时间间隔测量技术综述
时间分辨技术的原理
时间分辨技术的原理时间分辨技术是一种用于测量事件发生时间或时间间隔的技术，广泛应用于物理学、化学、生物学以及各种科学研究领域。
其原理主要基于精确的时钟和光学或电子信号的传播速度。
首先，时间分辨技术需要一个高精度的时钟来记录事件的发生时间。
这个时钟通常是一个基于稳定振荡器的计时器或一个精确到纳秒或更小时间间隔的定时电路。
这样的时钟能够提供非常准确和稳定的时间基准。
其次，时间分辨技术利用光学或电子信号的传播速度来测量事件的时间间隔。
在光学方法中，常用的技术包括飞行时间法和相位法。
飞行时间法利用光在介质中的传播速度，通过测量光脉冲的往返时间来计算事件的时间。
相位法则利用光波的相位变化来测量时间间隔，通过比较不同光波之间的相位差来确定事件的时间。
在电子方法中，常用的技术包括电脉冲法和计数法。
电脉冲法通过测量电信号的传播时间来计算时间间隔，而计数法则通过计算所记录的计数器数值来确定时间。
最后，时间分辨技术需要对测量结果进行数据处理和分析。
这包括对时钟的误差进行校正，舍弃异常数据的处理，以及利用统计学方法进行数据拟合和误差估计等。
通过这些处理和分析，可以得到精确而可靠的时间分辨结果。
总的来说，时间分辨技术基于精确的时钟和光学或电子信号的传播速度，通过测量事件的发生时间或时间间隔来实现对时间的分辨。
它在科学研究和实验中发挥着重要的作用，为我们研究更细微和快速的现象提供了强大的工具。
时间分辨技术作为一种测量事件时间的重要工具，被广泛应用于各个领域，包括物理学、化学、生物学、医学等，为我们研究和理解自然界中一系列复杂的过程提供了重要的帮助。
在物理学中，时间分辨技术的应用非常广泛。
例如，在粒子物理实验中，为了探索基本粒子的性质和相互作用，一个非常重要的参数就是事件发生的时间。
时间分辨技术可以帮助科学家们非常精确地测量粒子的飞行时间，从而推断出它们的轨迹和速度等信息。
此外，时间分辨技术还可以用于研究光的行为，在激光技术中也起到了至关重要的作用。
时间间隔测量技术
时间间隔测量技术一直接计数法测量原理与直接计数法测量频率基本相同，区别在于测量时间间隔时，控制电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。
内部晶振振通过倍频或分频产生时基。
在电子门打开期间，时基脉冲进入计数条进行计数。
设所计的数值为N ，所选的时期为τ0，则所测时间间隔为ττN =（5-1）时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。
对上式进行微分得dNNd d 00τττ+=第一项是晶振频率不准造成的，第二项与测频时一样，仍然是dN =±1。
第一项如用频率准确度表示，则有000τττττ±⋅⋅=d N d 00ττττ±⋅=d （5-2）其中：τ—所测时间间隔ττd —晶振周期或晶振频率准确度图5-1时间间隔测量的直接计数法由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨力。
它等于测量仪所能选用的最小时基τ0。
一般最小的时基为10ns ，最好的也只到5ns 。
小于10ns 的间隔用其他方法测量，目前有三种游标法、内插法和A/D 变换法。
二游标法利用长度测量中游标卡尺的原理。
在图5-1中，Δτ1和Δτ2均小于时基τ0，故测不出，此时Δτ1和Δτ2可用游标法测量。
现以Δτ1的测量为例，如图5-2所示。
图5-2游标法（1）原来的时基τ0称为主时基，需要产生一个副时基τ1，用τ1＞τ0，但两者之差很小，即τ1-τ0≤τ0当时间间隔起始脉冲A 到达时，触发副时基发生器，副时基信号与信号A 同步，副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为Δτ1。
随后两个时基同时运行，由τ1＞τ0，相当于副时基追赶主时基，每追过一个脉冲，两者的间隔就缩短τ1-τ0，当两者间隔为零时，一共追过了N 个脉冲，则Δτ1=N 1（τ1-τ0）。
此式可从图5-2中准确得出。
由图中可得11101τττN N =∆+)(0111τττ−=∆N （5-3）Δτ2的测量略有些差异，如图5-3所示图5-3游标法（2）按Δτ1的测量原理，此时测得值为Δτ，即)(012τττ−=∆N 但τττ∆−=∆02故)(01202ττττ−−=∆N （5-4）目前使用较普遍的美国HP5370时间间隔计数器用的就是游标法。
时间与频率的测量基本概述
时间与频率的测量基本概述时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
本文将对时间与频率的测量进行基本概述。
时间的测量是指对物体运动过程中所经历的时间进行测量，其基本单位为秒。
