RU2303803C2 - Time-code transformer - Google Patents
Time-code transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2303803C2 RU2303803C2 RU2005128884/28A RU2005128884A RU2303803C2 RU 2303803 C2 RU2303803 C2 RU 2303803C2 RU 2005128884/28 A RU2005128884/28 A RU 2005128884/28A RU 2005128884 A RU2005128884 A RU 2005128884A RU 2303803 C2 RU2303803 C2 RU 2303803C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inputs
- outputs
- input
- interpolation
- registers
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к технике прецизионного измерения интервалов времени.The present invention relates to techniques for the precision measurement of time intervals.
Уровень техникиState of the art
Для измерения интервалов времени широко применяются преобразователи время-код, действие которых основано на подсчете числа импульсов эталонного периода, укладывающихся в измеряемый интервал времени. Для повышения точности преобразования за счет уменьшения шага квантования времени используются различные способы интерполяции эталонного периода.To measure time intervals, time-code converters are widely used, the action of which is based on counting the number of pulses of the reference period that fit into the measured time interval. To improve the accuracy of the conversion by reducing the time quantization step, various methods of interpolation of the reference period are used.
Известен цифровой измеритель интервалов времени [1], который содержит эталонный генератор импульсов, выход которого присоединен через первый элемент И к входу счетчика импульсов, при этом оставшийся вход первого элемента И подключен к выходу триггера, входы которого служат входами сигналов пуска и останова устройства. Кроме того, имеется подключенная к выходу эталонного генератора последовательная цепь множества элементов задержки, выход каждого из которых соединен с входом сброса соответствующего дополнительного триггера, число которых равно числу элементов задержки. Выходы всех дополнительных триггеров присоединены к входам шифратора. Процесс измерения начинается после сброса счетчика импульсов и триггеров импульсом пуска, а завершается импульсом останова. Старшие разряды результата измерения образуются на выходах счетчика импульсов и отображают целое число эталонных периодов, укладывающихся в измеряемый интервал, а младшие разряды результата образуются на выходах шифратора и отображают дробную часть эталонного периода - остаток от деления интервала на эталонный период в единицах времени задержки элемента задержки. Недостаток данного аналога - низкая точность измерения, погрешность которого не может быть меньше времени задержки одного элемента задержки.Known digital time interval meter [1], which contains a reference pulse generator, the output of which is connected through the first element And to the input of the pulse counter, while the remaining input of the first element And is connected to the output of the trigger, the inputs of which serve as inputs of the start and stop signals of the device. In addition, there is a series circuit of a plurality of delay elements connected to the output of the reference generator, the output of each of which is connected to the reset input of the corresponding additional trigger, the number of which is equal to the number of delay elements. The outputs of all additional triggers are connected to the inputs of the encoder. The measurement process begins after resetting the pulse counter and triggers by a start pulse, and ends with a stop pulse. The leading bits of the measurement result are generated at the outputs of the pulse counter and display an integer number of reference periods that fit into the measured interval, and the least significant bits of the result are generated at the encoder outputs and display the fractional part of the reference period - the remainder of dividing the interval by the reference period in units of the delay time of the delay element. The disadvantage of this analogue is the low accuracy of the measurement, the error of which cannot be less than the delay time of one delay element.
Аналогами настоящего изобретения являются также схемы цифровых преобразователей время-код, в которых использован нониусный метод оценки дробной части измеряемого с помощью эталонного генератора интервала времени, например схема, описанная в [2]. Данное устройство включает основной и дополнительный генераторы импульсов, периоды которых различаются на малую величину, которая и составляет значение разрешения по времени. В известное устройство входят также два триггера и два элемента И, управляющие процессом нониусной развертки, а также два счетчика импульсов, отображающих результат измерения. При высокой точности измерения данного устройства оно имеет низкую производительность, так как процесс нониусной развертки занимает множество опорных периодов, тем большее, чем выше точность измерения.Analogs of the present invention are also schemes of digital time-code converters in which a nonius method for evaluating the fractional part of a time interval measured by a reference generator is used, for example, the circuit described in [2]. This device includes a primary and secondary pulse generators, the periods of which differ by a small amount, which is the value of the resolution in time. The known device also includes two triggers and two And elements that control the vernier sweep process, as well as two pulse counters that display the measurement result. With high accuracy of measurement of this device, it has low productivity, since the vernier sweep process takes many reference periods, the greater, the higher the measurement accuracy.
