一種具有溫度補償功的高分辨率時間間隔測量裝置制造方法【專利摘要】本發(fā)明針對恒流源電路引起的微小誤差，影響時間間隔測量精度，提出一種具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置。通過在恒流源電路中的運算放大器輸出端加入第一電阻、第二電阻，第二電阻的電阻值為第一NPN三極管等效電阻阻值的1/N，由于運算放大器輸出的等效噪聲電流為一個定值，這樣通過第二電阻的電阻值的分流，進入第一NPN三極管基極的噪聲等效電流見到原來的1/(N+1)，從而使其具有低噪聲的特性，從而提高測量精度?！緦＠f明】一種具有溫度補償功的高分辨率時間間隔測量裝置【
技術領域：
】[0001]本發(fā)明屬于時間間隔測量【
技術領域：
】，更為具體地講，涉及一種具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置?！?br>背景技術：
】[0002]高分辨率時間間隔測量技術廣泛應用于電子儀器、激光測距、物理實驗等各個科研生產領域，是這些領域的基礎技術。目前廣泛應用的時間間隔測量的方法主要有直接計數(shù)法、模擬內插法、數(shù)字游標法、延遲線法以及時間幅度轉換法。[0003]直接計數(shù)法將被測信號轉換為閘門信號，控制高速電路對高速時鐘進行計數(shù)，從而獲得被測信號時間間隔。這種方法的原理比較簡單，但要實現(xiàn)皮秒量級的準確度，其計數(shù)頻率要達到100GHz，信號達到微波段。這樣的信號不僅難以產生，準確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應，在普通電路中不易實現(xiàn)。因此，目前該方法只能達到納秒級的精度。[0004]模擬內插法是將窄脈沖信號（被測脈沖信號寬度）控制恒流源充放電電路（快充慢放，或者快放慢充），產出相對較寬的脈沖信號（次脈沖寬度與輸入窄脈沖寬度成線性比例關系），然后對次寬脈沖進行計數(shù)，間接測量窄脈沖的時間間隔。此方法應用較廣，但由于電流源電路線性不好等原因，通常得到的時間分辨率約幾十PS量級。[0005]游標法的原理比較復雜，它采用的可移位相鎖相環(huán)（PhaseshiftablePLL)實現(xiàn)的技術難度較大，其器件為專用器件（比如HP的5370B高精度時間間隔計數(shù)器內的PhaseshiftablePLL就是采用了HP自己的專用器件，其測量精度可達20ps，由于市場及價格原因目前已停產），如果采用普通的器件來實現(xiàn)PhaseshiftablePLL是較為困難的，因為PhaseshiftablePLL在相位上必須與被測信號保持固定的關系，而在頻率上又要與參考頻率相關，實際上在原理上是一個鎖頻環(huán)，其精度的控制在技術上是非常困難的，所以現(xiàn)在利用這種方法來實現(xiàn)高精度時間間隔測量的產品不多，主要原因就是實現(xiàn)難度大。[0006]延遲線法是利用集成電路內部時延來測量時間間隔的，被測脈沖經過多個串聯(lián)的"脈沖縮減緩沖器"電路，由于它們的上升時間和下降時間的不一致，使得每經過一個脈沖縮減緩沖器，脈沖就縮減一個時間單位（如20ps)。當檢測器檢測出輸入在第幾個脈沖縮減緩沖器突然消失時，就可以知道被測脈沖的寬度，從而測量出時間間隔。由于電路芯片受溫度及電壓等影響，使得電路的上升時間和下降時間發(fā)生變化，所以這種測量方法必須有校驗手段。[0007]時間-幅度轉換（Time-to-AmplitudeConverter,簡稱TAC)方法是將電脈沖信號的寬度轉換為直流電平幅度的方法來進行測量，從而間接實現(xiàn)高分辨率的時間間隔測量。[0008]現(xiàn)有基于TAC的高分辨率時間間隔裝置的結構原理如圖1所示。