时间的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表，根据物体的运动速度将一段时间分成若干等份，从而确定特定时间间隔的长度。
随着科技的发展，人们发明了各种高精度的钟表，例如基于原子振荡频率的原子钟，能够测量到非常小的时间单位，如纳秒乃至飞秒级别。
频率的测量是指对波动或周期性运动的次数进行测量，其基本单位为赫兹。
频率的测量可以通过两种方式进行，一种是计数法，即将一定时间内波动或周期性运动的次数加总；另一种是相位比法，即通过对象的相位差来确定波动或周期性运动的频率。
根据不同的应用领域和精度要求，频率的测量可以使用不同的设备，例如频率计、示波器、频谱仪等。
在实际应用中，时间与频率的测量技术常常需要考虑到一定的误差和精度要求。
误差可以来自于多个因素，例如仪器本身的不确定度、外界干扰、环境条件等等。
为了提高测量的精度，科学家们研发了各种校正和校准方法，例如使用标准频率源进行校准，以及使用稳定的参考信号进行时间同步等等。
时间与频率的测量技术在现代科学研究、工程技术和日常生活中都有广泛的应用。
在科学研究中，时间与频率的测量可以用于测定天体运动、检测物质结构、研究量子行为等等。
在工程技术中，时间与频率的测量可以用于电信系统中的信号处理、雷达测距与测速、医学成像等领域。
在日常生活中，时间与频率的测量可以用于计时器、手表、闹钟等等。
总之，时间与频率的测量是物理学中重要的实验技术之一，涉及到物体的周期性运动、波的传播等多个领域。
时间与频率的测量可以通过不同的实验手段和设备实现，其中最为常见的方式是使用钟表和频率计。
时间与频率的测量技术需要考虑到一定的误差和精度要求，并可以利用校正和校准方法提高测量的精度。
脉冲激光测距时间间隔测量技术
在 待测脉 冲时 间间隔 期 间对 电容进 行充 电 ， 电 电流大小 为 ， 充 然后 以一 个小 电流 ｚ 行 放 电 ， 和 进
的关 系是 ，一ｋ 其 中 ， Ｉ， 忌为放大 倍数 。根据 充放 电 电荷 相等 的原理 得放 电时 间 —ｋ ． 也就是 将激 光 脉 Ｔ，
准确 的时间间 隔 。 插 值 法 主 要 对 ３段 时 间 进 行 测 量 ， 丁 ， 丁 ， 即 丁 ， ２
ｔ ｅ。。 ｉ ｔｔ ｍ ｄ
ｃ ｒ．ｓａ ｅ ｈｇ ｄｃ ｒ ａｅ ｉｈｇ
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Ｆ ｇ Ｓ ｈｅ ａ ｉ ｏ ｎ ｅ ｐ ｌ ｔ ｎ ｉ ．１ ｃ ｍ ｔｃ ｆ ｉ ｔ ｒ ｏ ａ ｉ ｏ
第 ２ 卷第 ８ ２ 期
２１ ０ ０年 ８月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． ２ １ ２ ，Ｎｏ ８ ．
Ａ ｕ ．，２ ０ ｇ ０１
文 章 编 号 ： １０ —３２ ２ １ ） ８１５—４ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ７ １０
法 与模拟 法的测 量原理 与误差 ， 重点 研究 了插值 法 的测 量 原理 ， 出插 值法 测 量时 间 间隔 的 电路 ， 提 并分 析其 测 量精 度与误 差 。
１ 脉 冲 激 光 测距 时 间 间隔 测 量 原 理
１ １ 数 字 法 ．
在测量精 度要求 不 高的前 提下 ， 字计数 法是 一种非 常好 的时 间间 隔测量方 法＿ ］ 数 １ 。当时钟脉 冲信 号周 期 。
其 中Ｔ 一ＮＴ ， 用 数 字 计 数 法 得 到 ， Ｔ 的测 量 ｏ采 Ｔ ，。
基于延时复用技术的短时间间隔测量方法
基于延时复用技术的短时间间隔测量方法杜保强;周渭【摘要】提出了一种基于延时复用技术的新的短时间间隔测量方法.根据基于时-空关系的时间间隔测量原理,将若干延时单元组成延迟链.延迟链的输出被反馈到系统输入端并与输入信号进行单稳态触发逻辑判断,判断结果被重新送回到重合检测电路中去,实现一个延迟链可以多次重复使用的循环检测,扩展了基于时-空关系的时间间隔测量范围,提高了测量系统的稳定性.实验和分析结果表明了该方法的科学性和先进性,其测量分辨率可达到100皮秒至10皮秒量级.结合现场可编程门阵列(FPGA)片上技术,新方案设计的测量系统具有结构简单、成本低廉的优点.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2010(043)001【总页数】7页(P77-83)【关键词】时-空关系;短时间间隔;延时复用;循环检测;误差分析【作者】杜保强;周渭【作者单位】西安电子科技大学测最与仪器系,西安,710071;河南职业技术学院信息工程系,郑州,450046;西安电子科技大学测最与仪器系,西安,710071【正文语种】中文【中图分类】TM935.15随着航空航天、激光测距、精密定位、粒子飞行探测及其他高科技领域的技术发展，对时间间隔尤其是短时间间隔的测量精度提出了更高要求．