Другим аналогом настоящего изобретения является временной интерполятор [3], содержащий счетчик импульсов и секционированную линию задержки, входы которых соединены с общим зажимом опорных сигналов. Устройство включает регистр в виде множества триггеров с общими информационными и сбросовыми входами, причем синхронизирующие входы триггеров соединены с соответствующими промежуточными отводами линии задержки. Кроме того, в схему входит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое служит преобразователем термометрического кода регистра в двоичный код. Общее время задержки секционированной линии задержки равно одному опорному периоду. Запуск устройства осуществляется синхронизированным с опорным сигналом стартовым импульсом, который разрешает работу счетчика импульсов. Одновременно опорные сигналы распространяются по линии задержки. В момент поступления стопового импульса счетчик импульсов фиксирует число полных опорных периодов, уложившихся в измеряемый интервал, а регистр - номер отвода секционированной линии задержки, до которого успел распространиться опорный сигнал. В итоге счетчик отражает старшие биты результата измерения, а ПЗУ - младшие биты. Погрешность измерения определяется в аналоге временем задержки одной секции линии задержки, что существенно меньше опорного периода. В то же время такая разрешающая способность преобразователя время-код во многих применениях оказывается недостаточной, кроме того, имеется дополнительный источник погрешности преобразования из-за возможной неравномерности задержки отдельных секций линии задержки.Another analogue of the present invention is a time interpolator [3] containing a pulse counter and a partitioned delay line, the inputs of which are connected to a common terminal of the reference signals. The device includes a register in the form of a plurality of triggers with common information and fault inputs, the trigger synchronizing inputs being connected to the corresponding intermediate taps of the delay line. In addition, the scheme includes read-only memory (ROM), which serves as a converter of the thermometric code of the register into binary code. The total delay time of the partitioned delay line is one reference period. The device is started by a start pulse synchronized with the reference signal, which allows the pulse counter to work. At the same time, reference signals propagate along the delay line. At the moment of arrival of the stop pulse, the pulse counter records the number of complete reference periods that fit into the measured interval, and the register indicates the number of taps of the partitioned delay line to which the reference signal has propagated. As a result, the counter reflects the high bits of the measurement result, and the ROM reflects the low bits. The measurement error is determined in analogue by the delay time of one section of the delay line, which is significantly less than the reference period. At the same time, such a resolution of the time-code converter in many applications is insufficient, in addition, there is an additional source of conversion error due to the possible uneven delay of individual sections of the delay line.
Известно также устройство для измерения интервала времени [4] с опорным генератором в виде мультифазного генератора импульсов (МГИ), множество выходов которого образует субшкалу отсчета времени. Выходы МГИ связаны с соответствующими информационными входами двух регистров, тактовые входы которых соединены с входными зажимами сигналов начала и окончания интервала времени, а выходы через соответствующие шифраторы подключены к младшим входам соответствующих операндов блока вычитания. При этом старшие входы первого операнда блока вычитания присоединены посредством третьего регистра к выходам счетчика импульсов, определяющего целое число опорных периодов в измеряемом интервале времени. Имеется также четвертый регистр для записи результата измерения в момент окончания интервала времени. В данном аналоге нет необходимости в синхронизации начала отсчета интервала с опорным импульсом, а неравномерность квантов времени по выходам МГИ может быть получена произвольно малой. Это обеспечивает повышение точности измерения временного интервала. Однако точность измерения по-прежнему ограничена значением названного кванта времени МГИ.A device is also known for measuring the time interval [4] with a reference generator in the form of a multiphase pulse generator (MGI), the set of outputs of which forms a subscale of the time reference. The MGI outputs are connected to the corresponding information inputs of two registers, the clock inputs of which are connected to the input terminals of the signals for the beginning and end of the time interval, and the outputs are connected through the corresponding encoders to the lower inputs of the corresponding operands of the subtraction unit. In this case, the senior inputs of the first operand of the subtraction unit are connected via the third register to the outputs of the pulse counter, which determines the integer number of reference periods in the measured time interval. There is also a fourth register for recording the measurement result at the end of the time interval. In this analogue, there is no need to synchronize the origin of the interval with the reference pulse, and the unevenness of the time slices at the MGI outputs can be obtained arbitrarily small. This provides improved measurement accuracy of the time interval. However, the measurement accuracy is still limited by the value of the named MGI time quantum.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является временной интерполятор [5]. Данное устройство содержит МГИ, выполненный в виде основной линии задержки на последовательно соединенных управляемых элементах задержки, вход основной линии задержки подключен к выходу опорного генератора. Каждый элемент задержки снабжен управляющим входом для электронного регулирования времени задержки, указанные входы элементов задержки объединены и используются как единый управляющий вход основной линии задержки. Этот управляющий вход используется для автоматической подстройки полного времени задержки линии задержки, которая осуществляется с помощью блока фазового сравнения, установленного в цепи обратной связи линии задержки. Блок фазового сравнения, регулируя полное время задержки линии задержки, поддерживает его точно равным опорному периоду. В устройстве имеются также множество регистров, одноименные информационные входы которых объединены и подключены к соответствующим выходам МГИ - промежуточным отводам основной линии задержки. Устройство содержит, кроме того, дополнительную прецизионную линию задержки с распределенной RC-структурой, к множеству промежуточных отводов которых присоединены тактовые входы соответствующих регистров. Полное время задержки дополнительной линии задержки равно времени задержки одного звена в основной линии задержки. В устройстве предусмотрены средства автоматической калибровки времени задержки каждого звена дополнительной линии задержки.Of the known analogues, the closest in technical essence to the present invention is a time interpolator [5]. This device contains an MHI made in the form of a main delay line on serially connected controlled delay elements; the input of the main delay line is connected to the output of the reference generator. Each delay element is equipped with a control input for electronic control of the delay time, these inputs of the delay elements are combined and are used as a single control input of the main delay line. This control input is used to automatically adjust the total delay time of the delay line, which is carried out using the phase comparison unit installed in the feedback circuit of the delay line. The phase comparison unit, by adjusting the total delay time of the delay line, maintains it exactly equal to the reference period. The device also has many registers, the same information inputs of which are combined and connected to the corresponding outputs of the MGI - intermediate taps of the main delay line. The device also contains an additional precision delay line with a distributed RC structure, to the set of intermediate taps of which the clock inputs of the corresponding registers are connected. The total delay time of the additional delay line is equal to the delay time of one link in the main delay line. The device provides means for automatically calibrating the delay time of each link of the additional delay line.
