一種具有自動(dòng)校正功的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置制造方法【專利摘要】本發(fā)明具有自動(dòng)校正功能的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了自動(dòng)校正電路。通過自動(dòng)校正電路產(chǎn)生校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖以及系統(tǒng)時(shí)鐘，并輸入到輸入調(diào)理電路中，產(chǎn)生脈沖寬度值為T1(正相時(shí)鐘)以及T2(反相時(shí)鐘)時(shí)間間隔信號Δtstart、Δtstop，在時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2中分別測量得到時(shí)間間隔Nstart_1、Nstop_1(正相時(shí)鐘)以及Nstart_2、Nstop_2(反相時(shí)鐘)，由于產(chǎn)生脈沖寬度值T1、T2為已知的，這樣根據(jù)這些值進(jìn)行計(jì)算，可以抵消增益系數(shù)和延遲偏差的影響，從而對待測時(shí)間間隔值進(jìn)行了修正，進(jìn)一步提高時(shí)間間隔的測量精度。【專利說明】一種具有自動(dòng)校正功的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于時(shí)間間隔測量【
技術(shù)領(lǐng)域：
】，更為具體地講，涉及一種具有自動(dòng)校正功能的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置。【
背景技術(shù)：
】[0002]高分辨率時(shí)間間隔測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子儀器、激光測距、物理實(shí)驗(yàn)等各個(gè)科研生產(chǎn)領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的時(shí)間間隔測量的方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法、數(shù)字游標(biāo)法、延遲線法以及時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法。[0003]直接計(jì)數(shù)法將被測信號轉(zhuǎn)換為閘門信號，控制高速電路對高速時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得被測信號時(shí)間間隔。這種方法的原理比較簡單，但要實(shí)現(xiàn)皮秒量級的準(zhǔn)確度，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到100GHz，信號達(dá)到微波段。這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)。因此，目前該方法只能達(dá)到納秒級的精度。[0004]模擬內(nèi)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(chǎn)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(guān)系），然后對次寬脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，間接測量窄脈沖的時(shí)間間隔。此方法應(yīng)用較廣，但由于電流源電路線性不好等原因，通常得到的時(shí)間分辨率約幾十PS量級。[0005]游標(biāo)法的原理比較復(fù)雜，它采用的可移位相鎖相環(huán)（PhaseshiftablePLL)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較大，其器件為專用器件（比如HP的5370B高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器內(nèi)的PhaseshiftablePLL就是采用了HP自己的專用器件，其測量精度可達(dá)20ps，由于市場及價(jià)格原因目前已停產(chǎn)），如果采用普通的器件來實(shí)現(xiàn)PhaseshiftablePLL是較為困難的，因?yàn)镻haseshiftablePLL在相位上必須與被測信號保持固定的關(guān)系，而在頻率上又要與參考頻率相關(guān)，實(shí)際上在原理上是一個(gè)鎖頻環(huán)，其精度的控制在技術(shù)上是非常困難的，所以現(xiàn)在利用這種方法來實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測量的產(chǎn)品不多，主要原因就是實(shí)現(xiàn)難度大。[0006]延遲線法是利用集成電路內(nèi)部時(shí)延來測量時(shí)間間隔的，被測脈沖經(jīng)過多個(gè)串聯(lián)的"脈沖縮減緩沖器"電路，由于它們的上升時(shí)間和下降時(shí)間的不一致，使得每經(jīng)過一個(gè)脈沖縮減緩沖器，脈沖就縮減一個(gè)時(shí)間單位（如20ps)。當(dāng)檢測器檢測出輸入在第幾個(gè)脈沖縮減緩沖器突然消失時(shí)，就可以知道被測脈沖的寬度，從而測量出時(shí)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(shí)間和下降時(shí)間發(fā)生變化，所以這種測量方法必須有校驗(yàn)手段。[0007]時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換（Time-to-AmplitudeConverter,簡稱TAC)方法是將電脈沖信號的寬度轉(zhuǎn)換為直流電平幅度的方法來進(jìn)行測量，從而間接實(shí)現(xiàn)高分辨率的時(shí)間間隔測量。