高精度时间间隔测量方法综述_孙杰
高精度短时间间隔测量方法及应用
总第170期2008年第8期 舰船电子工程S hi p E lectronic Engineering V ol .28N o .8 175 高精度短时间间隔测量方法及应用3袁湘辉 吴文全(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)摘 要 介绍了一种通过积分将短时间间隔扩展为长时间的测量方法,并对测量误差进行了分析。
结果表明,应用本方法采用普通器件就可以对短时间间隔进行高精度测量,可应用于高精度小相位差测量等场合。
关键词 测量;短时间;积分中图分类号 TN 707A High Precision M easurem ent M ethod for L ittle Tim eIn terval and Its App licationYuan X ian ghu i W u W enquan(Coll ege of E lectronic E nginee ri ng,N ava l U nive rsity of E nginee ring,W uhan 430033)A b s tra c t A m e t hod of m easuring little ti m e inte rva l through int egral circuit is introduced in this paper,and the m easured e rrors is analyzed by t his m ethod .Based on thi s m ethod,a hi gh p recision can be obtained using ordinary devices in the field of m easuring little phase difference .Ke y w o rd s m easure m ent,little ti m e interva l ,integral C l a s s N um be r TN 7071 引言通用时间间隔测量是采用电子计数器测量,在要测量的时间间隔内电子计数器进行计数,根据计数的个数就可以得到时间间隔。
利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量
万方数据万方数据万方数据万方数据２６３０仪器仪表学报第２９卷图５高精度时ＩｂＪ删隔测赶系统样机实物ｎｇ５ＴｈｅｐｈｏｆｏｏｆｔｈｅｌｉｍｅｉｎｌｅｒｖａＩｍｅａｓｕｒｅｍｅｎＩｐｍｍｆｙｐｅ４．２测试结果网６给ｆＩ｛了采样率为ｌ【）ｏＭｓ／ｓ，量化位数为１４比特时，通道ｌ（ＣＨｌ）干¨通道２（ｃＨ２）进行的１００次测量结果。
此外，表２给出厂上文提到的３种情况下的各通道的槲位（时延）估计精度和时间Ｊ’日Ｊ隔测量精度。
由表中的数据，可以得出如Ｆ结论：１）单通道相位（时间）测量精度和双通道时间间隔测莆精度均在ｌＯｐｓ左右，三种情况的差异不太明显。
相对来说，时间间隔测量精度在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１４比特量化的最高，优于ｌＯｐｓ；在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１０比特量化时最低，略微超过１０ｐｓ。
２）实验结果基本上体现不出３种情况下的精度差异，均低于表ｌ的理论精度。
这是冈为单通道相位（时间）的估计结果受触发误差和被测频标信号抖动的影响。
这两个误差约为１０ｐｓ，远大于相位（时间）估计误差。
３）作为双通道差的时间间隔测量结果中消除了被测频标信号抖动的影响，应该精度高于单通道测量结果。
但是｝｝１于实验系统巾两块采集卡之问时钟同步存在一定抖动，降低了测量结果的精度，凶而时间问隔的测量精度约为ｌＯｐｓ左右。
图６测量结果曲线（１００ＭＳ／８采样率、１４比特最化）¨ｇ．６Ｐｈａｓｅａｎｄ“ｍｅｊｎｌｅⅣａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ（ｓａｍＩ＇ｌｉｎｇｒａｔｅ１００ＭＳ／ｓ，】４ｂ）表２三种采样率下样机精度对比（厶ｒ－１０ＭＨｚ，Ⅳ＝ｌ０“）Ｔａｂｌｅ２Ａｃｃｕｒａｃｙｃｏｍｐａｒ勘ｎｕｎｄｅｒｔｈｒ托ｃ衄ｄｉ６０陋（矗ｆ－１０ＭＨｚ．～＝ｌ０２４）５结论从实验数据与理论结果对比，可以发现由于实验系统各环节引入的噪声，使得测试结果难以反映３种测试情况的差异。
综合来看，实验系统达到了ｌＯｐｓ的测肇精度。
高精度时间间隔测量技术与方法探讨
Ｌ Ｏ Ｗ Ｃ Ａ Ｒ Ｂ ０ Ｎ Ｗ０ 尺 Ｌ Ｄ ２ ０ １ ５ ／ ， １
高精度 时 间间隔测量技 术 与方法探 讨
潘其锋 ， 唐伟华 （ 浙江新景市政园林有限公司， 浙江 绍兴 ３ １ ２ ０ ０ ０ ）