Импульс, момент поступления которого преобразуется устройством в цифровой код, приходит на вход дополнительной линии задержки и далее появляется на ее промежуточных отводах, последовательно задерживаясь каждым звеном. Время задержки импульса в каждой секции определяется выражениемA pulse, the moment of receipt of which is converted by the device into a digital code, arrives at the input of an additional delay line and then appears on its intermediate taps, sequentially delayed by each link. The pulse delay time in each section is determined by the expression
где То - опорный период, N и М - число звеньев соответственно основной и дополнительной линий задержки. where T o is the reference period, N and M are the number of links of the main and additional delay lines, respectively.
Импульсы с отводов дополнительной линии задержки поступают на тактовые входы соответствующих М регистров, которые фиксируют состояния всех выходов МГИ в моменты, разделенные квантом Δt. В итоге на полной совокупности выходов всех N-разрядных регистров образуется цифровой термометрический код разрядностью N×M, который далее может быть преобразован в обычный двоичный код известными средствами.The pulses from the taps of the additional delay line are fed to the clock inputs of the corresponding M registers, which record the states of all the MGI outputs at the moments separated by the Δt quantum. As a result, on a complete set of outputs of all N-bit registers, a digital thermometric code of N × M capacity is formed, which can then be converted into a regular binary code by known means.
Устройство-прототип отличается высокой разрешающей способностью по времени, так как квант времени Δt в N раз меньше времени задержки одного звена основной линии задержки. Например, если элементом задержки основной линии задержки служит спаренный инвертор КМОП типа, то в прототипе достигается разрешение 48,8 пикосекунд, что много меньше времени задержки распространения двух инверторов.The prototype device is characterized by high time resolution, since the time quantum Δt is N times less than the delay time of one link of the main delay line. For example, if the delay element of the main delay line is a coupled CMOS type inverter, then the prototype achieves a resolution of 48.8 picoseconds, which is much less than the propagation delay time of two inverters.
Устройство-прототип имеет недостатки. Во-первых, его основу, обеспечивающую прецизионное преобразование времени в код, составляет сложная в изготовлении дополнительная линия задержки с распределенной интегральной RC-структурой. Такая линия задержки требует индивидуальной подгонки звеньев в процессе изготовления и калибровки их времени задержки в процессе эксплуатации. Во-вторых, в устройстве-прототипе не предусмотрены технические средства для преобразования в код интервала времени как разности моментов спада и фронта входного импульса.The prototype device has disadvantages. Firstly, its basis, which provides precision conversion of time into code, is an additional delay line with a distributed integrated RC structure that is difficult to manufacture. Such a delay line requires individual adjustment of the links during the manufacturing process and calibration of their delay time during operation. Secondly, the prototype device does not provide technical means for converting the time interval into the code as the difference between the recession moments and the front of the input pulse.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Целью настоящего изобретения является упрощение преобразователя время-код и расширение его функциональных возможностей. Указанная цель достигается благодаря замене пассивной линии задержки RC типа не требующим регулировок активным фазовым интерполятором и введению блоков, фиксирующих моменты спада и фронта входного сигнала в виде цифровых кодов и вычисляющих их разность.The aim of the present invention is to simplify the time-code converter and expand its functionality. This goal is achieved by replacing an RC type passive delay line with an active phase interpolator that does not require adjustments and introducing blocks that capture the decay and front edges of the input signal in the form of digital codes and calculate their difference.
Преобразователь время-код содержит соединенный с входным зажимом буферный элемент, цифровую линию задержки, охваченную обратной связью через блок фазового сравнения с запускающим цифровую линию задержки опорным генератором, а также первый блок регистров, информационные входы регистров в которых подключены к соответствующим выходам цифровой линии задержки, а каждый регистр в первом блоке регистров имеет собственный тактовый вход. Для достижения поставленной цели в устройство дополнительно введены управляемый элемент задержки, блок фазовой интерполяции, второй блок регистров, первый и второй шифраторы, счетчик импульсов и блок вычитания. При этом выходы блока вычитания являются выходами преобразователя время-код, а его соответствующие входы подключены к выходам счетчика импульсов, второго и первого шифраторов. Входы первого и второго шифраторов соединены с соответствующими выходами первого и второго блока регистров соответственно, информационные входы второго блока регистров объединены с соответствующими информационными входами первого блока регистров, тактовые входы всех регистров в обоих блоках регистров присоединены к соответствующим выходам блока фазовой интерполяции. Первый вход блока фазовой интерполяции вместе с управляющим входом счетчика импульсов и входом управляемого элемента задержки подключен к выходу буферного элемента, а его второй вход - к выходу управляемого элемента задержки. Управляющий вход управляемого элемента задержки объединен с управляющим входом цифровой линии задержки, основным выходом присоединенной к счетному входу счетчика импульсов.The time-code converter contains a buffer element connected to the input terminal, a digital delay line, covered by feedback through a phase comparison unit with a reference oscillator that starts the digital delay line, as well as a first register block, the register information inputs of which are connected to the corresponding outputs of the digital delay line, and each register in the first block of registers has its own clock input. To achieve this goal, a controlled delay element, a phase interpolation unit, a second block of registers, first and second encoders, a pulse counter and a subtraction unit are additionally introduced into the device. The outputs of the subtraction unit are the outputs of the time-code converter, and its corresponding inputs are connected to the outputs of the pulse counter, the second and first encoders. The inputs of the first and second encoders are connected to the corresponding outputs of the first and second block of registers, respectively, the information inputs of the second block of registers are combined with the corresponding information inputs of the first block of registers, the clock inputs of all the registers in both blocks of the registers are connected to the corresponding outputs of the phase interpolation block. The first input of the phase interpolation unit together with the control input of the pulse counter and the input of the controlled delay element is connected to the output of the buffer element, and its second input is connected to the output of the controlled delay element. The control input of the controlled delay element is combined with the control input of the digital delay line, the main output connected to the counting input of the pulse counter.