其中，輸入調理電路根據(jù)開始信號脈沖（START)和停止信號脈沖（STOP)，利用低抖動數(shù)字邏輯器件，將待測時間間隔分解為能被計數(shù)器直接計數(shù)無量化誤差的整數(shù)部分閘門信號和"時間零頭"，分別是開始信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔△tstart，以及停止信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔八％_，即小數(shù)部分八％,#、八％_，再分別送入時間-幅度轉換器了八(：1、了八〇2進行高分辨率的測量，最后在FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件）中將測量數(shù)據(jù)匯總處理，再經數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進行。該技術目前大致可以實現(xiàn)幾十皮秒量級的分辨率，但是，若要進一步提高精度，則存在著溫漂大，影響測量精度的問題。[0009]目前應用的TAC轉換器都是采用一個恒流源給一個電容進行充電，電容兩端電壓在窄脈沖內線性上升，通過測量電容兩端電壓變化量即可計算出窄脈沖的寬度。圖2是現(xiàn)有技術中TAC轉換器的原理圖。[0010]圖2中，Ql和Q2為兩個差分的高速開關管，發(fā)射極連接在一起，并通過一個恒流源接地。運算放大器用于在At內為電容C通過恒流源I進行充電，一次充電完成后，產生與Λt成線性比例關系的電壓信號，經過偏置調節(jié)電路，送至高分辨率ADC中進行量化，量化完成后，閉合開關S，等待下一次測量。[0011]TAC轉換器的具體電路在許多文獻中有敘述，但更多的是原理性的描述，由于之前的時間間隔測量精度沒有達到幾個皮秒量級，所以對其中的恒流源電路引起的微小誤差并沒有進行深入的研究，對恒流源電路的指標也沒有特別說明?！?br/>發(fā)明內容】[0012]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的高分辨率時間間隔測量裝置不足，提供一種具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置，以提高時間間隔的測量精度。[0013]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置，包括輸入調理電路、時間-幅度轉換器TAC1、TAC2以及FPGA;[0014]輸入調理電路根據(jù)開始信號脈沖（START)和停止信號脈沖（STOP)，將待測時間間隔分解為能被計數(shù)器直接計數(shù)無量化誤差的整數(shù)部分閘門信號、開始信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔信號Atstart以及停止信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔信號Atsttjp;其中，整數(shù)部分閘門信號送入FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件）中的計數(shù)器中進行計數(shù)，得到整數(shù)部分的時間間隔；時間間隔信號Λtstart、Λtst()p分別送入時間-幅度轉換器TAC1、TAC2進行高分辨率的測量，得到兩個小數(shù)部分的時間間隔，最后在FPGA中將整數(shù)部分的時間間隔與兩個小數(shù)部分的時間間隔匯總處理，再經數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進行。[0015]其特征在于，所述時間-幅度轉換器TACUTAC2中的恒流源電路包括：[0016]-運算放大器，其正輸入端接參考電壓，輸出端通過第一電阻輸出到第一NPN三極管的基極；[0017]第一NPN三極管，其集電極接時間-幅度轉換器中的兩個差分高速開關管的發(fā)射極，基極通過第二電阻接地，同時，發(fā)射極通過第三電阻接地，第三電阻非接地端與運算放大器的負輸入端連接；[0018]其中，第二電阻的電阻值為第一NPN三極管等效電阻值的1/N，N根據(jù)具體的恒流源電路設計確定。