[0008]現(xiàn)有基于TAC的高分辨率時(shí)間間隔裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其中，輸入調(diào)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(dòng)數(shù)字邏輯器件，將待測時(shí)間間隔分解為能被計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)無量化誤差的整數(shù)部分閘門信號和"時(shí)間零頭"，分別是開始信號脈沖與系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間間隔△tstart，以及停止信號脈沖與系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間間隔八％_，即小數(shù)部分八％,#、八％_，再分別送入時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器了八(：1、了八〇2進(jìn)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(jīng)數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進(jìn)行。該技術(shù)目前大致可以實(shí)現(xiàn)幾十皮秒量級的分辨率，但是，若要進(jìn)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(yīng)用的TAC轉(zhuǎn)換器都是采用一個(gè)恒流源給一個(gè)電容進(jìn)行充電，電容兩端電壓在窄脈沖內(nèi)線性上升，通過測量電容兩端電壓變化量即可計(jì)算出窄脈沖的寬度。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中TAC轉(zhuǎn)換器的原理圖。[0010]圖2中，Ql和Q2為兩個(gè)差分的高速開關(guān)管，發(fā)射極連接在一起，并通過一個(gè)恒流源接地。運(yùn)算放大器用于在At內(nèi)為電容C通過恒流源I進(jìn)行充電，一次充電完成后，產(chǎn)生與Λt成線性比例關(guān)系的電壓信號，經(jīng)過偏置調(diào)節(jié)電路，送至高分辨率ADC中進(jìn)行量化，量化完成后，閉合開關(guān)S，等待下一次測量。[0011]要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)皮秒量級的高分辨率時(shí)間間隔測量，可以采用具有很低的噪聲和低溫漂特性TAC轉(zhuǎn)換器，但是其溫漂仍然是存在的，不能完全消除，表現(xiàn)在TAC轉(zhuǎn)換器隨著溫度不同，轉(zhuǎn)換結(jié)果存在增益上的偏差。另外系統(tǒng)數(shù)字邏輯器件的延遲也隨溫度變換，帶來時(shí)間偏移偏差，所以整個(gè)測量裝置還是存在著"慢漂"。根據(jù)分析，待測時(shí)間間隔與ADC量化結(jié)果的關(guān)系為：[0012]T=K·N+Toffset(1)[0013]其中，T為待測時(shí)間間隔的真值，K為TAC轉(zhuǎn)換器的增益系數(shù)（將脈寬寬度按比例轉(zhuǎn)換為電壓），主要受精密恒流源電路的影響，N為ADC的量化字，Tottset為TAC轉(zhuǎn)換器存在的延遲偏移（時(shí)間偏移，也受溫度影響，有微小的偏差）?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0014]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置不足，提供一種具有自動(dòng)校正功能的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置，對TAC轉(zhuǎn)換器的增益系數(shù)、延遲偏差進(jìn)行校正，以提商時(shí)間間隔的測量精度。[0015]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明具有自動(dòng)校正功能的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置，包括輸入調(diào)理電路、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2以及FPGA;[0016]輸入調(diào)理電路根據(jù)開始信號脈沖（StartJlit)和停止信號脈沖（Stop_Hit)，將待測時(shí)間間隔分解為能被計(jì)數(shù)器直接計(jì)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(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間間隔信號Atstart以及停止信號脈沖與系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)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(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到整數(shù)部分的時(shí)間間隔；時(shí)間間隔信號Atstart、Atstop分別送入時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2進(jìn)行高分辨率的測量，得到兩個(gè)小數(shù)部分的時(shí)間間隔，最后在FPGA中將整數(shù)部分的時(shí)間間隔與兩個(gè)小數(shù)部分的時(shí)間間隔匯總處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進(jìn)行。