一種基于fpga的時(shí)間間隔測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，包括粗計(jì)數(shù)模塊、細(xì)計(jì)數(shù)模塊、運(yùn)算邏輯模塊以及編碼解析模塊；所述粗計(jì)數(shù)模塊和細(xì)計(jì)數(shù)模塊的輸入端連接有待測(cè)信號(hào)的輸出端，且該待測(cè)信號(hào)輸出有開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)；所述粗計(jì)數(shù)模塊的輸出端連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊通過(guò)編碼解析模塊連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述運(yùn)算邏輯模塊將粗計(jì)數(shù)模塊送來(lái)的粗計(jì)數(shù)值和編碼解析模塊送來(lái)的細(xì)時(shí)間信息進(jìn)行運(yùn)算，即得到開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔。本發(fā)明采用新的延時(shí)鏈和細(xì)時(shí)間編碼，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍靈活多變、成本低，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】-種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（time-to-digital converter, TDC)可以精確地將事件觸發(fā)時(shí)間 數(shù)字化，而高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)意義重大，尤其是皮秒量級(jí)的 測(cè)量技術(shù)更為重要。它不僅在原子物理、天文實(shí)驗(yàn)、激光測(cè)距、定位定時(shí)、航天遙測(cè)遙控等方 面，還在IC (Integrated Circuit)設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)測(cè)量（Jitter Mca -surement)、自動(dòng)檢測(cè) 設(shè)備（Automatic Test Equipment，ATE)，以及通信中角度調(diào)制信號(hào)解調(diào)（Demodulation of Angle Modulated Signals)和數(shù)字不波器（Digital Oscilloscope)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng) 用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決時(shí)間間隔測(cè)量裝置對(duì)精度和低成本需求，本發(fā)明提供了一種基于FPGA 的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，該裝置是基于FPGA設(shè)計(jì)的TDC，采用新的延時(shí)鏈和細(xì)時(shí)間編碼，具有 測(cè)量精度高、測(cè)量范圍靈活多變、成本低，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，包括粗計(jì)數(shù)模塊、細(xì)計(jì)數(shù)模塊、運(yùn)算邏輯模 塊以及編碼解析模塊；
[0006] 所述粗計(jì)數(shù)模塊和細(xì)計(jì)數(shù)模塊的輸入端連接有待測(cè)信號(hào)的輸出端，且該待測(cè)信號(hào) 輸出有開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)；
[0007] 所述粗計(jì)數(shù)模塊的輸出端連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊通過(guò)編碼解析 模塊連接所述運(yùn)算邏輯模塊，
[0008] 所述運(yùn)算邏輯模塊將粗計(jì)數(shù)模塊送來(lái)的粗計(jì)數(shù)值和編碼解析模塊送來(lái)的細(xì)時(shí)間 信息進(jìn)行運(yùn)算，即得到開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔。
[0009] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述運(yùn)算邏輯模塊將所述粗計(jì)數(shù)值與所述細(xì)時(shí)間 息進(jìn)行加法運(yùn)算。
[0010] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述粗計(jì)數(shù)模塊檢測(cè)到開始脈沖信號(hào)的上升沿后 就開始計(jì)數(shù)，等到檢測(cè)到停止脈沖信號(hào)就停止計(jì)數(shù)，計(jì)算開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之 間的時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔作為粗計(jì)數(shù)值送到運(yùn)算模塊邏輯模塊中。
[0011] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述粗計(jì)數(shù)模塊為計(jì)數(shù)器。
[0012] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊將開始脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿 的時(shí)間進(jìn)行編碼編碼和停止脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間進(jìn)行編碼，將兩者的編碼輸出 到編碼解析模塊中。