Цифровая линия задержки может быть выполнена в виде последовательной цепи управляемых элементов задержки, объединенные управляющие входы которых служат управляющим входом цифровой линии задержки, а их выходы - выходами цифровой линии задержки.The digital delay line can be made in the form of a series circuit of controlled delay elements, the combined control inputs of which serve as the control input of the digital delay line, and their outputs - the outputs of the digital delay line.
В предпочтительном варианте исполнения блок фазовой интерполяции содержит последовательно соединенные каскады интерполяции, каждый i-ый каскад интерполяции имеет (2i-1+1) входов и (2i+1) выходов, выходы оконечного каскада интерполяции служат выходами блока фазовой интерполяции. Каждый каскад интерполяции включает (2i-1+1) элементов интерполяции, имеющих первый и второй парафазные входы и парафазный выход, первый и второй входы элементов интерполяции с нечетными порядковыми номерами объединены и служат входами каскада интерполяции. Первый и второй входы элементов интерполяции с четными порядковыми номерами подключены к объединенным входам соответствующих элементов интерполяции с нечетными порядковыми номерами, отличающимися от порядкового номера данного элемента интерполяции на ±1, выходы всех элементов интерполяции составляют совокупность выходов каскада интерполяции.In a preferred embodiment, the phase interpolation unit contains sequentially connected interpolation stages, each i-th interpolation stage has (2 i-1 + 1) inputs and (2 i + 1) outputs, the outputs of the terminal interpolation stage serve as outputs of the phase interpolation unit. Each interpolation stage includes (2 i-1 + 1) interpolation elements having the first and second paraphase inputs and a paraphase output, the first and second inputs of the interpolation elements with odd serial numbers are combined and serve as inputs of the interpolation cascade. The first and second inputs of interpolation elements with even serial numbers are connected to the combined inputs of the corresponding interpolation elements with odd serial numbers differing from the serial number of this interpolation element by ± 1, the outputs of all interpolation elements make up the set of outputs of the interpolation cascade.
Каждый из элементов фазовой интерполяции, соединенных между собой в блоке фазовой интерполяции описанным выше образом, представляет собой узел взвешенного суммирования двух входных сигналов и в биполярном варианте может быть выполнен в виде двойного балансного смесителя на трех дифференциальных транзисторных каскадах. В схеме двойного балансного смесителя первый и второй дифференциальные транзисторные каскады имеют общие коллекторные резисторы соответственно в правом и левом плечах, а источниками токов смещения являются коллекторные цепи соответствующих транзисторов третьего дифференциального транзисторного каскада, имеющего общий источник тока смещения в эмиттерной цепи. Дифференциальные входы первого и второго дифференциальных транзисторных каскадов служат первым и вторым парафазными входами элемента фазовой интерполяции. Для обеспечения нагрузочной способности и согласования входных/выходных цепей элементов фазовой интерполяции объединенные коллекторы первого и второго дифференциальных транзисторных каскадов подключены к парафазным выходам элемента фазовой интерполяции через эмиттерные повторители.Each of the phase interpolation elements, interconnected in the phase interpolation unit as described above, is a unit for the weighted summation of two input signals and in the bipolar version can be made in the form of a double balanced mixer on three differential transistor stages. In a double balanced mixer circuit, the first and second differential transistor stages have common collector resistors in the right and left shoulders, respectively, and the bias current sources are the collector circuits of the corresponding transistors of the third differential transistor stage, which have a common bias current source in the emitter circuit. The differential inputs of the first and second differential transistor stages serve as the first and second paraphase inputs of the phase interpolation element. To ensure the load capacity and matching of the input / output circuits of the phase interpolation elements, the combined collectors of the first and second differential transistor stages are connected to the paraphase outputs of the phase interpolation element through emitter repeaters.