高精度的时间间隔测量方法有基于模拟时间扩展的计数法、基于模/数(analog-to-digital，AD)变换器的模拟时间-幅度转换法、基于冲激振荡器的时间游标法、抽头延迟线法和差分延迟线法等[1]．时间扩展计数法采用模拟内插技术，使所测时间间隔相对大小缩小1,000倍，计数器分辨力提高了3个量级，但存在±1个计数误差，转换时间长，非线性度大，不常使用.时间-幅度转换法利用现代高速ADC，结合离散器件可达到1～20,ps的分辨力，若采用专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)替代离散器件且与发射极耦合逻辑(emitter coupled logic，ECL)电路配合使用，可使精度达到10 ps，但这种方法模拟部分难以集成，非线性难以消除；SR620就是用该法实现了最高达20,ps的测量分辨力.时间游标法是一种以时间测量为基础的计数方法，类似于机械游标卡尺的原理，其测量关键在于能较为准确地测出整周期数外的零头或尾数，以提高时间的分辨力和准确度，避免了±1个计数误差，但这种方法需要高稳定度的可启动振荡器和高精度的重合检测电路，制作调试技术难度大、造价高，且受抖动的影响，转换时间长，制作工艺复杂.抽头延迟线法是由一组延迟单元组成，理论上这组延迟单元传播时延相等，而时间间隔的测量是通过关门信号对开门信号在延迟线中的传播进行采样实现的；这种方法分辨力较高，且实现线路简单，易于集成在数字电路上，可与锁相环(phase locked loop，PLL)或延时锁相环(delay locked loop，DLL)配合实现高精度测量．商用HP5371A就采用该结构，其分辨力达到200,ps，此结构若在现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)中实现，其分辨力为100,ps.差分延迟线法是在抽头延迟线法的基础上发展而来的，采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS) FPGA的差分延迟线法可以实现200,ps的分辨力和43,s的量程，有的还可以达到100,ps的分辨力，若采用0.7,μm CMOS工艺的ASIC，可以实现30,ps的分辨力[2-3]．这种测量方法分辨力最高，易于集成在数字电路上，但结构比抽头延迟线法复杂.近年发展起来的基于时空关系的时间间隔测量方法也能达到10皮秒级至皮秒级的超高测量分辨力，但测量范围很窄[4]．针对以上几种测量方法的优缺点，笔者提出了一种基于延时复用技术的新的短时间间隔测量方法．新方法不仅巧妙地解决了传统时间间隔测量中存在的±1个计数误差问题及高分辨力与窄测量范围之间的矛盾，而且简化了电路结构，降低了成本．电磁波信号在导线中的传输速度具有高度的准确性和稳定性，这是自然界中物质存在的固有方式．大量实验表明，信号在传输导线中的传输速度约为2×108,m/s，那么纳秒和皮秒在导线中的传输延迟分别为20,cm和0.2,mm，这是比较容易处理的长度段[5]．根据这一自然现象，对时间量的测量就可以转化为对长度量的测量，其原理如图1所示．将开门信号和关门信号整形为窄脉冲后，分别送入双路延迟线．开门一路延时单元DL1在长度上略大于关门一路的延时单元DL2，它们之间微差的大小取决于要达到的测量分辨力．延迟线末端匹配电阻是为了防止信号在延迟线中反射传播．根据时空对应关系，两路延时单元在长度上的微差就体现了在传输延迟时间上的相位差，这样被延时的开门信号将与关门信号发生重合．此时在每个延时单元处设置相位重合检测电路，将重合信息送入译码器，通过译码器就可以得到被测短时间间隔[6-7]．这种测量原理的关键在于能准确测出少于一个延时单元的时间，当延时单元的长度差设置在毫米级或亚毫米级时，能够达到10皮秒级至皮秒级的测量分辨力．由图1可知，如果双路延时单元的相位差为PD，被测时间间隔为tx，那么开门信号经过n个PD的延迟后将与关门信号发生重合；通过对重合信号检测点的取样，则可知道此时开门信号经过了几级延时单元．根据发生重合时所经过的延迟级数就可以计算出被测时间间隔tx= nPD．这里，相位差PD是根据信号传输速度、被测时间间隔的范围及测量要达到的分辨力来确定的．其工作波形如图2所示．基于时-空关系的时间间隔测量方法，由于它的延时单元是无源的，所以噪声小，功耗低[8-9]．但这也同时带来了一个缺点，就是驱动器的负载重，并且每个延时单元后面需要加一个重合检测电路，这意味着分辨力越高，负载越重[10]．为了解决这一问题，系统采用了插入缓冲器的方法在小范围内扩大量程范围．每隔一定数量的延时单元，在开门一路和关门一路分别插入相同的缓冲器，对衰减的信号进行限幅放大，使其能够驱动后级的延时单元．2.1 新方案设计由图1可知，基于时-空关系的时间间隔测量系统虽然具有极高的测量分辨力，但测量范围却很窄．