[0013] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊包括若干個(gè)延時(shí)鏈單元，各個(gè)延 時(shí)鏈單元串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)較長(zhǎng)的延時(shí)鏈，各個(gè)延時(shí)鏈單元的末端輸出采到的脈沖值。
[0014] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊接收到開始脈沖信號(hào)后，在各個(gè) 延時(shí)鏈單元采樣脈沖信息，在時(shí)鐘上升沿計(jì)算延時(shí)鏈單元輸出"1"的個(gè)數(shù)，即開始脈沖信號(hào) 距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼；細(xì)計(jì)數(shù)模塊接收到停止脈沖信號(hào)后，同樣能得到停止脈沖信 號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼。
[0015] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述延時(shí)鏈單元由加法器的進(jìn)位鏈構(gòu)成。
[0016] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述編碼解析模塊將細(xì)計(jì)數(shù)模塊測(cè)量的開始脈沖 信號(hào)和停止脈沖信號(hào)的編碼信息相減得到的一個(gè)值，再將這個(gè)值分段作為地址索引查找出 對(duì)應(yīng)的數(shù)字，再將這個(gè)數(shù)字乘以一個(gè)延時(shí)鏈單元延時(shí)值，就能計(jì)算出細(xì)時(shí)間值。
[0017] 通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明的細(xì)時(shí)間的計(jì)算采用延時(shí)鏈，而各個(gè)延時(shí)單元的延時(shí)比較均勻，均能達(dá)到 幾十皮秒，而延時(shí)鏈的延時(shí)精度決定測(cè)量的時(shí)間精度，進(jìn)而測(cè)量的時(shí)間間隔也能達(dá)到此級(jí) 另IJ ;采用新的延時(shí)鏈和細(xì)時(shí)間編碼，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍靈活多變、成本低，應(yīng)用范圍 廣的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020] 圖1為本發(fā)明的測(cè)量原理；
[0021] 圖2為本發(fā)明的工作原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0023] 延遲線測(cè)量原理如圖1所示，量化時(shí)鐘頻率為&，對(duì)應(yīng)的周期?； = 1/%，在待測(cè)脈 沖上升沿計(jì)數(shù)器輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)是Μ和N ;1\，T2為待測(cè)脈沖上升沿與下一個(gè)量化時(shí)鐘脈 沖上升沿之間的時(shí)間間隔，則待測(cè)脈沖時(shí)間間隔Τχ為：
[0024] Tx = (Ν-Μ) · Το+Τ^Τ；,
[0025] 本發(fā)明正是利用上述工作原理進(jìn)行計(jì)算，一種高精度的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，包括 粗計(jì)數(shù)模塊、細(xì)計(jì)數(shù)模塊、運(yùn)算邏輯模塊以及編碼解析模塊；
[0026] 所述粗計(jì)數(shù)模塊和細(xì)計(jì)數(shù)模塊的輸入端連接有待測(cè)信號(hào)的輸出端，且該待測(cè)信號(hào) 輸出有開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)；
[0027] 所述粗計(jì)數(shù)模塊的輸出端連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊通過(guò)編碼解析 模塊連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述運(yùn)算邏輯模塊將粗計(jì)數(shù)模塊送來(lái)的粗計(jì)數(shù)值和編碼解析 模塊送來(lái)的細(xì)時(shí)間信息進(jìn)行運(yùn)算，即得到開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔。
[0028] 進(jìn)一步地，該粗計(jì)數(shù)模塊就是一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到脈沖開始信號(hào)的上升沿后就 開始計(jì)數(shù)，等到檢測(cè)到脈沖停止信號(hào)就停止計(jì)數(shù)，將脈沖開始信號(hào)和停止信號(hào)間隔的粗計(jì) 數(shù)值送到運(yùn)算模塊邏輯模塊中；
[0029] 進(jìn)一步地，該細(xì)計(jì)數(shù)模塊內(nèi)部主要是用加法器的進(jìn)位鏈作為延時(shí)鏈單元，各個(gè)延 時(shí)鏈單元串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)較長(zhǎng)的延時(shí)鏈，各個(gè)延時(shí)鏈單元的末端輸出采到的脈沖值。將 脈沖開始信號(hào)輸入到延時(shí)鏈單元，在各個(gè)延時(shí)鏈單元采樣脈沖信息，在時(shí)鐘上升沿計(jì)算延 時(shí)鏈單元輸出"1"的個(gè)數(shù)，這就是脈沖開始信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼。同樣將脈沖 停止信號(hào)輸入到延時(shí)單元，同樣能得到脈沖停止信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼。
