[发明专利]一种具有高精度时间标记的数据采集系统

说明书

技术领域

本发明属于数据采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种具有高精度时间标记的数据采集系统，它能够精确地标记被测信号波形各采样点的绝对时间或相对时间。

背景技术

随着科技的进步，数据采集系统在信号获取的速度与精度上获得了极大发展，广泛应用于电子测量、通信、雷达、航空航天等各个领域。但传统仅以信号采集为目的的系统已不能完全满足工程实际应用中的功能多样化要求。

在激光主动遥感与探测领域里，新一代脉冲激光成像系统采用了对回波波形进行全波形分析技术，其发射单次激光脉冲即可获取一个激光脚印内复杂目标的回波全波形信息并可充分分析其脉冲时间、幅度、脉宽及脉冲个数等综合信息。这就需要激光回波的数据采集系统不仅具有信号波形采集功能，而且还需要波形的各个采样点与发射脉冲起始时刻的精确时间间隔。因此，一种具有波形采集和高精度时间间隔测量的数据采集系统就具有极为重要的作用，其原理如图1所示。采样时钟SCLK对待测信号S2进行采样量化，获取波形信息。为获得各个采样时刻的与起始时刻信号S1的时间关系，则依采样时钟周期稳定性，只需获得采样波形中的任一采样时刻与起始时刻之间的时间间隔Δt即可获得全部采样时刻的时间间隔关系，即可标记各个采样时刻的时间。

该数据采集系统不仅具有对采集信号的波形进行采样量化功能，还需具有能够提供第dn个采样点的时间结束信号S3与起始时间信号S1之间时间间隔信息，进而获得每个采样点与起始时刻的时间间隔关系。若起始时刻的信号S1是绝对时间的起始时刻，则加上时间间隔信息就可以获得每个采样时刻的绝对时间；反之，若S1为相对起始时间，则最终获得每个采样时刻的相对时间。

目前，在市面上可直接获得的数据采集系统核心器件ADC（模数转换器）中，分辨率为8bit的ADC采样率可达5GSPS；分辨率为16bit的ADC采样率可达250MSPS。以数字存储示波器为代表的传统数据采集系统具有强大的数据采集与丰富的功能，通常具有两个以上通道，且具有一定精度的通道间数据同步采集能力，但并不提供各通道采样点的具体采样时刻信息，且通道间的时间同步精度一般只具有最低采样周期的等级，如5GSPS的采集系统，通道间的时间同步精度为400ps。这无法满足更高精度的时间同步需求。

传统数据采集系统的原理框图如图2所示。待测模拟信号经调理通道1、2后送至ADC₁、ADC₂进行模数转换，同时也把该信号送至触发通道，在进行相应的触发选择和设置后输出触发信号到实时接收与处理平台里进行相应的采样数据存储控制。实时接收与处理平台一般选用FPGA（现场可编程逻辑阵列）和DSP（数字信号处理器）的组合构架。FPGA接收来自ADC采样后的数据data1、data2与数据同步时钟dclk1、dclk2进行相应的数据处理，DSP统管整个数据采集系统的控制过程。

从传统的数据采集系统构架原理可以看出，通道间采样时间同步由通道延迟时间、ADC采样同步时间和数据存储同步时间等三个方面决定的。通道间的延迟时间差可以由硬件电路的一致性做到较高精度的保证；ADC的采样同步时间差由采样时钟相位和复位信号给予精确保证；采样数据存储是由触发信号控制的，由于触发信号与采样时钟不具有相关性，因此数据存储同步时间只能保证在±T_s（T_s为采样周期）内。由此得到，两个通道间的采样同步时间大于2T_s。如采样周期为1ns，则通道间的采样同步时间大于2ns。这时以其中一个通道的输入信号作为起始时间的开始，则可以标记另外一个通道的采样时刻，但精度较低。同时由于采样的存储容量有限，于是在起始时刻与待测信号之间的时间间隔较大时该采集系统便无法完成待测信号的时间标记。

另外，在数字存储示波器的采集系统中，预触发功能也具有一定的时间标记能力，即以开始采集为时间的起始点、以触发的到来为结束点进而标记各个采样点的时间。但其精度较低，且一般不提供给用户使用，也就是不可控。

时间间隔测量的方法很多，如电子计数法、模拟内插法、游标法、时间-幅度转换法等。时间间隔的测量精度也已达到很高。在市面上可直接获得的TDC（时间-数字转换器）芯片的测量精度可达10ps。更有甚者，据报道在实验室里已获得了1ps精度的时间间隔测量系统。

以激光测距为代表的时间间隔测量系统具有很高的测量精度，但不具有全波形采集并存储的能力。这已远远不能满足具有高精度时间标记的全波形采集的要求。

发明内容