若想进一步扩展测量范围，则必须增加延迟单元的个数并插入大量的检测器和缓冲器．随着延迟单元个数的增加，传输线中存在的各种损耗也随之增加，信号在传输线中衰减；而且大量重合检测电路的引入，使得电路的负载很重，且分辨力越高，需要的重合检测电路就越多，最后导致电路无法正常工作．为了使电路能继续正常工作，系统在双延时电路中插入了相同的缓冲器，使信号在缓冲器的作用下得到放大，增强了驱动能力，扩大了测量范围．但缓冲器的引入不是无限制的．因为缓冲器的引入会给电路带来很大的噪声，增大了开门信号和关门信号的边沿抖动性，最终导致系统的重合检测性能极不稳定．因此，基于时-空关系的时间间隔测量系统仅适用于小范围的测量．针对分辨力和测量范围之间的矛盾，系统采用了一种基于延时复用技术的新的测量方案.新方案主要由延迟链模块、单稳触发及计数模块、重合检测模块、锁存译码模块(针对重合检测)、计数锁存模块、附加延时修正模块及数据处理模块组成，如图3所示．根据图3所示方案，将若干延时单元组成延迟链，将延迟链的输出信号反馈到系统输入端，与原始输入信号一起经过一个单稳态触发逻辑判断；判断结果被重新送回到重合检测电路中去，实现一个延迟链可以多次复用的循环检测，从而将它的测量范围扩展到原来的N倍．其中每循环1次，就会产生1个计数脉冲，单稳态触发逻辑内部计数器的输出就会自动加1．这样若计数器输出为N，则被测短时间间隔的大小为式中： N为计数器输出可达到的最大值；T为差分延时链的测量范围；m为延时链最后一次循环中重合检测电路检测到的重合单元个数；τ为开始信号经过的每个延时单元的延时时间，即系统的测量分辨力．2.2 整形和控制电路整形电路采用施密特触发器，将输入信号整形为脉冲信号，要求脉冲的上升沿达到1,ns级，且抖动小于50,ps．无源延时链的分辨力为250,ps，测量范围为5,ns.要扩展这一延时链的测量范围，计数器部分采用频率至少为200,MHz的时钟，主要用于扩大测量范围至毫秒级，FPGA芯片经过PLL倍频后可以满足这一要求[11-12]．控制电路采用单片机89C52控制，在将重合检测信息传送到单片机之前，需要电平转换电路将工作电平由ECL电平转换至晶体管-晶体管逻辑(transister-transister-logic，TTL) 电路电平，然后单片机将数据解码、处理之后，交由显示单元显示，后者通过RS-232接口将测试数据传输到PC上位机，也可以接受上位机的控制命令．2.3 附加延时电路和DLL附加延时修正模块的主要作用是为了抵消开门信号在传输过程中的附加延时，消除系统误差，保持开始信号和关门信号之间的时间关系不变，提高测量精度．这里采用延时链和分压延迟相结合的方法来实现延时修正．延时链主要是由FPGA中的基本延时单元组成，原理和开门信号经过的延迟模块相同，它主要用于对附加延时的粗调.这里开门信号的主要附加延迟为开门信号触发单稳触发模块时与时钟不同步的延时误差；分压延迟主要采用电阻的分压比来实现延迟的细调，其电路原理及波形原理分别如图4和图5所示，输入信号为Vi，输出信号为Vo，则Vo的电压值始终为ViR2/(R1+R2)．由于Vo=ViR2/(R1+R2)，则Vo始终小于Vi，当Vi到达触发电平时，Vo需要经过td时间后，才能到达触发电平，所以相当于Vo的上升沿到来的时间比Vi要滞后td．根据这个原理，可以通过改变电位器R2的阻值来改变延时量．理论上分压可调延迟电路调节延迟量的范围为0～∞，延迟量由R1/R2的值来决定．在本系统中，此电路是用于微调关门信号的延迟量，来补偿开门信号的附加延迟，所以R1应远小于R2．实验表明，R1取100,Ω，R2取10,kΩ时比较合适；而且使用分压可调延迟电路在修正关门信号延迟量的同时，对关门信号上升沿的陡峭程度影响不大．当然，分压可调延迟电路当R1/R2的值固定时，其延迟量还受到输入信号的电压上升率的影响．考虑到延迟链中每段延时线在长度上的不均匀性和由此带来的非线性测量误差，系统在每个延时单元上附加了延时锁相环DLL——锁时环，以保证信号在传输过程中的时延稳定性[13]．延时锁相环DLL是锁相环PLL的另一种形式，它与传统PLL的不同之处在于它用压控延时线电压控制延迟线路(voltage control delay line，VCDL)代替传统PLL中的压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)电路并且不需要分频器电路，如图6所示．压控延迟模块VCDL是DLL中的一个关键部分，其结构如图7所示．一个理想的输出延迟时间应该和控制电压呈线性关系．由图7可以看出，m5、m7与m6、m8组成主延迟单元，ml、m2和m3、m4分别构成镜像电流源，为延迟单元提供电流；而m9和m12控制延时参数大小，整个电路有良好的线性．DLL中另一个部分是鉴相器和电荷泵，主要功能是将延时信号与参考信号对比，得到其相位差信息．电荷泵再将该相位差转换为误差电压信号，控制延时单元调整延时，使得延时线的总延时与参考信号的周期相等．