[0030] 進(jìn)一步地，該編碼解析模塊將細(xì)計(jì)數(shù)模塊測(cè)量的開始脈沖和停止脈沖的時(shí)間編碼 相減得到的一個(gè)值，再將這個(gè)值分段作為地址索引查找出對(duì)應(yīng)的數(shù)字，再將這個(gè)數(shù)字乘以 一個(gè)延時(shí)鏈單元延時(shí)值，就能計(jì)算出細(xì)時(shí)間值。
[0031] 細(xì)時(shí)間的計(jì)算采用延時(shí)鏈，而各個(gè)延時(shí)單元的延時(shí)比較均勻，均能達(dá)到幾十皮秒， 而延時(shí)鏈的延時(shí)精度決定測(cè)量的時(shí)間精度，進(jìn)而測(cè)量的時(shí)間間隔也能達(dá)到此級(jí)別；采用新 的延時(shí)鏈和細(xì)時(shí)間編碼，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍靈活多變、成本低，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
[0032] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，包括粗計(jì)數(shù)模塊、細(xì)計(jì)數(shù)模塊、運(yùn) 算邏輯模塊以及編碼解析模塊； 所述粗計(jì)數(shù)模塊和細(xì)計(jì)數(shù)模塊的輸入端連接有待測(cè)信號(hào)的輸出端，且該待測(cè)信號(hào)輸出 有開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)； 所述粗計(jì)數(shù)模塊的輸出端連接所述運(yùn)算邏輯模塊，所述細(xì)計(jì)數(shù)模塊通過(guò)編碼解析模塊 連接所述運(yùn)算邏輯模塊， 所述運(yùn)算邏輯模塊將粗計(jì)數(shù)模塊送來(lái)的粗計(jì)數(shù)值和編碼解析模塊送來(lái)的細(xì)時(shí)間信息 進(jìn)行運(yùn)算，即得到開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述運(yùn)算 邏輯模塊將所述粗計(jì)數(shù)值與所述細(xì)時(shí)間信息進(jìn)行加法運(yùn)算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述粗 計(jì)數(shù)模塊檢測(cè)到開始脈沖信號(hào)的上升沿后就開始計(jì)數(shù)，等到檢測(cè)到停止脈沖信號(hào)就停止計(jì) 數(shù)，計(jì)算開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔作為粗計(jì)數(shù)值送到運(yùn) 算模塊邏輯模塊中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述 粗計(jì)數(shù)模塊為計(jì)數(shù)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述細(xì)計(jì) 數(shù)模塊將開始脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間進(jìn)行編碼編碼和停止脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上 升沿的時(shí)間進(jìn)行編碼，將兩者的編碼輸出到編碼解析模塊中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述 細(xì)計(jì)數(shù)模塊包括若干個(gè)延時(shí)鏈單元，各個(gè)延時(shí)鏈單元串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)較長(zhǎng)的延時(shí)鏈，各 個(gè)延時(shí)鏈單元的末端輸出采到的脈沖值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述細(xì)計(jì) 數(shù)模塊接收到開始脈沖信號(hào)后，在各個(gè)延時(shí)鏈單元采樣脈沖信息，在時(shí)鐘上升沿計(jì)算延時(shí) 鏈單元輸出"1"的個(gè)數(shù)，即開始脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼；細(xì)計(jì)數(shù)模塊接收到 停止脈沖信號(hào)后，同樣能得到停止脈沖信號(hào)距離時(shí)鐘上升沿的時(shí)間編碼。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述延時(shí) 鏈單元由加法器的進(jìn)位鏈構(gòu)成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量裝置，其特征在于，所述編碼 解析模塊將細(xì)計(jì)數(shù)模塊測(cè)量的開始脈沖信號(hào)和停止脈沖信號(hào)的編碼信息相減得到的一個(gè) 值，再將這個(gè)值分段作為地址索引查找出對(duì)應(yīng)的數(shù)字，再將這個(gè)數(shù)字乘以一個(gè)延時(shí)鏈單元 延時(shí)值，就能計(jì)算出細(xì)時(shí)間值。
【文檔編號(hào)】G04F10/00GK104216279SQ201410489872
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】侯紅朝 申請(qǐng)人:西安宏泰時(shí)頻技術(shù)有限公司