Принцип действия предлагаемого устройства основан на стробировании состояний цифровой линии задержки в моменты начала и окончания преобразуемого интервала времени импульсами, сдвинутыми относительно друг друга на время Δt в течение времени, равного времени задержки распространения одного звена цифровой линии задержки. Указанные состояния, соответствующие цифровому отсчету фронта и спада интервала времени запоминаются первым и вторым блоками регистров, регистры которых тактируются смещенными на Δt импульсами. Число полных периодов опорного генератора, укладывающихся в интервале, фиксируется счетчиком импульсов. Код, отражающий длительность интервала, образуется как разность отсчетов после преобразования термометрических кодов блоков регистров в двоичные коды в соответствии с выражением:The principle of the proposed device is based on the gating of the states of the digital delay line at the moments of the beginning and end of the converted time interval by pulses shifted relative to each other by a time Δt during a time equal to the propagation delay time of one link of the digital delay line. The indicated states corresponding to the digital counting of the edge and fall of the time interval are remembered by the first and second blocks of registers, whose registers are clocked by pulses displaced by Δt. The number of full periods of the reference oscillator that fit in the interval is fixed by a pulse counter. A code reflecting the duration of the interval is formed as the difference of the samples after converting the thermometric codes of the register blocks into binary codes in accordance with the expression:
где dСЧ - двоичное состояние счетчика импульсов, dРГ1, dРГ2 - преобразованные первым и вторым шифраторами состояния первого и второго блоков регистров соответственно.where d MF - binary state of the pulse counter, d WG1, d WG2 - the converted first and second encoders state of the first and second register units, respectively.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе время-код достигается такая же разрешающая способность, как и в прототипе, но существенно более простыми средствами. Смещенные на Δt тактовые импульсы формируются активным блоком фазовой интерполяции, не требующим юстировки и регулирования. Принцип действия блока фазовой интерполяции рассматривается ниже при описании предпочтительного варианта осуществления изобретения.Thus, in the proposed time-code converter, the same resolution is achieved as in the prototype, but with significantly simpler means. Clock pulses displaced by Δt are generated by the active phase interpolation unit, which does not require adjustment and regulation. The principle of operation of the phase interpolation unit is discussed below in the description of a preferred embodiment of the invention.
Перечень чертежейList of drawings
На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя время-код в соответствии с настоящим изобретением.Figure 1 presents a functional electrical diagram of a time-code converter in accordance with the present invention.
На фиг.2 показана принципиальная схема варианта секции цифровой линии задержки, входящей в преобразователь время-код.Figure 2 shows a schematic diagram of an embodiment of a section of a digital delay line included in a time-code converter.
На фиг.3 показан вариант принципиальной схемы биполярного элемента фазовой интерполяции, используемого в блоке фазовой интерполяции.Figure 3 shows a variant of the circuit diagram of the bipolar phase interpolation element used in the phase interpolation unit.
На фиг.4 изображена временная диаграмма сигналов, поясняющая принцип действия элемента фазовой интерполяции.Figure 4 shows a timing diagram of the signals explaining the principle of operation of the phase interpolation element.
На фиг.5 представлена функциональная схема блока фазовой интерполяции, выполненного на элементах фазовой интерполяции.Figure 5 presents the functional diagram of the phase interpolation unit, performed on the elements of phase interpolation.
На фиг.6 изображены временные диаграммы сигналов в характерных узлах преобразователя время-код, поясняющие принцип его действия.Figure 6 shows the timing diagrams of the signals in the characteristic nodes of the Converter time-code, explaining the principle of its operation.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Представленная на фиг.1 схема преобразователя время-код содержит входной буферный элемент 1, соединяющий входной зажим 2 с управляющим входом счетчика 3 импульсов, входом управляемого элемента 4 задержки и первым входом блока 5 фазовой интерполяции, второй вход которого подключен к выходу управляемого элемента 4 задержки. Счетный вход счетчика 3 импульсов присоединен к основному выходу цифровой линии 6 задержки, имеющий множество промежуточных выходов, сигнальный вход и управляющий вход. Сигнальный вход цифровой линии 6 задержки соединен с выходом опорного генератора 7 и одним входом блока 8 фазового сравнения, у которого другой вход соединен с основным выходом цифровой линии 7 задержки, а выход - с ее управляющим входом. Промежуточные и основной выходы цифровой линии 6 задержки подключены к соответствующим информационным входам первого 9 и второго 10 блоков регистров, причем тактовые входы регистров первого блока 9 регистров подключены к соответствующим прямым выходам блока 5 фазовой интерполяции, а тактовые входы регистров второго блока 10 регистров - к соответствующим инверсным выходам блока 5 фазовой интерполяции. Выходы первого блока 9 регистров, представляющие собой упорядоченную совокупность всех выходов всех входящих в него регистров, подключены к соответствующим входам первого шифратора 11, а выходы второго блока 10 регистров - к входам второго шифратора 12. Выходы счетчика 3 импульсов и второго шифратора 12 присоединены к соответствующим входам уменьшаемого блока 13 вычитания, входы вычитаемого которого соединены с соответствующими выходами второго шифратора 12. Входы старших разрядов вычитаемого подключены к шине «0», поскольку разрядность уменьшаемого в общем случае меньше разрядности вычитаемого. Блок 13 вычитания на своих выходах 14 образует результат преобразования интервала времени в цифровой код.The time-code converter circuit shown in FIG. 1 contains an
