PL238760B1

PL238760B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru interwałów czasowych

Info

Publication number: PL238760B1
Application number: PL423787A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Wieczorek; Wojciech Oliwa
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2021-10-04
Also published as: PL423787A1

Abstract

Sposób pomiaru interwałów czasowych, w którym sygnały z dwóch wzorcowych generatorów sumuje się polega na tym, że sumaryczny sygnał z pierwszego generatora wzorcowego (101) o częstotliwości F1 i z drugiego generatora wzorcowego (102) o częstotliwości F2 próbkuje się w pierwszym przetworniku analogowo-cyfrowym (104) i w drugim przetworniku analogowo-cyfrowym (107), przy czym zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału START uruchamia się pierwszy szybko startujący generator (106) w którym generuje się pierwszy sygnał próbkujący CLK1, którym taktuje się pierwszy przetwornik analogowo-cyfrowy (104), z którego wyniki przetwarzania podaje się do pierwszego układu IntDFT (105) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φb1 pierwszego sygnału oraz φb2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego (110), jednocześnie zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału STOP uruchamia się drugi szybko startujący generator (109), w którym generuje się drugi sygnał próbkujący CLK2, którym taktuje się drugi przetwornik analogowo-cyfrowy (107) z którego wyniki przetwarzania podaje się do drugiego układu IntDFT (108) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φe1 pierwszego sygnału oraz φe2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e' drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego (110). Urządzenie do pomiaru interwałów czasowych, które posiada dwa generatory wzorcowe, których wyjścia połączone są przez sumator z wejściami przetworników analogowo-cyfrowych charakteryzujące się tym, że wyjście pierwszego szybko startującego generatora (106) doprowadzone jest do wejścia taktującego pierwszego przetwornika analogowo-cyfrowego (104), którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT (105) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do pierwszych wejść układu wyliczającego (110), korzystnie mikrokontrolera, jednocześnie wyjście drugiego szybko startującego generatora (109) doprowadzone jest do wejścia taktującego drugiego przetwornika analogowo-cyfrowego (107) a którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT (108) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do drugich wejść układu wyliczającego (110), korzystnie mikrokontrolera.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru interwałów czasowych. Metoda może posłużyć do budowy miernika interwałów czasowych, a urządzenie może znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak pomiary odległości, pomiary czasu przelotu sygnału przez medium, komunikacja czy fizyka cząstek elementarnych.

Dotychczas znane są metody i urządzenia do pomiaru interwałów czasowych. Najprostszym sposobem takiego pomiaru jest bramkowanie mierzonym impulsem licznika, na którego wejście zliczające podawany jest wzorcowy sygnał zegarowy. Jego największym ograniczeniem jest związanie rozdzielczości i czułości pomiaru z okresem sygnału wzorcowego, co uniemożliwia pomiar bardzo krótkich interwałów (rzędu pikosekund) i utrudnia pomiar nieco dłuższych interwałów (rzędu nanosekund), z powodu konieczności zastosowania bardzo szybkich liczników.

W tej samej nocie aplikacyjnej została również opisana metoda poprawy rozdzielczości pomiaru wykorzystująca cyfrową interpolację bazującą na dwóch sygnałach noniuszowych generowanych przez szybko startujące oscylatory zachowujące początkową fazę. Ta metoda stosowana w przyrządach pomiarowych umożliwia uzyskanie rozdzielczości rzędu dziesiątek pikosekund ale jest wrażliwa na parametry wykorzystywanych oscylatorów i skomplikowana w implementacji, przez co nie można tej metody zastosować w prostszych urządzeniach lub jako dodatkową funkcję urządzenia.

W artykule „Time interval measurement module implemented in SoC FPGA device” (INTL JOURNAL OF ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS, 2016, VOL. 62, NO. 3, PP. 237-246) autorstwa G. Grzędy i R. Szpleta opisano urządzenie do pomiaru interwałów z rozdzielczością pikosekundową, w którym zastosowano metodę łączącą zliczanie impulsów z dwustopniową interpolacją za pomocą cyfrowych linii opóźniających zbudowanych z szeregowo połączonych bramek.

W europejskim opisie patentowym EP3059857A1 i amerykańskim opisie patentowym US4569599A znana jest zamiana interwału na amplitudę, najczęściej przez ładowanie kondensatora stałym prądem przez czas trwania pomiędzy impulsem Start i impulsem Stop. Metoda ta pozwala na uzyskanie rozdzielczości rzędu dziesiątek pikosekund. Jej odmianą jest metoda podobna do przetwarzania analogowo-cyfrowego napięcia z podwójnym całkowaniem opisana przez S. Henzlera w „TimeTo-Digital Converters” (Springer, 2010, strony 10-11).