[0019]作為進一步的改進，所述的恒流源電路還包括：[0020]第二NPN三極管，與第一NPN三極管具有相同型號，其基極與集電極連接；所述的第三電阻非接地端與運算放大器的負輸入端連接為：第二NPN三極管的基極與第三電阻非接地端連接，發(fā)射極與與運算放大器的負輸入端連接；[0021]第四電阻，所述的運算放大器負輸入端接地為通過第四電阻接地。[0022]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的。[0023]本發(fā)明在恒流源電路中的運算放大器輸出端加入第一電阻、第二電阻，第二電阻的電阻值為第一NPN三極管等效電阻值的1/N倍，由于運算放大器輸出的等效噪聲電流為一個定值，這樣通過第二電阻的電阻值的分流，進入第一NPN三極管基極的噪聲等效電流見到原來的1ΛΝ+1)，從而使其具有低噪聲的特性，從而提高測量精度。[0024]此外，本發(fā)明在恒流源電路中的運算放大器的反饋回路上接入一個與第一NPN三極管具有相同型號的第二NPN三極管，以補償?shù)谝籒PN三極管的溫漂，在未補償前，假設T溫度上升，此時第一NPN三極管的β值會升高，當其基極電流Ib保持恒定的時候，集電極電流Ic就會上升，導致恒流源電路電流隨著溫度的升高而升高，該過程可以表示為：[0025]T丨一β丨一Ic個[0026]在加入第二NPN三極管后，當溫度T上升后，第二NPN三極管的基極發(fā)射極電壓Vbe會下降，在參考電壓Vkefi保持不變的情況下，第三電阻兩端的電壓Vk會下降，即流過第三電阻的電流Ik下降，這會導致集電極電流Ic的下降，該過程可以表示為：[0027]Tt-VbeI-VeI-IrI-IcI[0028]在本發(fā)明中，兩個過程同時發(fā)生，從而補償了由于第一NPN三極管產生的集電極電流L上升的情況，達到了抑制溫漂的效果，從而進一步提高了測量精度?！緦＠綀D】【附圖說明】[0029]圖1是基于TAC的高分辨率時間間隔裝置的結構原理圖；[0030]圖2是現(xiàn)有技術中TAC轉換器的原理圖；[0031]圖3是本發(fā)明具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置中時間-幅度轉換器一種【具體實施方式】原理圖。【具體實施方式】[0032]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。[0033]圖3是本發(fā)明具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置中時間-幅度轉換器一種【具體實施方式】原理圖。[0034]本發(fā)明具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置中的輸入調理電路、以及FPGA都是現(xiàn)有技術，在此不再贅述。[0035]在本實施例中，如圖3所示，本發(fā)明具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置中時間-幅度轉換器包括恒流源電路以及時間幅度轉換電路，其中，時間幅度轉換電路也屬于現(xiàn)有技術，在此不再贅述。[0036]在本實施例中，本發(fā)明在現(xiàn)有TAC(時間-幅度轉換器）測量原理基礎上，對恒流源電路進行了改進，得到一種精密恒流源電路，該電路具有低噪聲、低溫漂的特性，從而提高時間間隔的測量精度。[0037]A.低噪聲[0038]在本實施例中，如圖3所示，運算放大器U3的正輸入端通過電阻RlO接參考電壓VRERl(同時，通過電阻R17接地，輸入的為參考電壓在電阻R17上的分壓，電阻R17并列一個電容C6,以減小參考電壓VRERl的噪聲），負輸入端通過第四電阻接地，輸出端加入第一電阻Rll、第二電阻R12,輸出端通過第一電阻輸出Rll到第一NPN三極管Q5的基極。[0039]第一NPN三極管Q5,其集電極通過第五電阻R18接時間-幅度轉換器中（時間-幅度轉換器中）的兩個差分高速開關管Q2、Q3的發(fā)射極，其基極端輸入等效電阻記作"Rq"，大概約幾十k歐姆，另外基極端通過第二電阻R12接地，第二電阻遠小于Rq同時，不妨記作Rll=(Rq)/N發(fā)射極通過第三電阻R15接地，第三電阻R15非接地端與運算放大器U3的負輸入端連接。