DLL电路主要是用来将量程由纳秒级扩展到百纳秒级，且要保证延时单元的延时准确性和稳定性[14]．2.4 单稳态触发及计数电路图8为单稳态触发及计数的集成电路部分．其中Clk为系统时钟，选为200,MHz，用来控制开门_输出信号的脉宽及周期，使其等于延时链的延时范围；Start和Stop信号分别为待测时间间隔的开门和关门信号；Reset为系统的全局复位信号；Start_Feedback为延时链的输出反馈信号；Start_Out为开门信号经过单稳触发模块后输入到延时链中的开门信号；Count_Out为开门信号在延时链中的循环次数计数器的输出．集成电路的单稳触发部分，每一个开门信号或者延时链的输出反馈信号上升沿都会触发输出一定脉宽的脉冲信号，要求脉冲信号的周期等于延时链的总延时长度，目的是为了重合检测时易于判断相位重合点及译码的方便，因此输出脉冲的低电平时间也要受到控制，防止出现系统测量误差．集成电路的计数部分，在关门信号到来之前，每来一个延时链的输出反馈信号，计数器输出就加1，直到关门信号到来之后，才停止计数．计数值即为开门信号在延时链中的循环次数，同时锁存重合检测电路的输出，以此计算得到在延时链中不足一圈的那部分时间间隔的大小，最后计算得到所测时间间隔大小．2.5 新方案的FPGA实现基于FPGA的时间间隔测量系统实现框图如图9所示．基于对系统测量速度、功耗、体积、成本及可靠性方面的考虑，系统在具体实现上采用了FPGA集成电路，即将延迟链模块、单稳触发及计数模块、重合检测模块、锁存译码模块、计数锁存模块、附加延时修正模块及数据处理模块等逻辑电路全部集中在FPGA芯片上，使各部分达到最佳优越性能[15]．开门信号和关门信号经整形后被送往FPGA，微控制单元(micro controller unit，MCU)从FPGA中采集数据并进行处理，最后计算结果在液晶显示器(liquid crystal display，LCD)上显示出来．至此，基于延时复用技术的FPGA实现方案不仅巧妙地解决了高分辨力与窄测量范围之间的矛盾，而且还简化了电路结构，同时系统的稳定性也得到了极大提高．目前，基于图9的时间间隔测量系统已研制出样机，经实际测试能够达到10皮秒级至皮秒级的分辨力．3.1 测量实验根据图3所设计的时间间隔测量方案，具体在FPGA中实现．在参考频率为200 MHz的情况下，若设置测量分辨力为20,ps，则最大测量误差为20,ps，其测量精度为2.5,ps．在FPGA中通过计数器和参考频率产生一系列时间间隔，分别与HP5370B所测时间间隔进行比较，其测试结果如表1所示．从表1可以看出，HP5370B与新测量系统的比较结果存在的最大误差是20,ps.分析其误差原因，主要是新系统延时单元的不均匀性所形成的非线性累积误差造成的，此外还有随机误差．对于系统误差和非线性误差，可通过软件修正的方法对测试结果进行修正，从而提高系统的测量精度．3.2 误差分析3.2.1 延迟线的延时误差由于延时导线的不均匀性会导致延时单元误差σ，并且随着延时单元的增加，造成非线性累积误差[16]INLDNLσ．通过对重合检测电路临界点的观察，得出各个延时单元的延时．非线性累积误差状况如图10所示，测量结果的均方值为8.6 ps．3.2.2 量化误差量化误差是系统在时间数字化过程中产生的误差[17]，如图11所示．由图可知，若被测时间间隔为tx，在测试过程中，可能得到2个结果tx1或tx2，其中tx1≤tx2，且tx≤tx2=tx1+Δt，Δt为测量分辨力，其不确定度为ε1和ε2．于是，由量化产生的随机误差可以用二项分布的标准差来表示，即式中：p为xt取值为2xt的概率；1p-表示xt取值为1xt的概率．由此可知，当0.5p=时，系统的最大量化误差为/2tσ=Δ．若对式(2)在01p≤≤范围内进行积分，便可以得到平均标准偏差利用多次测量平均的方法可以减小量化误差．当测量次数为M次时，平均标准偏差为按式(4)计算，量化误差测量结果为102 ps．3.2.3 随机误差随机误差主要是内部噪声和外部噪声所引起的触发误差造成的．内部噪声主要是时钟相位噪声和电源噪声等．外部噪声主要是电路之间的干扰造成的，必须有耦合路径才可能出现外部干扰，包括传导耦合、容性耦合和感性耦合．容性耦合是由于两个导体之间的电场引起的，而感性耦合是由于电流变化引起磁场变化造成的．3.2.4 重合检测电路带来的误差这种误差主要表现在重合检测电路本身重合检测存在的误差和不同重合检测电路的离散性造成的误差．在实际测量中，延时开门信号和关门信号的上升沿之间并非严格重合而是存在一个微小时间差Δt′，如图12所示．由于重合检测电路的性能受到多种因素的影响，如噪声、失配等，于是两个相同结构的重合检测电路之间也存在差异．所以，这个差异应该是Δt′±δ，其中δ为重合检测电路检测的误差，Δt′则可以理解为系统误差[18]．