【 摘 要 】 随著社会经济的发展 以及科学技术的进步， 时间间隔测量技术在越来越多的领域得到 了更为广泛 的运用。尤其是在激光测距、 卫星定
位、 天 文观 测 、 芯 片 设计 、 原 子物 理 、 电信 通讯 等 领 域 ， 时 间 间 隔测 量 技术 以 及 方法 起着 非常 重 要 的作 用 ， 可 以说 这 些领 域 的发展 离 不 开 时 间 间隔 测
量 技术 的应 用。但 是 ， 使 时 间 间隔 测 量 的精 度 更加 精 确仍 然 是 当前 科 技发 展 需 要不 断 跟进 的 问题 。目前 ， 高精 度 时 间 间隔 测量 方法 并 不少 见 ， 因此
２ ． １ 直接计数法
目前 ， 直接计数法在电路计数 中． 其 频 率 单 位 已经 达 到 数 他 的物理 量相 比较 时间却 有着 更 高的测 量准 确度 以及分 辨 率 ， ＧＨｚ ， 所 以 当分 别率 要 求 为 纳秒 量 级 时 ． 可 以 通过 高 时 钟 频 率 从 某一程度 上 而言 ， 时 间是唯 一能 够 实现 较远 距 离校 准 以及 传递 信 号 来直 接 计数 ， 因为 这 一 方 法应 用原 理 非 常 简单 。 但是在 实 的 物 理 量 。所 以 ， 时 间 作 为 一 个 重要 的 物 理 量 ， 对 于 测 量 技 术 的 发 际的测量当中， 如 果要 实现 分辨 率 １ ０ ０ ｐ ｓ 或 者 以上 。 那 么计 数 展有 着非 常深远 的意 义。 自 从 时间 间隔测 量技 术发展 以来 ， 就被 频 率就 需要 ２ ０ ＧＨｚ或 以上 ， 也就 是 信 号 需要 达 到微 波段 ｛ ． 、但 测 量领域 给予 了高度 的重视 ． 不仅 因为它 为研 究新的 方法 指 明 了 是 事 实上 这 样 精 确 的 信 号是 难 以 实现 的 ． 并 且 由于 参 数 效 应 ， 道路 ． 同时也 为其他 技 术的进 步 以及 经 济 的发 展 带来 了非 常积极 也 难 以在 普 通 的 电路 中 实现 换 而言 之 ， 直 接 计 数 法精 确度 目 的 影响 。因此 ， 本文 通过 总结前人 经验 与理论 ． 对 高精 度 时 间间隔 前仅 可 以达 到 纳 秒级 别 。 不过 ， 直接 计数 法在 存 储 上 占有 一 定 测 量技 术与其 方法进 行深入 的分析 的优势． 通 常 只 需要 存储 单 元 就 能 够 实现 较 大 量程 。 而在 实 际
高精度时间间隔测量系统
Ｘｉ ｎ ｎｇ Ｙａ （ ｔ ｎ ｌＴｉ ｅ ｖ ｃ ｎ ｅ Ｎａ ｉ ａ ｍｅ Ｓ ｒ ｉｅ Ｃｅ ｔ ｒ，Ｃｈｉ ｅ ｅ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｉ ｎ ｅ ，Ｘｉ ｎ ７ ０ ０ ） ｏ ｎ ｓ ａ ｅ ｆＳｃｅ ｃ ｓ ’ １ ６ ０ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｅ ｉ ｅ ｖａ ｅ ｓ ｅ ｅ ｓ ｉ ｅ ｙ ｉ ｐｏ ｔ ｎｔｉ ｉ ｅ ｓ ｎｃ ｏ ｚ ｔｏｎ ｓ ｔ ｍ ｓ ｓｒ ｃ ： ｍ ｎｔ ｒ ｌｍ ａ ｕｒ ｍ ｎｔ ｓ ｖ ｒ ｍ ｒ ａ ｎ ｔｍ ｙ ｈｒ ｎｉａ ｉ ｙｓ ｅ ．Ｔｈｉ ｒ ｉｌ ｓ ｒｂ ｓ ｉ ｅ ｓ ａ ｔｃｅ ｄｅ ｃ ｉ ｅ ａ ｔｍ
Ｃ Ｕ 模 块 的 主 要 功 能 是 接 收 和 处 理 数 据 ， 现 时 间 间 隔 测 Ｐ 实 量 系统 与 其 他 器件 的通 信 ， 制 整 个 系 统 的工 作 时 序 ； 控 时
时间频 率系 统 中 时 间 同 步 一 直 都是 一 个 被 广 泛 关 注
的问题 ， 时 间间 隔的测量 又是 时 间 同步 中非 常关 键 的部 而
也 相对 比较 昂贵 。因此 ， 制 一 种 专 门用 于 时 间 同步 系统 研 的时 间间 隔测量 系统 就显得 很有 必要 。
时间间隔测量
高精度时间间隔测量方法综述摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。
在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。
文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。
关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换0引言时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。
时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。