Z kolei w metodzie opisanej w światowym patencie WO0169328A2 wykorzystano dwa szybko startujące generatory uruchamiane sygnałami Start i Stop i liczniki zliczające z tych generatorów. Rozdzielczość tej metody zależy od większej z częstotliwości sygnałów generowanych przez dwa generatory szybko startujące.

Inną metodę opisali M. Lampton i R. Raffani w artykule „A high-speed wide dynamic range time-to-digital converter (Review of Scientific Instruments, 1994 Vol. 65, No. 10 pp. 3577-3584). Polega ona na spróbkowaniu 4 sinusoidalnych sygnałów wzorcowych, tworzących dwie pary kwadraturowe, w dwóch momentach czasowych, gdy pojawią się aktywne zbocza sygnałów Start i Stop i wyliczeniu na podstawie zebranych 8 próbek długości trwania impulsu. Ograniczeniem tej metody jest konieczność przetworzenia analogowo-cyfrowego próbek odpowiadających aktywnemu zboczu sygnału Start zanim pojawi się aktywne zbocze sygnału Stop i wynikający z tego minimalny czas trwania mierzonego impulsu.

Ponadto w amerykańskich opisach patentowych US7629915B2 i US8174293B2 przedstawiono powszechnie wykorzystywaną metodą pomiaru, szczególnie krótkich interwałów czasowych, poprzez wykorzystanie kaskady szeregowo połączonych bramek, przez które propaguje mierzony impuls, których stan zostaje zapamiętany w przerzutnikach.

Znany jest sposób pomiaru interwałów czasowych, w którym sygnały z dwóch wzorcowych generatorów sumuje się.

Znane jest urządzenie do pomiaru interwałów czasowych, które posiada dwa generatory wzorcowe, których wyjścia połączone są przez sumator z wejściami przetworników analogowo-cyfrowych.

Ponadto z literatury patentowej, z publikacji US9748967B1 znany jest sposób poprawy uśredniania sygnału o małym SNR i urządzenie do pomiaru interwałów czasowych, w których sygnał wejściowy doprowadza się do przetwornika analogowo-cyfrowego (20), a następnie do modułu (22) obliczającego dyskretną transformację Fouriera, przy czym moduły te są traktowane sygnałem zegarowym (26A).

W publikacji US2016049949 A1 ujawniono sposób kalibracji przetworników pracujących z przelotem i urządzenie, w którym zastosowano szereg współpracujących przetworników analogowo-cyfrowych (ADAC-1... ADC-n) (opis [0032]: „The ADC 100 comprises at least n ADCs 102-1 through 102-n”).

PL 238 760 Β1

Sposób według wynalazku polega na tym, że sumaryczny sygnał z pierwszego generatora wzorcowego o częstotliwości F1 i z drugiego generatora wzorcowego o częstotliwości F2 próbkuje się w pierwszym przetworniku analogowo-cyfrowym i w drugim przetworniku analogowo-cyfrowym, przy czym zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału START uruchamia się pierwszy szybko startujący generator w którym generuje się pierwszy sygnał próbkujący CLK1, którym taktuje się pierwszy przetwornik analogowo-cyfrowy z którego wyniki przetwarzania podaje się do pierwszego układu IntDFT wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φb1 pierwszego sygnału oraz φb2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego, jednocześnie zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału STOP uruchamia się drugi szybko startujący generator w którym generuje się drugi sygnał próbkujący CLK2, którym taktuje się drugi przetwornik analogowo-cyfrowy z którego wyniki przetwarzania podaje się do drugiego układu IntDFT wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φβ1 pierwszego sygnału oraz φβ2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e’ drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego.

Korzystnie stosunek częstotliwości F2 sygnału z wyjścia drugiego generatora wzorcowego do częstotliwości F1 sygnału z wyjścia pierwszego generatora wzorcowego wybiera się niecałkowity z resztą różną od zera, korzystnie z resztą mniejszą od 0.3 lub większą od 0.7.

Urządzenie do pomiaru pojedynczych interwałów czasowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że wyjście pierwszego szybko startującego generatora doprowadzone jest do wejścia taktującego pierwszego przetwornika analogowo-cyfrowego a którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do pierwszych wejść układu wyliczającego, korzystnie mikrokontrolera, jednocześnie wyjście drugiego szybko startującego generatora doprowadzone jest do wejścia taktującego drugiego przetwornika analogowo-cyfrowego, a którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do drugich wejść układu wyliczającego, korzystnie mikrokontrolera.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia, Fig. 2 przebiegi czasowe w urządzeniu.