重合检测的误差是影响测量不确定度的主要因素之一，它主要由脉冲信号上升沿的稳定性和重合检测电路的噪声性能所决定．3.2.5 软件修正软件修正就是根据多次测量的结果，建立一个误差修正值的查找表，将其存储在内存中．然后在实际的测量中，通过查找表中预先设定的修正值，可以对测试结果的系统误差和非线性误差进行修正，从而改善系统的精度．基于时-空关系的时间间隔测量系统具有极高的测量分辨力，它是以电磁信号在导线中传输的时延稳定性这一自然现象为基础的新的测量原理和方法，它能测出少于1个延时单元的时间，但其测量范围很窄，因而限制了它的广泛应用．为了进一步扩展其测量范围和完善这种全新的理论，笔者提出了一种基于延时复用的时间间隔测量方法．这种方法利用反馈和单稳触发逻辑判断技术，实现了一个延迟链可以重复使用的循环检测，不仅扩展了其测量范围，通过对测量误差的硬件补偿和软件修正，其测量分辨力和测量精度也得到了进一步提高．改善后的实际测试结果表明，新方法所能达到的测量分辨力为37 ps，测量精度为23 ps，这和理论分析的所能达到皮秒量级的测量分辨力和精度是一致的．由于系统在具体实现上采用了FPGA，并在传输路径上附加了锁时环，因而大大简化了电路结构，降低了成本．随着微电子技术的发展，这种新技术将有可能对现代时频测控技术的进一步发展具有一定的推动作用．【相关文献】［1］王海，周渭，宣宗强，等. 一种新的时间间隔测量方法[J]. 西安电子科技大学学报，2008，35(2)：267-271.Wang Hai，Zhou Wei，Xuan Zongqiang，et al. 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应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量
应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量【摘要】随着科学技术的进步，对时间间隔测量要求的精度也越来越高。
传统的测量方法无法满足纳秒级精度的要求，因此需要应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量。
本文将介绍模拟内插法的原理与实现方法，并提出一种基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案。
一、模拟内插法的原理模拟内插法是一种基于模拟器件的测量方法，通过对输入信号进行内插，将输入信号的时间分辨率提高到纳秒级别。
其原理如下：1.时钟信号的生成：通过参考时钟信号的生成器，产生一个稳定而精确的时钟信号。
2.输入信号的采样：通过采样器对输入信号进行采样，获得输入信号的时刻信息。
3.时钟信号与采样信号的比较：将输入信号与时钟信号进行比较，确定输入信号在时钟信号周期内的相位。
4.内插电路：通过模拟器件进行内插计算，将输入信号的时间分辨率提高到纳秒级别。
5.时间间隔的计算：根据内插的结果，计算出两个输入信号的时间间隔。
二、应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量的步骤基于上述原理，可以实现纳秒级精度时间间隔测量，具体步骤如下：1.选择合适的参考时钟信号生成器，确保其输出的时钟信号稳定而精确。
2.设计合适的采样器电路，能够对输入信号进行实时采样，并获得时刻信息。
3.将采样得到的信号与时钟信号进行比较，确定输入信号在时钟信号周期内的相位。
4.设计合适的模拟内插电路，通过模拟器件对输入信号进行内插计算，提高时间分辨率到纳秒级别。
5.根据内插结果，计算出两个输入信号的时间间隔。
6.校准与误差处理：对系统进行校准，确保测量结果的准确性。
如果存在误差，进行误差分析与处理。
三、基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案基于上述步骤，可以提出一种基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案。
1.选择合适的参考时钟信号生成器，例如高频晶振或GPS接收器。
2.设计高速高精度的采样器电路，例如使用快速模数转换器（ADC）进行采样。
3.采用高速的比较器电路，将采样得到的信号与参考时钟信号进行比较。
物理实验测量物体的时间
物理实验测量物体的时间物理实验中，测量物体的时间是一项重要的任务。
准确地测量时间对于许多实验和研究都至关重要。
本文将介绍一些常见的物理实验测量时间的方法和技术。
1. 实验器材和仪器在物理实验中，常用的测量时间的器材和仪器包括：- 秒表：用于测量短时间间隔的器具，精度通常在0.01秒左右。
- 计时器：用于测量较长时间间隔的器具，精度可以达到毫秒或更高。
- 高速摄像机：用于观察高速过程并记录时间的相机，能够拍摄每秒上千帧的图像。