本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。
1 电子计数法1.1 测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得量化时钟频率为0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔x T 为：()210T T T M N T x -+⋅-= （1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为：()0'T M N T x ⋅-= （2） 比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=∆，其最大值为一个量化时钟周期0T ，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。
除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到：()()00'..T M N T M N T x ∆-+-∆=∆ （3）比较表达式（3）（2）：()()0''T T M N M N T T x x ∆+--∆=∆ （4） 根据电子计数法原理，()1±=-∆M N ，0'T T M N x=-，因此：00'0'T T T T T x x ∆⋅+±=∆ （5）00'T T T x ∆⋅即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T ∆，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。
时间间隔测量方法及误差分析
时间间隔测量方法及误差分析作者：李新声来源：《中国科技博览》2013年第36期[摘要]本文针对电子计数法测量时间间隔存在原理误差、时标误差和触发误差的问题进行了分析，并且提出了减小电子计数法测量误差的方法。
[关键词]时间间隔电子计数中图分类号：F416.63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0349-01引言：电磁信号的时间测量主要是指时间间隔的测量，时间间隔是起始信号和终止信号之间所经历的时间，广义上也包括周期测量。
时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域起着非常重要的作用，因此提高测量时间间隔测量准确度是测量领域一直关注的问题。
1 时间间隔测量原理（如图1）随着科学技术的发展，电子计数器的使用越来越广泛，特别是在时间间隔测量中，它已成为通用的测量设备。
电子计数器通常由时基，控制单元，计数及显示单元等部分组成。
电子计数器机内晶振输出的信号（周期为T0）经分频倍频后，以脉冲列的形式（时基T0）通过主闸门进入计数器。
由被测信号控制主闸门，而用时基脉冲进行计数。
在时间间隔测量中设置了B，C两个输入通道，分别送出起始信号和终止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号。
根据被测时间间隔TX内进入计数器的时标脉冲T0的个数N，得到两个被测信号之间的时间间隔Tx，即Tx=T0*N。
利用电子计数器的时间间隔测量功能既可以对周期信号进行测量，也可以对非周期信号进行测量，可以方便的实现脉冲宽度，上升时间，下降时间的脉冲参数的测量。
例如要实现上升时间的测量，只需将脉冲同时接入B，C两个通道，B通道触发电平设置为信号幅度的10%（正极性），C通道触发电平设置为信号幅度的90%（正极性）。
2 时间间隔误差分析及减小办法在测量精度要求不高的情况，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了广泛应用，测量时序图如图1：引起电子计数器出现测量误差的因素很多，但是主要是量化误差、时基误差和触发误差三种误差。
高分辨率时间间隔测量技术研究
高分辨率时间间隔测量技术研究高分辨率时间间隔测量技术研究摘要：高分辨率时间间隔测量技术是现代科学研究和工程应用中至关重要的一项技术。
本文首先介绍了高分辨率时间间隔测量技术的背景和意义，然后详细阐述了高分辨率时间间隔测量技术的原理和方法，包括电子、光电和超快光学等多种测量方法。
最后，结合实际应用，探讨了高分辨率时间间隔测量技术在科学研究和工程实践中的应用前景和挑战。
一、引言时间是我们生活中最重要的基本物理量之一，同时在科学研究和工程实践中，精确测量时间间隔也显得尤为重要。
例如，在微纳尺度下的物理现象研究中，如超快动力学、量子计算等，需要对时间尺度进行高精度的测量。
而在通信、导航、雷达等应用中，高分辨率时间间隔测量技术也扮演着重要角色。
因此，高分辨率时间间隔测量技术的研究具有重要意义。