[0017]其特征在于，還包括：一自動(dòng)校正電路；[0018]所述的自動(dòng)校正電路包括：[0019]同相時(shí)鐘緩沖器和反相時(shí)鐘緩沖器，其輸入均為高穩(wěn)時(shí)鐘源輸出的時(shí)鐘，輸出分另Ij為相位相反的兩路時(shí)鐘即同相時(shí)鐘和反向時(shí)鐘；[0020]同相多路扇出器和反相多路扇出器，同相多路扇出器的輸入為同相時(shí)鐘緩沖器輸出的同相時(shí)鐘，輸出為兩路同相時(shí)鐘，反相多路扇出器輸入反相時(shí)鐘緩沖器輸出的反向時(shí)鐘，輸出為兩路反相時(shí)鐘；[0021]校正時(shí)鐘2選1多路選擇器和系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器，其中，校正時(shí)鐘2選1多路選擇器輸入為同相多路扇出器輸出的一路同相時(shí)鐘和反相多路扇出器輸出的一路反相時(shí)鐘，根據(jù)自校正時(shí)鐘選擇信號，選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為自校正時(shí)鐘；系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器輸入為同相多路扇出器輸出的另一路同相時(shí)鐘和反相多路扇出器輸出的另一路反相時(shí)鐘，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇信號，選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入到輸入調(diào)理電路；[0022]兩個(gè)D觸發(fā)器，其時(shí)鐘端輸入均為自校正時(shí)鐘，D輸入端均接校正使能信號，Q輸出端分別輸出校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖；[0023]兩個(gè)校正2選1多路選擇器，其中一個(gè)輸入為待測時(shí)間間隔的開始信號脈沖(Start)和校正開始信號脈沖，輸出為輸入調(diào)理電路的開始信號脈沖（Start_Hit)，另一個(gè)輸入為待測時(shí)間間隔的停止信號脈沖（Stop)和校正停止信號脈沖，輸出為輸入調(diào)理電路的停止信號脈沖（St〇p_Hit);[0024]正常測試時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號（Cali_SEL)分別選擇待測時(shí)間間隔的開始信號脈沖（Start)和停止信號脈沖（Stop)輸入到輸入調(diào)理單元，在時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2中分別測量得到時(shí)間間隔值Nstart_x、Nstopx;[0025]校正時(shí)，首先對兩個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位，使其均輸出為低電平0,校正使能信號為高電平1，然后，系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL1)選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘；在校正時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)校正時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL0)選擇同相時(shí)鐘時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號（Cali_SEL)分別選擇校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖輸入到輸入調(diào)理單元，在時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TACUTAC2中分別測量得到時(shí)間間隔Nstart^NstopJ，在校正時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)校正時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL0)選擇反相時(shí)鐘時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號(Cali_SEL)分別選擇校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖輸入到輸入調(diào)理單元，分別測量得到時(shí)間間隔Nstart2、Nsttjp2;[0026]最后，在FPGA中，對待測時(shí)間間隔進(jìn)行校正，得到校正后的待測時(shí)間間隔：【權(quán)利要求】1.一種具有自動(dòng)校正功能的高分辨率時(shí)間間隔測量裝置，包括輸入調(diào)理電路、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2以及FPGA;輸入調(diào)理電路根據(jù)開始信號脈沖（StartJlit)和停止信號脈沖（Stop_Hit)，將待測時(shí)間間隔分解為能被計(jì)數(shù)器直接計(jì)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(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間間隔信號Atstart以及停止信號脈沖與系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)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