- 光电门：通过光的遮挡或通过物体的运动触发的电路，用于测量物体通过的时间。
2. 测量方法常用的测量时间的方法包括：- 零点调整法：将计时器或秒表的初始读数调整到合适的位置，然后在需要测量时间的过程中开始计时，结束时读取时间并减去初始读数得到准确的时间间隔。
- 轨迹分析法：通过观察物体的运动轨迹，根据已知的物理规律计算出物体所用的时间，比如抛体的运动、自由落体的运动等。
- 高速摄影法：使用高速摄像机记录高速过程的图像，根据帧率和录制时间计算出时间间隔。
- 光电门法：将光电门放置在物体通过的路径上，当物体通过时，光电门会被触发，记录下通过的时间。
3. 测量误差和精度控制在物理实验中，测量时间时常会存在误差。
为了控制误差并提高测量的精度，我们可以采取以下措施：- 重复测量：多次重复测量可以减小测量误差，并通过取平均值来提高精度。
- 选择合适的仪器：不同的实验和需要测量的时间范围会适用于不同的仪器，选择合适的仪器可以提高测量的准确性。
- 仔细操作：遵循正确的操作步骤，保持实验环境的稳定，避免外部因素对测量结果的干扰。
- 记录误差范围：在实验报告或记录中，应标明所测量时间的误差范围，以提供全面的数据分析和结果验证。
4. 应用领域测量物体的时间在物理实验中起到至关重要的作用，被广泛应用于各个领域，包括但不限于：- 运动学研究：测量物体的运动速度、加速度等参数，分析物体的运动规律。
- 力学实验：测量物体受力和反应的时间，研究物体的力学性质。
时间测量实验报告小结(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过多种方法对时间进行测量，了解时间测量的基本原理和常用工具，掌握时间测量的误差分析及数据处理方法，提高实验操作技能和科学素养。
二、实验原理时间测量是科学研究中的重要环节，通过实验，我们了解了以下时间测量的基本原理：1. 时间是物质运动的持续性和顺序性的体现，是宇宙万物存在和发展的基本属性。
2. 时间测量的精度取决于测量工具和测量方法，常见的测量工具包括钟表、秒表、示波器等。
3. 时间测量的误差分析主要包括系统误差和随机误差，系统误差是指由于测量工具或测量方法本身的缺陷导致的误差，随机误差是指由于测量过程中的偶然因素导致的误差。
4. 时间测量的数据处理方法包括平均值法、回归分析法、方差分析法等。
三、实验内容及方法本次实验主要包括以下内容：1. 利用钟表、秒表等工具进行时间测量，观察并记录时间变化。
2. 利用示波器测量电子信号的时间间隔，观察并记录时间变化。
3. 利用时间序列分析方法对实验数据进行处理，分析时间序列的变化规律。
4. 对实验数据进行误差分析，找出系统误差和随机误差，并采取措施减小误差。
5. 对实验数据进行数据处理，包括平均值法、回归分析法、方差分析法等。
四、实验结果与分析1. 钟表、秒表等工具的时间测量结果与理论值基本一致，说明这些工具具有较高的测量精度。
2. 示波器测量电子信号的时间间隔结果与理论值基本一致，说明示波器是一种可靠的时间测量工具。
3. 通过时间序列分析方法，我们发现实验数据呈现出一定的规律性，如周期性、趋势性等。
4. 误差分析结果显示，实验过程中存在一定的系统误差和随机误差，但通过改进实验方法和数据处理方法，可以减小误差。
五、实验结论1. 钟表、秒表等工具是常见的时间测量工具，具有较高的测量精度。
2. 示波器是一种可靠的时间测量工具，适用于电子信号的时间间隔测量。
3. 时间序列分析方法可以有效地分析时间序列的变化规律。
4. 通过改进实验方法和数据处理方法，可以减小时间测量误差。
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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。
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Methods of High Precision Time-Interval MeasurementSUN Jie , PAN Ji-fei（Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China ）Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter ’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter ’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted.Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion0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 Tx∆-+-∆=∆ （3）比较表达式（3）（2）：()()00''T T M N M N T T xx ∆+--∆=∆ （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 Tx 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 T ∆，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。