二、高分辨率时间间隔测量技术原理高分辨率时间间隔测量技术的原理可归纳为以下几个方面：电子测量、光电测量和超快光学测量。
其中，电子测量主要利用电子器件的响应特性来测量时间，常用的电子器件有瑞利发射二极管、微波谐振腔等。
光电测量则是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔，常用的光电器件有光纤、光电二极管等。
超快光学测量技术是利用超快激光器和特殊探测器来实现超快时间间隔的测量，可以达到亚飞秒甚至飞秒量级。
这些原理和方法提供了多样化的选择，并能根据需要灵活应用。
三、高分辨率时间间隔测量技术方法1. 电子测量方法电子测量方法主要通过测量电子器件的响应特性来测量时间间隔，具有较高的时间分辨率和精度。
例如，利用瑞利发射二极管的特性，通过测量出光电信号的到达时间，可以实现纳秒或亚纳秒级别的时间间隔测量。
此外，微波谐振腔也可以用来测量时间间隔，其分辨率可以达到皮秒级别。
2. 光电测量方法光电测量方法是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔。
常用的光电器件包括光纤和光电二极管。
光纤可以传输光信号并保持信号的时间分辨率。
光电二极管则能将光信号转化为电信号，再通过电路对电信号进行测量。
高精度时间间隔测量
⾼精度时间间隔测量⾼精度时间间隔测量仪时间和空间是物质存在的基本形式，任何物质的运动、变化或发展过程，都是在时间和空间内发⽣的，⼈类的⼀切活动，离不开时间和空间。
时间是⼀个基本的物理量，它的单位是秒。
许多世纪以来，⼈类是通过天⽂观测和计算的⽅法获得准确的秒。
随着科学技术等⽣产⼒的发展和进步，⼈类对时间准确度要求越来越⾼，时间单位的确定也经过了世界时、历书时和原⼦时的过程。
短时间间隔的精密测量，在时频领域中⼜是⼀切其它量（如时间或相位的起伏、频率与频率稳定度）精密测量的基础，同时⼜可以被⼴泛的⽤于各种⾮时频量的⾼精度测量中。
⾼精度的⼀定范围内的短时间间隔测量⽅法可以直接在⾼精度频率，相位和时间以及许多⾮频率量的测量中获得应⽤。
它的发展不但对于时频技术的发展有很⼤的促进作⽤，⽽且对于各种量的精密测量和控制，对于测控技术在⼯业、国防及科学技术的进步⽅⾯起到举⾜轻重的作⽤。
这⽅⾯所取得的新技术及成果，将会产⽣巨⼤的经济效益。
SYN5605型⾼精度时间间隔测量仪是⼀款根据时间间隔测量仪检定规程的要求制作的⼀款多功能，⾼可靠性，专⽤的精密时差测量仪器。
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综述与评论计算机测量与控制.2007.15(2) Com puter Measurement &C ontrol 145中华测控网chinamca.co m收稿日期:2006-03-06; 修回日期:2006-05-09。
作者简介:孙 杰(1975-),男,安徽合肥人,讲师,主要从事测控技术方向的研究。
文章编号:1671-4598(2007)02-0141-04 中图分类号:O63;TP273.5 文献标识码:A高精度时间间隔测量方法综述孙 杰,潘继飞(解放军电子工程学院,安徽合肥 230037)摘要:时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用,如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题,在分析电子计数法测量原理与误差的基础上,重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量,并且取得了非常好的效果;最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。
关键词:时间间隔;原理误差;内插;时间数字转换;时间幅度转换Methods of High Precision Time -Interval MeasurementSun Jie ,Pan Jifei(Electr onic Eng inee ring Institute o f PL A ,H efei 230037,China )Abstract :Technology of time -interval m easu rement has been app lied in many field s.H ow to improve its precision is an em ergent ques -tion.On the basis of an alyzing electronic counter 's principle and error ,this paper puts emphasis upon introducing high precision time -in ter -val measu rements all over the w orld.All these methods aim at electronic counter 's principle error ,and ob tain special s tly ,the pro -gress direction and ap plication foreg rou nd of high precision tim e -interval measurem ent meth od s are predicted.Key words :time in terval ;prin ciple error ;interpolating ;tim e -to -digital conversion ;time -to -amplitude con version0 引言时间有两种含义,一种是指时间坐标系中的某一刻;另一种是指时间间隔,即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间,因此,时间间隔测量属于时间测量的范畴。
时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用,因此,如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。
本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法,指出其发展趋势,为研究新的测量方法指明了方向。
1 电子计数法1.1 测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下,电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法,已经在许多领域获得了实际应用,其测量原理如图1所示。
图1 电子计数法测量时间间隔基本原理量化时钟频率为f 0,对应的周期T 0=1/f 0,在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数M ,N ,T 1,T 2为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔,则待测脉冲时间间隔T x 为:T x =(N -M ) T 0+T 1-T 2(1) 然而,电子计数法得到的是计数脉冲个数M ,N ,因此其测量的脉冲时间间隔为:T ′x =(N -M) T 0(2) 比较表达式(1)、(2)可得电子计数法的测量误差为Δ=T 1-T 2,其最大值为一个量化时钟周期T 0,产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致,该误差称为电子计数法的原理误差。
除了原理误差之外,电子计数法还存在时标误差,分析表达式(2)得到:ΔT ′x =Δ(N -M ) T 0+(N -M ) ΔT 0(3)比较表达式(3)、(2):ΔT ′xT ′x=Δ(N -M )(N -M )+ΔT 0T 0(4) 根据电子计数法原理,Δ(N -M )=±1,N -M =T ′x /T 0,因此:ΔT ′x =±T 0+T ′x ΔT 0/T 0(5)T ′x ΔT 0/T 0即为时标误差,其产生的原因是量化时钟的稳定度ΔT 0/T 0,可以看出待测脉冲间隔T x 越大,量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。
根据以上分析得出电子计数法具有以下特点:(1)测量范围广,容易实现,且能够作到实时处理。
(2)存在时标误差与原理误差,限制了其测量精度。
电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法,参考文献[1-3]都有一定的说明,有兴趣的读者可以参阅。
1.2 误差克服途径时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服,比如铷原子频率标准;量化误差的克服有许多方法,也是国内外研究的热点,可以将其分为以下三类。
第一类:提高量化时钟的频率,这带来的问题是时钟频率DOI 牶牨牥牣牨牰牭牪牰牤j 牣cn ki 牣牨牨牠牬牱牰牪牤tp 牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牥牪 146 计算机测量与控制 第15卷中华测控网chinamca.co m越高对电路的要求越高,并且相应的芯片也很难选择。
例如,当要求1ns 的测量精度时,时钟频率需要提高到1G Hz ,此时一般的计数器芯片很难正常工作,同时也会带来电路板的布线、材料选择以及加工等诸多问题,因此,不是一个巧妙的方法。
