[发明专利]一种高精度的正负时间间隔测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于正负时间间隔测量技术领域，尤其涉及的是一种高精度的正负时间间隔测量方法及装置。

背景技术

高精度的时间间隔测量技术广泛应用于卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理探测和时频测量等领域。美国国家科学院将其作为评估国家国防力量的重要标志之一，每年都会举办精密时间和时间间隔测量技术交流会，并将其作为国家须大力发展的科学技术之一。当前广泛应用的时间间隔测量方法有脉冲计数法、模拟内插法、延迟线内插法、游标法和时间－幅度转换法。脉冲计数法的测量精度由脉冲计数时钟决定，测量误差为±1个时钟周期，为了提高测量精度需要相应地提高计数时钟频率。以目前的成熟技术水平来说，计数时钟频率最高只能工作到2～3GHz，这样时间测量精度只能达到500ps左右，远不能满足目前大多数情况下对时间间隔测量精度的要求。模拟内插法是基于窄脉冲扩展技术来提高测量精度，脉冲展宽后会引起测量时间的增加，单次测量时间最少也需要几百纳秒以上，因此该方法不适合于对测量速度要求较高的场合。目前高精度时间间隔测量领域应用最普遍的方法为后三种，其时间间隔测量精度都可以达到几十皮秒。

延迟线可以分为抽头延迟线和差分延迟线两种，差分延迟线较抽头延迟线可以实现更高的测量精度，但消耗资源也更多。有大量研究已经将该种方法成功地在FPGA中实现，利用FPGA内部的查找表、进位链和级联链作为延迟单元，可以实现100ps左右的测量精度。由于FPGA内部的延时单元受温度和供电电压的影响较大，它的环境适应性很差，实用过程中需要进行大量补偿和校准才能保障其测量精度，因而目前它的商用价值不太显著。游标法和时间－幅度转换法已有成功应用于商用测试仪器的先例，例如安捷伦公司研制的通用频率计53230A利用游标法实现了20ps的时间测量分辨率，斯坦福大学研制的时间间隔测试仪SR620利用时间－幅度转换法也达到了20ps的时间测量分辨率。为了实现高的时间测量分辨率，这两种方法对加工工艺要求较高，制作成本也较昂贵，只是在对时间间隔测量指标要求较高的场合使用较多。本发明利用通用集成器件设计了一个高精度的时间间隔测量装置，不仅取得了40ps的时间测量分辨率，而且制作成本较低、实现门槛也不高，具有较高的实际推广价值。

时间间隔是用来描述一个事件相对于另一个事件发生时间的领先程度，用时间值来度量。当参考事件发生在先时，所得时间间隔测量值为正；反之，时间间隔测量值为负。参考事件与观察事件发生的先后顺序有时是未知的，对这种情况进行时间间隔测量时就需要用到正负时间间隔测量。目前具有正负时间间隔测量功能的仪器有很多，在实现方案上最具代表性是惠普公司的频率时间间隔分析仪HP5370，其正负时间间隔测量的实现原理框图如图1所示。假设事件1为参考事件，事件1与事件2之间关系如图2所示，其工作原理如下：由于参考事件发生在前，提取单元101输出的检测极性为正，用高电平来表示；由事件1和事件2的上升沿同步产生测量闸门，测量闸门的高脉冲对应需要测量的时间间隔值；闸门信号由时钟计数单元102进行粗测，内插单元103进行精测后，就可以得到测量闸门高脉冲的精确时间值；与检测极性值相结合就可以得到需要测量的正负时间间隔。利用上述方案HP5370实现了200ps的时间间隔测量分辨率，时间间隔测量范围达到了－4s～+4s。它的提取单元101采用具有知识产权的定制集成芯片来实现，内插单元103采用延迟线来实现，这两个单元也是整个方案的核心所在，具有较高的技术实现难度。

现有技术中的缺点在于：

1、采用单通道完成正负时间间隔测量时，当两事件发生时刻相距很近时，例如时间间隔小于50ps时，以目前器件的响应速度来说很难判断出那个事件领先、那个事件迟后，正负时间间隔测量时极性检测会存在一段死区，这样会降低正负时间间隔测量的准确度。

2、同缺点1的上述条件，测量闸门提取电路和窄脉冲测量电路都无法实现如此高的时间间隔测量精度。由于受器件脉冲识别能力的限制，测量闸门不可能无限小；另外窄脉冲意味着它具有较高的频率分量，这对印制板的布局和走线也将带来了不小的挑战，这些因素会限制正负时间间隔测量分辨率和测量精度的进一步提高。

3、时间测量上采用了粗测和精测相结合的实现方式，粗测单元和精测单元必须做同步处理，不然有些测量结果会引入±1个测量时钟周期的误差。当事件上升沿与时钟上升沿邻近时，由于脉冲计算单元和内插单元的响应速度不一致，内插单元103可能已经识别到最近的时钟沿，脉冲计算单元不满足建立保持时间而错过了相应的时钟沿，这样就会导致时间测量结果出现-1个时钟误差；同理下降沿会出现+1个时钟误差。