Цифровая линия 6 задержки в предпочтительном варианте осуществления представляет собой последовательную цепь управляемых электронных элементов 15 задержки, объединенные управляющие входы которых служат управляющим входом цифровой линии задержки, а их выходы - выходами цифровой линии 6 задержки. Элементом задержки может служить любой неинвертирующий логический элемент, допускающий электронное регулирование времени задержки распространения. В биполярном варианте это может быть буферный элемент эмиттерно-связанной логики с регулируемым током смещения, схема которого показана на фиг.2. Схема состоит из дифференциального переключателя тока на транзисторах 16, 17 с раздельными коллекторными резисторами 18, 19 с общим источником эмиттерного тока на транзисторе 20 и резисторе 21. Диоды 22, 23 шунтируют коллекторные нагрузки транзисторов 16 и 17 для ограничения размаха выходного напряжения. Эмиттерные повторители на транзисторах 24, 25 с соответствующими нагрузочными резисторами 26, 27 служат для согласования уровней входных/выходных сигналов. Времязадающим конденсатором 28 может служить паразитная емкость схемы. Дифференциальным парафазным входом элемента 15 задержки служат базы 29 транзисторов 16 и 17, а дифференциальным парафазным выходом - выходы 30 эмиттерных повторителей 24 и 25. База 31 транзистора 20 в источнике тока смещения служит управляющим входом элемента 15 задержки. Изменение напряжения на управляющем входе 31 приводит к изменению тока смещения каскада и, следовательно, к изменению скорости перезаряда конденсатора 28. Это означает изменение времени задержки распространения, которое обычно отсчитывается по уровню половины размаха выходного напряжения.Digital delay line 6 in a preferred embodiment is a series circuit of controlled electronic delay elements 15, the combined control inputs of which serve as the control input of the digital delay line, and their outputs are the outputs of the digital delay line 6. The delay element can be any non-inverting logic element that allows electronic control of the propagation delay time. In the bipolar version, it can be a buffer element of emitter-coupled logic with an adjustable bias current, the circuit of which is shown in Fig.2. The circuit consists of a differential current switch on
Основу блока 5 фазовой интерполяции составляют элементы фазовой интерполяции, каждый из которых в биполярном варианте исполнения может быть построен как двойной балансный смеситель, упрощенная схема которого показана на фиг.3. Схема выполняет взвешенное суммирование входных сигналов. Схема включает три дифференциальных транзисторных каскада на транзисторах соответственно 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37, два из которых переключаются входными парафазными сигналами А и В, а третий распределяет ток общего источника 38 между двумя первыми каскадами в соответствии с управляющим напряжением U. Пара дифференциальных каскадов на транзисторах 32 и 33, 34 и 35 имеют общую коллекторную нагрузку в виде резисторов 39 и 40, напряжения с которых выводятся на парафазный выход D, с помощью эмиттерных повторителей на транзисторах 41 и 42, служащих также для согласования уровней входных и выходных сигналов элементов фазовой интерполяции. Конденсатором 43, определяющим задержку распространения элемента фазовой интерполяции, может быть паразитная емкость схемы, приведенная к точкам подключения. На фиг.3 приведено также используемое ниже упрощенное графическое обозначение элемента фазовой интерполяции.The phase interpolation unit 5 is based on phase interpolation elements, each of which in a bipolar embodiment can be constructed as a double balanced mixer, a simplified diagram of which is shown in FIG. 3. The circuit performs a weighted summation of the input signals. The circuit includes three differential transistor stages on
Фиг.4 иллюстрирует принцип действия элемента фазовой интерполяции, схемаFigure 4 illustrates the principle of operation of the phase interpolation element, diagram
гдеWhere
a R - сопротивление выравнивающего резистора в эмиттерной цепи управляющего дифференциального каскада. Если моменты поступления tA и tB фронтов (или спадов) сигналов различаются на tB-tA, то в процессе двухэтапного перезаряда емкости сначала током IA, а затем полным током I0 задержка выходного сигнала D относительно входного сигнала А, отсчитанная по уровню половины перепада, составитa R is the resistance of the equalizing resistor in the emitter circuit of the control differential stage. If the arrival times t A and t B of the edges (or slopes) of the signals differ by t B -t A , then in the process of two-stage recharging of the capacitance, first with current I A , and then with full current I 0, the delay of the output signal D relative to input signal A, calculated by the level of half the difference, will be
где - время задержки при совпадающих фронтах сигналов А и В. При изменении управляющего напряжения U в пределах от -RI0 до +RI0 значение k(U) изменяется от 1 до 0. Коэффициент k(U), следовательно, определяет влияние входа В на задержку распространения сигнала от входа А до выхода D. В описываемом устройстве элемент фазовой интерполяции используется в режиме U=0, при этом k(U)=1/2 и фронт выходного сигнала D располагается по центру между фронтами задержанных на входных сигналов А и В.Where - the delay time at the matching edges of the signals A and B. When the control voltage U varies from -RI 0 to + RI 0, the value of k (U) changes from 1 to 0. The coefficient k (U), therefore, determines the effect of input B on the propagation delay of the signal from input A to output D. In the described device, the phase interpolation element is used in the mode U = 0, with k (U) = 1/2 and the front of the output signal D is located in the center between the edges of the delayed input signals A and B.