Mierzony jest interwał czasu Tm pomiędzy narastającym zboczem sygnału START i narastającym zboczem sygnału STOP. Sygnały START i STOP pełnią role sygnałów wyzwalających (startujących) szybko startujące generatory (106) i (109).

Szybko startujące generatory (106) i (109), korzystnie zbudowane w oparciu o bramki bez oscylatorów kwarcowych, są przed pomiarem zatrzymane w znanym stanie. Generator (106) rozpoczyna wytwarzać sygnał zegarowy CLK1 po wystąpieniu narastającego zbocza impulsu startującego a generator (109) rozpoczyna wytwarzać sygnał zegarowy CLK2 po wystąpieniu narastającego zbocza impulsu zatrzymującego. Częstotliwości sygnałów zegarowych CLK1 i CLK2 nie muszą być dokładnie ustalone, ani znane, ale korzystnie powinny być z pewnego zakresu częstotliwości i powinny mieć jak największą stałość krótkoterminową częstotliwości.

Sygnały zegarowe CLK1 i CLK2 podawane są na wejścia zegarowe, odpowiednio CLK1 przetwornika A/C (104) i CLK2 przetwornika A/C (107). Przetworniki A/C (104) i (107) próbkują sygnał wzorcowy F12, który powstaje przez zsumowanie w sumatorze (103) dwóch sygnałów wzorcowych F1 i F2, korzystnie sinusoidalnych, wytwarzanych przez generatory wzorcowe (101) i (102), korzystnie stabilizowane termicznie generatory sinusoidalne o dużej czystości widmowej. Częstotliwość sygnału F1 musi być znana, a częstotliwości sygnału F2 może być nieznana. Częstotliwości sygnałów F1 i F2 muszą się różnić o współczynnik γ, różny od liczby całkowitej, ale korzystnie bliski wartości całkowitej:

gdzie:

Fi - częstotliwość sygnału F1, F2 - częstotliwość sygnału F2.

Seria N1 próbek z przetwornika A/C (104) jest zapamiętywana i przetwarzana w bloku IntDFT (105), korzystnie zbudowanego w oparciu o procesor sygnałowy, mikroprocesor lub układy logiki programowalnej. Blok IntDFT (105) oblicza na podstawie zebranej serii N1 próbek transformatę DFT i wykorzystując metodę Interpolowanej DFT wylicza i przekazuje do układu wyliczającego (110), korzystnie mikroprocesorowego, fazę ęb1 sygnału F1, fazę cpb2 sygnału F2 i częstotliwość F2e sygnału F2.

PL 238 760 Β1

Seria N2 próbek z przetwornika A/C (107) jest zapamiętywana i przetwarzana w bloku IntDFT (108), korzystnie zbudowanego w oparciu o procesor sygnałowy, mikroprocesor lub układy logiki programowalnej. Blok IntDFT (108) oblicza na podstawie zebranej serii N2 próbek transformatę DFT i wykorzystując metodę Interpolowanej DFT wylicza i przekazuje do układu wyliczającego (110), korzystnie mikroprocesorowego, fazę cpe1 sygnału F1, fazę cpe2 sygnału F2 i częstotliwość F2e' sygnału F2.

Układ wyliczający (110) na podstawie informacji uzyskanych z bloku IntDFT (105) i bloku IntDFT (108) wylicza całkowity czas trwania interwału czasowego T_m.

Całkowity czas trwania mierzonego interwału czasowego T_m jest równy sumie 3 czasów Fig. 2: = T_p_, + gdzie:

T_PJ- czas pierwszego, niepełnego okresu sygnału Fi, n,- liczba całkowitych okresów sygnału Fi,

Tfj - okres sygnału Fi,

Taj - czas ostatniego, niepełnego okresu sygnału Fi, gdzie Fi oznacza albo sygnał F1, albo sygnał F2.

Czas pierwszego T_pi i ostatniego T_oj niepełnego okresu można wyliczyć razem:

T ₊T

2/r ¹¹ gdzie Δφ to znormalizowana różnica faz φβ, i <pbi.

Znormalizowana różnica faz Δφ,jest wyliczana w następujący sposób: f φε, - ab: gdy pe, > ab. [φ^ -(^+π gdy ¢^, < ęb.

gdzie:

<pbi -faza sygnału F wyliczona przez blok IntDFT (105), <pe, -faza sygnału F wyliczona przez blok IntDFT (108).

Czas trwania mierzonego interwału T_m można wyrazić za pomocą znormalizowanej różnicy faz w następujący sposób:

~ Δφ, 1

F . = —ⁱ---+ n.

