据输出端口为RS232接口电路。
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