Блок 5 фазовой интерполяции содержит последовательно соединенные каскады интерполяции. В приведенном на фиг.5 примере схемы этого блока первый каскад интерполяции, состоящий из элементов 43, 44, 45 фазовой интерполяции, имеет два входа и три выхода, второй каскад интерполяции включает элементы 46...50 и имеет три входа, соединенных с тремя выходами первого каскада, и пять выходов. Третий каскад фазовой интерполяции состоит из элементов 51...59 фазовой интерполяции и имеет пять входов и девять выходов. Парафазный выходной сигнал каждого из элементов 43...59 фазовой интерполяции располагается по центру между задержанными входными сигналами этих элементов, то есть задержка распространения выходного сигнала относительно сигнала на первом входе составляет где tB, tA - моменты поступления сигналов на входы В и А соответственно. Поскольку входы элементов 42, 44 46, 48, 50, 51, 53, 55, 57 и 59 объединены tB=tA, то они выполняют функции простых элементов задержки на время . Остальные элементы фазовой интерполяции в схеме выполняют основную функцию фазовой интерполяции. Выход элемента 59 фазовой интерполяции не используется, данный элемент служит для выравнивания нагрузок элементов в блоке. С каждым каскадом фазовой интерполяции квант времени уменьшается в два раза, если входные сигналы блока 5 фазовой интерполяции разделены интервалом времени , то в трехкаскадном примере осуществления этого блока парафазные сигналы на смежных выходах оказываются разделенными интервалами Δt=/8.The phase interpolation unit 5 comprises series-connected interpolation stages. In the example diagram of this block shown in FIG. 5, the first interpolation stage, consisting of
Порядок функционирования устройства (фиг.1) иллюстрируется временными диаграммами, показанными на фиг.6. До поступления преобразуемого сигнала 60 опорный генератор 7 непрерывно снабжает цифровую линию 6 задержки опорными импульсами, которые по мере распространения появляются на ее промежуточных отводах (61, 62, 63, ...), пока не достигают основного выхода 64. Импульсы 64 основного выхода цифровой линии 6 задержки сравниваются по фазе с ее входными импульсами с выхода опорного генератора 7 в блоке 8 фазового сравнения, выходное напряжение которого подстраивает время задержки распространения каждого входящего в цифровую линию 6 задержки управляемого элемента 15 задержки так, что время задержки всей цифровой линии 6 задержки постоянно равно периоду То импульсов опорного генератора 7. Поскольку управляемый элемент 4 задержки идентичен управляемым элементам 15 задержки в составе цифровой линии 6 задержки, то их времена задержки распространения одинаковы и равны , где N - число секций цифровой линии 6 задержки.The operating order of the device (figure 1) is illustrated by the timing diagrams shown in Fig.6. Until the
В момент поступления фронта входного сигнала 60 на входной зажим 2 блок 5 фазовой интерполяции начинает формирование тактовых импульсов 65...69 (в данном примере осуществления восемь парафазных сигналов), которые появляются последовательно на выходах блока 5 фазовой интерполяции в порядке возрастания их номеров. По фронтам этих импульсов, задержанных относительно друг друга на (М - число парафазных выходов блока 5 фазовой интерполяции, в данном примере равное 8), тактируются соответствующие регистры в первом блоке 9 регистров и в них записываются состояния выходов цифровой линии 6 задержки. Таким образом производится отсчет состояний выходов цифровой линии 6 задержки, соответствующих началу преобразуемого интервала времени Тx. Также с момента поступления входного сигнала разрешается работа счетчика 3 импульсов, который в течение интервала Tx заполняется импульсами с основного выхода 64 цифровой линии 6 задержки.When the front of the
По окончании интервала Тx начинается процесс отсчета состояний выходов цифровой линии 6 задержки. При этом на инверсных выходах блока 5 фазовой интерполяции в порядке нарастания их номеров с последовательно нарастающей на Δt задержкой появляются фронты импульсов, которые тактируют соответствующие регистры во втором блоке 10 регистров. В результате во втором блоке 10 регистров оказываются записанными отсчеты состояний выходов цифровой линии 6 задержки, соответствующие окончанию преобразуемого интервала времени Тx.At the end of the interval T x begins the process of counting the states of the outputs of the digital delay line 6. In this case, on the inverse outputs of the phase interpolation unit 5, in the order of increasing their numbers with a successively increasing delay by Δt, pulse fronts appear, which clock the corresponding registers in the second block of 10 registers. As a result, in the second block 10 of the registers, the samples of the outputs of the outputs of the digital delay line 6 corresponding to the end of the converted time interval T x are recorded.
Записанные в блоки 9 и 10 регистров коды в порядке: регистр 1 - выход 1, регистр 2 - выход 1, регистр 3 - выход 1, ..., регистр 1 - выход 2, регистр 2 - выход 2, ... регистр (М-1) - выход N, регистр М - выход N являются термометрическими N×М - разрядными кодами вида 000...111 либо 111...000. Эти коды преобразуются в прямые двоичные коды разрядностью log2(N×М) соответствующими первым 11 и вторым 12 шифраторами. Накопленное за время Тх содержимое Sсч счетчика 3 импульсов и двоичное число Sш2 выхода второго шифратора 12 составляют соответственно старшие и младшие разряды полного отсчета состояния цифровой линии 6 задержки при окончании интервала времени Тх: S2=SсчSш2. Аналогичный отсчет Sш1 состояния цифровой линии 6 задержки, соответствующий началу интервала времени Тх, образуется на выходе первого шифратора 11.The codes recorded in blocks 9 and 10 of the registers are in the order: register 1 -
Число S2=SсчSш2 и число S1=0Sш1 с приписанными в старших разрядах нулями поступают на соответствующие входы комбинационного блока 13 вычитания, который на своих выходах образует результат преобразования интервала времени Тх как разность двух отсчетов:The number of S 2 = S MF and S w2 number S 1 = 0S w1 with ascribed to zero MSBs fed to corresponding inputs of the combination unit 13, subtraction, which forms at its outputs the result of converting the time interval T x as the difference between two samples:
где - коэффициент пропорциональности (ед/сек). Результат преобразования получается в единицах Δt.Where - proportionality coefficient (units / sec). The conversion result is obtained in units of Δt.