作者简介：孙杰： （1975—），男（汉族），安徽合肥人，解放军电子工程学院讲师潘继飞：（1978—），男（汉族），安徽凤阳人，解放军电子工程学院信号与信息处理专业博士生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][2][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1GHz ，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。
在待测脉冲间隔x T 期间对电容进行充电，充电电流大小为1I ；然后以一个小电流k I I 12=进行放电[4]。
此方法的优点是测量精度理论上非常高，可达皮秒量级；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。
3所示。
模拟内插法要对三段时间进行测量，即Ts 、T 1和T 2，其中0NT T s=，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。
待测脉冲信号电容充放电波形待扩展时间间隔 扩展后的时间间隔 量化时钟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1I 对电容C 充电，T 1结束以后采用恒流源k I I 12=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：CT I C T I '1211=（6） 进一步化简得到1'1kT T =，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1N ，则可以得到k T N T 011=，同理得到kTN T 022=，结合S T 的大小得到：021210T k N N N T T NT T x ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-+= （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1000=k ，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10MHz ，1000=k ，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10GHz 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1kT 转换成数字量01T N 的过程中产生的，其大小为k T 0，该误差是测量原理误差，无法克服。
[2]时间扩展的非线性（主要误差未源）。
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HP5360A 型计数器，该计数器的电容放电时间比充电时间长1000倍，即1000=k ，计数器的时钟频率为10MHz ，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TDC （time-to-digital converter ）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1τ，2τ，当时钟信号到来时，输出延迟单元的数目1N ，则可以得到111τN T =，采用同样的方法能够得到222τN T =。
TDC 方法得到脉冲时间间隔为：22110210. .ττN N T N T T T N T x -+=-+= （8）延迟线方法的突出优点是结构简单，可实现单片集成，在单片FPGA 上实现。
其缺点是测量精度受限于LSB （为百皮秒量级）。
其误差来源主要包括以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间，减少量化误差带来的是延迟单元的增加，设备量的庞大。
二是延迟线集成非线性，由于在集成过程中不可能做到各个延迟单无完全一致，导致各个延迟单元的延迟时间不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平均法、矢量法等。