第二类:对量化误差T 1和T 2进行扩展后进行二次量化,实践证明该解决途径是切实可行的,并且获得了长足的发展,取得了大量的研究成果,但是二次量化仍然存在原理误差。
第三类:对量化误差T 1和T 2进行转换,通过测量其它物理量,比如幅度、相位而达到测量时间的目的,该类方法从根本上解决原理误差对测量精度的影响。
以下所讨论的测量方法都是在电子计数法的基础上发展起来的,这些方法的目的都是克服电子计数法的原理误差。
2 模拟内插法电子计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间测量方法,其原理误差为一个量化时钟周期,如果能够克服其原理误差,那么其时间测量精度将会得到很大的提高,从这个角度入手,近年来,国内外研究了许多新的测量方法,模拟内插法是其中的一种。
该方法是在模拟法与电子计数法的基础上发展而来的,其测量对象针对电子计数法中的T 1和T 2,即完成T 1和T 2的二次测量。
在介绍模拟内插法之前,首先介绍模拟法,其测量原理如图2所示.图2 模拟法测量脉冲时间间隔原理图在待测脉冲间隔T x 期间对电容进行充电,充电电流大小为I 1;然后以一个小电流I 2=I 1/k 进行放电[4]。
此方法的优点是测量精度理论上非常高,可达p 秒量级;但由于电容充放电过程中,充放电时间之间的关系不是绝对线性的,存在非线性现象,其大小大致为测量范围的万分之一,这就限制了测量范围,或者说随着测量范围的增加,精度会降低;另外,电容充放电性能受温度的影响非常大,对测量系统的温度特性要求就非常苛刻;非常稳定的恒流源也是一个技术难题。
为了克服模拟法在大测量范围条件下测量精度低的问题,引入了模拟内插法,其测量原理如图3所示。
模拟内插法要对三段时间进行测量,即T s 、T 1和T 2,其中T s =N T 0,采用电子计数法得到,T 1和T 2的测量是关键。
模拟内插法的思路是对小于量化单位的时间零头T 1和T 2进行扩展,然后对扩展后的时间进行再次时钟计数。
T 1和T 2的测量采用电容充放电技术,在T 1期间,采用恒流源I 1对电容C 充电,T 1结束以后采用恒流源I 2=I 1/k 对电容放电,直到起始电平位置,然后保持此电平。
由充放电电荷相等的原理可得:I 1T 1C =I 2T ′1C(6)图3 模拟内插法测量脉冲时间间隔原理图 进一步化简得到T ′1=k T 1,即电容放电时间为充电时间的k 倍,然后采用量化时钟对放电时间进行计时,得到计时脉冲的个数为N 1,则可以得到T 1=N 1T 0k,同理得到T 2=N 2T 0k,结合T s 的大小得到:T x =N T 0+T 1-T 2=N +N 1-N 2kT 0(7) 该方法虽然在计算T 1和T 2时仍存在量化误差,但是其相对大小可以缩小k 倍,假设k =1000,那么计数器的分辨率提高了三个数量级。
例如,量化时钟的频率为10M Hz ,k =1000,则电子计数器的分辨率不会超过100ns ,采用模拟内插技术之后,其分辨率提高到0.1ns ,相当于10G Hz 量化时钟的分辨力。
模拟内插法的优点是理论测量精度高,但是这一技术实现的基础是对T 1和T 2的扩展,在较T 1和T 2长k 倍的时间内,电容的充放电会带来较大的非线性,所以k 值实际上也不可能太大,而且实际所实现的扩展倍数k 的准确值也难以得到,所以模拟内插技术要将测时精度提高很多的话,实现起来有很多的局限性。
模拟内插技术虽然对时钟频率要求不高,但是由于采用模拟电路,当待测信号的频率较高的情况下非常容易受到噪声的干扰,当要求连续测量时,电路反应速度也是一个大问题。
模拟内插法的误差来源总结如下:(1)原理误差。
在将模拟量k T 1转换成数字量N 1T 0的过程中产生的,其大小为T 0/k ,该误差是测量原理误差,无法克服。
(2)时间扩展的非线性(主要误差来源)。
由于时间扩展采用的都是模拟器件,因此本身存在不可预测的误差,可以通过采用高精度电容减小非线性误差。
(3)随机误差,如触发误差。
(4)时钟的稳定度带来的误差。
采用模拟内插原理制成的时间间隔计数器产品的主要代表是HP 公司的H P5360A 型计数器,该计数器的电容放电时间比充电时间长1000倍,即k =1000,计数器的时钟频率为10M Hz ,其分辨率已经达到了0.1ns 。
3 延迟线内插法国外将这种测量方法称为T DC (time -to -digital co n -ve rter )方法,并且进行了大量的研究,该方法与模拟内插法一样,是对T 1和T 2进行再次测量。
当脉冲信号到达时启动延迟线,延迟线的延迟时间为τ1,τ2,当时钟信号到来时,输出第2期孙 杰,等:高精度时间间隔测量方法综述 147 中华测控网chinamca.co m延迟单元的数目N 1,则可以得到T 1=N 1τ1,采用同样的方法能够得到T 2=N 2τ2。