在本實施例中，在第一NPN三極管Q5的發(fā)射極與第三電阻R15之間加入了第五電阻R13,第五電阻R13為緩沖電阻，阻值較小，用于避免Q5產生自激振蕩，增強電路的穩(wěn)定性。[0040]第一電阻Rll并列一個電容C5組成了低通濾波器，可以進一步抑制高頻電壓噪聲，電阻R18-端接兩個差分高速開關管Q2和Q3的發(fā)射極，一端接第一NPN三極管Q5的集電極，可以與1?頻晶體管的等效結電容形成低通濾波，防止1?頻晶體管自激，提1?電路穩(wěn)定性。同時第二電阻R12的增加，極大減小了第一NPN三極管Q5基極的電流噪聲。該過程可以表示為：[0041]在加入第一電阻Rll、第二電阻R12之前，假設運算放大器U3的輸出電流為：[0042]I=I0I+Inoise=Ib[0043]其中Itjl是不考慮噪聲時，運算放大器U3的理想輸出電流，Inqise是疊加在運算放大器U3輸出端的等效噪聲電流，Ib為流入第一NPN三極管Q5基極的電流。顯然，此時運算放大器U3輸出的噪聲電流Inqise全部輸入到第一NPN三極管Q5的基極，影響了給恒流源電路帶來噪聲較大。加入第一電阻R11、第二電阻R12后，運算放大器U3的輸出電流為：【權利要求】1.一種具有溫度補償功能的高分辨率時間間隔測量裝置，包括輸入調理電路、時間-幅度轉換器TAC1、TAC2W及FPGA;輸入調理電路根據(jù)開始信號脈沖（START)和停止信號脈沖（STOP),將待測時間間隔分解為能被計數(shù)器直接計數(shù)無量化誤差的整數(shù)部分間口信號、開始信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔信號AW及停止信號脈沖與系統(tǒng)時鐘產生的時間間隔信號A其中，整數(shù)部分間口信號送入FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件）中的計數(shù)器中進行計數(shù)，得到整數(shù)部分的時間間隔；時間間隔信號AA分別送入時間-幅度轉換器TAC1、TAC2進行高分辨率的測量，得到兩個小數(shù)部分的時間間隔，最后在FPGA中將整數(shù)部分的時間間隔與兩個小數(shù)部分的時間間隔匯總處理，再經數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進行。其特征在于，所述時間-幅度轉換器TACUTAC2中的恒流源電路包括：一運算放大器，其正輸入端接參考電壓，，輸出端通過第一電阻輸出到第一NPNH極管的基極；第一NPNH極管，其集電極接時間-幅度轉換器中的兩個差分高速開關管的發(fā)射極，基極通過第二電阻接地，同時，發(fā)射極通過第H電阻接地，第H電阻非接地端與運算放大器的負輸入端連接；其中，第二電阻的電阻值是第一NPNH極管基極等效電阻的1/N倍，N根據(jù)具體的恒流源電路設計確定。2.根據(jù)權利要求1所述的時間間隔測量裝置，其特征在于，所述的還包括：第二NPNH極管，與第一NPNH極管具有相同型號，其基極與集電極連接；所述的第H電阻非接地端與運算放大器的負輸入端連接為：第二NPNH極管的基極與第H電阻非接地端連接，發(fā)射極與與運算放大器的負輸入端連接；第四電阻，運算放大器負輸入端通過第四電阻接地。3.根據(jù)權利要求1所述的時間間隔測量裝置變換方法，其特征在于，所述的第一電阻R11并列一個電容巧組成了低通濾波器，可W進一步抑制高頻噪聲。4.根據(jù)權利要求1所述的時間間隔測量裝置，其特征在于，所述第一NPNH極管集電極接時間-幅度轉換器中的兩個差分高速開關管的發(fā)射極為：通過第五電阻一端接兩個差分高速開關管的發(fā)射極，一端接第一NPNH極管Q5的集電極，該樣可W與第一NPNH極管的等效結電容形成低通濾波，防止高頻晶體管自激，提高電路穩(wěn)定性?！疚臋n編號】G04F10/04GK104460303SQ201410747895【公開日】2015年3月25日申請日期:2014年12月9日優(yōu)先權日:2014年12月9日【發(fā)明者】邱渡裕,吳佳瑜,葉芃,程孟,曾浩,譚峰,楊擴軍,黃武煌,魏騏,郭連平申請人:電子科技大學