(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到整數(shù)部分的時(shí)間間隔；時(shí)間間隔信號Atstart、Atstop分別送入時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2進(jìn)行高分辨率的測量，得到兩個(gè)小數(shù)部分的時(shí)間間隔，最后在FPGA中將整數(shù)部分的時(shí)間間隔與兩個(gè)小數(shù)部分的時(shí)間間隔匯總處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)接口送給后續(xù)處理單元進(jìn)行；其特征在于，還包括：一自動(dòng)校正電路；所述的自動(dòng)校正電路包括：同相時(shí)鐘緩沖器和反相時(shí)鐘緩沖器，其輸入均為高穩(wěn)時(shí)鐘源輸出的時(shí)鐘，輸出分別為相位相反的兩路時(shí)鐘；同相多路扇出器和反相多路扇出器，同相多路扇出器的輸入為同相時(shí)鐘緩沖器輸出的同相時(shí)鐘，輸出為兩路同相時(shí)鐘，反相多路扇出器輸入反相時(shí)鐘緩沖器輸出的反向時(shí)鐘，輸出為兩路反相時(shí)鐘；校正時(shí)鐘2選1多路選擇器和系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器，其中，校正時(shí)鐘2選1多路選擇器輸入為同相多路扇出器輸出的一路同相時(shí)鐘和反相多路扇出器輸出的一路反相時(shí)鐘，根據(jù)自校正時(shí)鐘選擇信號，選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為自校正時(shí)鐘；系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器輸入為同相多路扇出器輸出的另一路同相時(shí)鐘和反相多路扇出器輸出的另一路反相時(shí)鐘，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇信號，選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入到輸入調(diào)理電路；兩個(gè)D觸發(fā)器，其時(shí)鐘端輸入均為自校正時(shí)鐘，D輸入端均接校正使能信號，Q輸出端分別輸出校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖；兩個(gè)校正2選1多路選擇器，其中一個(gè)輸入為待測時(shí)間間隔的開始信號脈沖（Start)和校正開始信號脈沖，輸出為輸入調(diào)理電路的開始信號脈沖（Start_Hit)，另一個(gè)輸入為待測時(shí)間間隔的停止信號脈沖（Stop)和校正停止信號脈沖，輸出為輸入調(diào)理電路的停止信號脈沖（Stop_Hit);正常測試時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號（Cali_SEL)分別選擇待測時(shí)間間隔的開始信號脈沖（Start)和停止信號脈沖（Stop)輸入到輸入調(diào)理單元，在時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2中分別測量得到時(shí)間間隔值Nstart_x、Nstopx;校正時(shí)，首先對兩個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位，使其均輸出為低電平0,校正使能信號為高電平1，然后，系統(tǒng)時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL1)選擇同相時(shí)鐘或反相時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘；在校正時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)校正時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL0)選擇同相時(shí)鐘時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號（Cali_SEL)分別選擇校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖輸入到輸入調(diào)理單元，在時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器TAC1、TAC2中分別測量得到時(shí)間間隔Nstart^Nsttjpl，在校正時(shí)鐘2選1多路選擇器根據(jù)校正時(shí)鐘選擇信號（CLK_SEL0)選擇反相時(shí)鐘時(shí)，兩個(gè)校正2選1多路選擇器根據(jù)校正控制信號（Cali_SEL)分別選擇校正開始信號脈沖和校正停止信號脈沖輸入到輸入調(diào)理單元，分別測量得到時(shí)間間1?Nstart_2、NstQP_2;最后，在FPGA中，對待測時(shí)間間隔進(jìn)行校正，得到校正后的待測時(shí)間間隔：其中，T1為選擇同相時(shí)鐘作為自校正時(shí)鐘時(shí)，時(shí)間間隔信號Λtstart、Atsttjp脈沖寬度值，T2為選擇反相時(shí)鐘作為自校正時(shí)鐘時(shí)，時(shí)間間隔信號Λtstart、Λtstop脈沖寬度值。【文檔編號】G04F10/04GK104460304SQ201410763285【公開日】2015年3月25日申請日期:2014年12月11日優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日【發(fā)明者】邱渡裕,葉芃,譚峰,郭連平,程孟,曾浩,楊擴(kuò)軍,黃武煌申請人:電子科技大學(xué)