Во избежание необходимости дополнительных преобразований произведение N×M следует выбирать равным целой степени двух. Перед следующим циклом преобразования счетчик 3 импульсов должен быть сброшен (цепь сброса на фиг.1 не показана).To avoid the need for additional transformations, the product N × M should be chosen equal to an integer power of two. Before the next conversion cycle, the
Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет преобразование время-код с субвентильным разрешением по времени, но обладает упрощенной по сравнению с прототипом реализацией.Thus, the proposed device performs the conversion of time-code with a subventive resolution in time, but has a simplified implementation compared to the prototype.
ЛитератураLiterature
1. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с.166, рис.3.27.1. Shlyandin V.M. Digital measuring devices: Textbook for high schools. - M.: Higher School, 1981, p. 166, Fig. 3.27.
2. Там же, с.163, рис.3.25.2. Ibid., P.163, fig. 3.25.
3. Патент США 4439046, МПК G048/00, 27.03.1984 г.3. US patent 4439046, IPC G048 / 00, 03/27/1984
4. Устройство для измерения интервала времени. Заявка на изобретение №2004108575/28 (009039), МПК G04F 10/04, решение о выдаче патента от 22.03.2005 г.4. Device for measuring the time interval. Application for invention No. 2004108575/28 (009039), IPC G04F 10/04, decision on the grant of a patent dated March 22, 2005
5. Mota M., Christiansen J. A High-Resolution Time Interpolator Based on a Delay Locked Loop and an RC Delay Line. - IEEE Jornal of Solid-State Circuits, Vol.34, № 10, October 1999, pp.1360-1366 (Fig.2, p.1361) - прототип.5. Mota M., Christiansen J. A High-Resolution Time Interpolator Based on a Delay Locked Loop and an RC Delay Line. - IEEE Jornal of Solid-State Circuits, Vol.34, No. 10, October 1999, pp.1360-1366 (Fig.2, p.1361) - prototype.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005128884/28A RU2303803C2 (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Time-code transformer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005128884/28A RU2303803C2 (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Time-code transformer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005128884A RU2005128884A (en) | 2007-04-27 |
RU2303803C2 true RU2303803C2 (en) | 2007-07-27 |
Family
ID=38106547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005128884/28A RU2303803C2 (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Time-code transformer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2303803C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464612C1 (en) * | 2011-04-14 | 2012-10-20 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Method for recirculation-nonius time-to-digital conversion |
RU2494430C1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-09-27 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Method for recirculating-vernier time-code conversion |
RU2494429C1 (en) * | 2012-03-29 | 2013-09-27 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Recirculating conversion method of single time intervals of nanosecond duration to digital code |
RU2546075C1 (en) * | 2014-05-13 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Time interval digital measuring transducer |
-
2005
- 2005-09-15 RU RU2005128884/28A patent/RU2303803C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Mota M., Christiansen J. A High-Resiolution Time Interpolator Based on a Delay Locked Loop and an RC Delay Line. - IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.34, No.10, October 1999, pp.1360-1366 (Fig.2, p.1361). * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464612C1 (en) * | 2011-04-14 | 2012-10-20 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Method for recirculation-nonius time-to-digital conversion |
RU2494429C1 (en) * | 2012-03-29 | 2013-09-27 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Recirculating conversion method of single time intervals of nanosecond duration to digital code |
RU2494430C1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-09-27 | Юрий Геннадьевич Абрамов | Method for recirculating-vernier time-code conversion |
RU2546075C1 (en) * | 2014-05-13 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Time interval digital measuring transducer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005128884A (en) | 2007-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6771202B2 (en) | Analog-to-digital conversion method and device | |
JP3553639B2 (en) | Timing adjustment circuit | |
US8138958B2 (en) | Vernier ring time-to-digital converters with comparator matrix | |
JP3592376B2 (en) | Time interval measuring device | |
TWI379518B (en) | Method and apparatus for calibration a delay chain | |
Szplet et al. | An FPGA-integrated time-to-digital converter based on two-stage pulse shrinking | |
Kwiatkowski et al. | Efficient implementation of multiple time coding lines-based TDC in an FPGA device | |
US20100026545A1 (en) | Ramp-based analog to digital converters | |
JP2009527157A (en) | Time-to-digital conversion with calibration pulse injection | |
JP3378667B2 (en) | Variable delay circuit for periodic clock | |
Jansson et al. | Synchronization in a multilevel CMOS time-to-digital converter | |
KR20220012848A (en) | circuit system | |
JP3319340B2 (en) | Semiconductor circuit device | |
RU2303803C2 (en) | Time-code transformer | |
US7843374B2 (en) | Priority encoder | |
JPH0682573A (en) | Time interval detecting circuit | |
US5373292A (en) | Integration type D-A/A-D Conversion apparatus capable of shortening conversion processing time | |
US5900761A (en) | Timing generating circuit and method | |
US9904253B1 (en) | Time-to-digital converter using time residue feedback and related method | |
KR100270350B1 (en) | Delay circuit | |
EP3146633A1 (en) | Fully-digital fully-synthesizable delay-line analog to digital converter | |
US11435702B2 (en) | Time-to-digital converter | |
TWI473432B (en) | Multiphase clock divider | |
CN114967411A (en) | Multi-stage time-to-digital converter with automatic reset mechanism | |
Ramzy et al. | High resolution time-to-digital converter using low resources FPGA for time-of-flight measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070916 |