- 2π F _1_ F, gdzie:

T_mj — estymacja czasu trwania mierzonego impulsu na podstawie sygnału F,

Δφ,znormalizowana różnica faz dla sygnału Fi,

Fi - częstotliwość sygnału F, n,- liczba całkowitych okresów sygnału F.

W idealnych warunkach estymacje czasu trwania mierzonego impulsu T_m_i i T_m_2 są równe, a w rzeczywistym układzie są sobie prawie równe. Zakładając równość tych dwóch estymacji można wyznaczyć przybliżoną wartość n₂ na podstawie nr.

2π gdzie:

n_2e - przybliżona liczba n₂ całkowitych okresów sygnału F2.

Aby wyznaczyć czas trwania impulsu musi być znany zakres mierzonych czasów trwania interwału czasowego pomiaru, który wynosi ni__max Fi = n_2max· F₂ i który związany jest ze współczynnikiem γ:

gdzie:

ni_max - maksymalna wartość liczby całkowitych okresów sygnału F7, n2_max - maksymalna wartość liczby całkowitych okresów sygnału F2.

PL 238 760 B1

Liczby ni_max i n2_max są najmniejszymi liczbami całkowitymi spełniającymi ten warunek.

Układ wyliczający (110) na podstawie częstotliwości F2e sygnału F2, wyznaczonej przez blok IntDFT (105) i częstotliwości F2e sygnału F2', wyznaczonej przez blok IntDFT (108) oraz na podstawie znanej częstotliwości sygnału F1 wylicza współczynnik γ i ni_max oraz n2_max. Następnie układ wyliczający (110) wylicza dla wszystkich wartości ni z zakresu od 0 do ni_max przybliżone wartości n2e. Prawdziwą wartością n2e jest ta wartość n2e, która najmniej różni się od najbliższej liczby całkowitej. Wykorzystując tę liczbę układ wyliczający (110) wylicza czas trwania mierzonego interwału czasowego T_m.

Układ wyliczający (110) steruje pracą całego układu za pomocą sygnału RST, który gdy jest aktywny między pomiarami zatrzymuje w ustalonym stanie szybko startujące generatory (106) i (109). Po rozpoczęciu pomiaru stan sygnału RST zmienia się na nieaktywny.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru interwałów czasowych, w którym sygnały z dwóch wzorcowych generatorów sumuje się, znamienny tym, że sumaryczny sygnał z pierwszego generatora wzorcowego (101) o częstotliwości F1 i z drugiego generatora wzorcowego (102) o częstotliwości F2 próbkuje się w pierwszym przetworniku analogowo-cyfrowym (104) i w drugim przetworniku analogowo-cyfrowym (107), przy czym zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału START uruchamia się pierwszy szybko startujący generator (106) w którym generuje się pierwszy sygnał próbkujący CLK1, którym taktuje się pierwszy przetwornik analogowocyfrowy (104), z którego wyniki przetwarzania podaje się do pierwszego układu IntDFT (105) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φb1 pierwszego sygnału oraz φb2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego (110), jednocześnie zboczem, korzystnie zboczem narastającym, wejściowego sygnału STOP uruchamia się drugi szybko startujący generator (109), w którym generuje się drugi sygnał próbkujący CLK2, którym taktuje się drugi przetwornik analogowo-cyfrowy (107) z którego wyniki przetwarzania podaje się do drugiego układu IntDFT (108) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, po czym fazę φe1 pierwszego sygnału oraz φe2 drugiego sygnału a także estymowaną częstotliwość F2e’ drugiego sygnału przekazuje się do układu wyliczającego (110).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek częstotliwości F2 sygnału z wyjścia drugiego generatora wzorcowego (102) do częstotliwości F1 sygnału z wyjścia pierwszego generatora wzorcowego (101) wybiera się niecałkowity z resztą różną od zera, korzystnie z resztą mniejszą od 0.3 lub większą od 0.7.
3. Urządzenie do pomiaru interwałów czasowych, które posiada dwa generatory wzorcowe, których wyjścia połączone są przez sumator z wejściami przetworników analogowo-cyfrowych, znamienne tym, że wyjście pierwszego szybko sumującego generatora (106) doprowadzone jest do wejścia taktującego pierwszego przetwornika analogowo-cyfrowego (104), którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT (105) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do pierwszych wejść układu wyliczającego (110), korzystnie mikrokontrolera, jednocześnie wyjście drugiego szybko startującego generatora (109) doprowadzone jest do wejścia taktującego drugiego przetwornika analogowo-cyfrowego (107) a którego wyjścia połączone są z wejściami układu IntDFT (108) wyliczającego interpolowaną dyskretną transformatę Fouriera, którego wyjścia doprowadzone są do drugich wejść układu wyliczającego (110), korzystnie mikrokontrolera.