一種基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于時間間隔測量技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，設(shè)及一種基于雙恒流源結(jié)構(gòu) 的高分辨率快速時間間隔測量電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在隨機取樣示波器中，處理器將多次觸發(fā)采集的波形按照觸發(fā)點的位置進行重新 排序，實現(xiàn)對被測波形的重構(gòu)。波形重構(gòu)的依據(jù)是每次觸發(fā)時刻與觸發(fā)之后下一個數(shù)據(jù)同 步時鐘上升沿之間的時間間隔ΔΤ，將觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)同步時鐘送往時間間隔測量電路，觸 發(fā)信號和來自ADC的數(shù)據(jù)同步時鐘進行異或產(chǎn)生攜帶了時間間隔信息ΔΤ的窄脈沖，運個 時間間隔進入后級的時間-幅度轉(zhuǎn)換（Time-to-ampliUideConverter,TAC)電路即時間間 隔測量電路，將時間信息轉(zhuǎn)換為電壓幅度信息，再被高分辨率ADC采集量化，得到時間間隔 數(shù)值，并經(jīng)過處理器計算后確定觸發(fā)點的位置，實現(xiàn)波形重構(gòu)波形。
[0003] 時間間隔測量的分辨率直接決定了取樣示波器的等效采樣率，而測量速度則決定 了波形重構(gòu)的時間。所W，運里需要時間間隔測量裝置具有很高的時間測量精度，并且同時 具備較快的測量速度。
[0004] 圖1是現(xiàn)有高分辨率的時間間隔測量電路的一種電路原理圖。
[0005] 現(xiàn)有高分辨率的時間間隔測量裝置是基于恒流源對米勒積分器進行充電的原理， 將時間間隔信息（AT脈沖寬度）轉(zhuǎn)換為幅度信息間接進行測量。
[0006] 如圖1所示，受控恒流源電流為I。當輸入AT正脈沖到來時，立極管Q2關(guān)閉，立 極管Q1開啟，恒流源對運算放大器U2和電容C形成的積分電路進行快速充電，電容C兩端 電壓迅速發(fā)生變化，在運算放大器U2的輸出端產(chǎn)生與充電時間（即脈沖寬度ΔΤ)成正比 的電壓信號AU。，經(jīng)運算放大器U3進行增益和偏置（Offset)上的調(diào)節(jié)，最后輸入到16bit 的高分辨率ADC中，量化得到的電壓數(shù)值N&T與脈沖寬度AT成正比關(guān)系。
[0007] TAC電路的工作過程如圖2所示，電容電壓變化量與脈沖寬度成正比例線性關(guān)系。 由于米勒積分器電路中電阻R3與電容C形成放電回路，為了保持電容C上電壓，電阻R3應(yīng) 取值應(yīng)較大，約為兆歐姆（1〇6ω)量級，使得RC回路放電時間較長。當輸入脈沖（脈沖寬 度ΔΤ)結(jié)束時候，快速開啟采樣脈沖，對電壓波形進行采樣，然后RC回路放電回復(fù)到初始 電壓。需要說明的是，運里RC回路放電時間系數(shù)較大，電容C穩(wěn)定恢復(fù)到初始電壓狀態(tài)大 概需要毫秒量級的時間，是制約測量速度的主要因素。
[0008] 基于米勒積分器原理的TAC時間間隔裝置基本過程是在ΔΤ窄脈沖信號作用下對 電容快速充電，然后通過RC電路緩慢放電，恢復(fù)到初始狀態(tài)。雖然可W得到較高的時間精 度，但其缺點是進行一次測量后，需要等待較長時間，W確保RC電路放電完成。在圖1中， 假設(shè)放電電阻R3=10Μ歐姆，電容C=10化F，則RC電路時間常數(shù)τ滿足如下關(guān)系：
[0009] τ=RC= 10X106QΧ100Χ10 叩=10 3s (!)
[0010] 顯然，電路時間常數(shù)與電容兩端電壓無關(guān)，不論電容兩端電壓大小，要恢復(fù)到穩(wěn)定 狀態(tài)的時間是一樣的。對于RC電路真正達到穩(wěn)定狀態(tài)，往往需要的時間約5τ，即需要約 5ms，運難W滿足隨機等效采樣的波形重構(gòu)效率要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率 快速時間間隔測量電路，實現(xiàn)在保證測量精度的前提下，大大縮短了時間間隔測量時間，W 提高隨機等效采樣波形重構(gòu)效率。
[0012] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電 路，包括一充放電電容，其一端接地，另一端為充放電端，其特征在于，還包括：
[0013] 一由放電恒流源和充電恒流源組成的雙恒流源，其中：
[0014] 放電恒流源輸出端與充放電電容的充放電端連接，在時間間隔為ΔΤ的窄脈沖到 來時，對充放電電容進行快速放電，使測量電路從初始準備測量階段進入放電階段，在時間 間隔為AT的窄脈沖結(jié)束時，結(jié)束對充放電電容進行的快速放電，同時使測量裝置進入ADC 采樣階段，對充放電電容的電壓值進行采樣，從而獲取與電壓下降幅度成正比的時間間隔 ΔΤ;
[0015] 充電恒流源輸出端與充放電電容的充放電端連接，其具有兩種工作狀態(tài)；在開關(guān) 控制信號的控制下，在初始準備測量階段、放電階段化及ADC采樣階段，選擇產(chǎn)生微小電流 輸出到充放電電容；在采樣完成后為快速充電恢復(fù)階段，選擇產(chǎn)生大電流輸出到充放電電 容，實現(xiàn)充放電電容上電壓的快速恢復(fù)流放電電容上電壓恢復(fù)到初始電壓后，重新進入初 始準備測量階段；
[0016] 一穩(wěn)壓電路W及一個二極管，二極管的陰極接穩(wěn)壓電路的輸出端，二極管的陽極 與充放電電容的充放電端連接，用于與充電恒流源配合，在初始準備測量階段為充放電電 容提供一個穩(wěn)定的初始電壓。
[0017] 本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的。
[0018] 本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路，在時間-幅度轉(zhuǎn)換 (Time-to-ampliUideConverterJAC)原理，即將時間信息轉(zhuǎn)換為電壓幅度信息，再被高分 辨率ADC采集量化，得到時間間隔數(shù)值的基礎(chǔ)上，采用放電恒流源和充電恒流源組成的雙 恒流源結(jié)構(gòu)，放電恒流源在時間間隔為ΔΤ的窄脈沖到來時，對充放電電容進行快速放電， 從而進入放電階段（時間-幅度轉(zhuǎn)換，即測量時間段）。窄脈沖結(jié)束后，進行充放電電容的電 壓值進行采樣，獲取與電壓下降幅度成正比的時間間隔AT。在此基礎(chǔ)上，通過充電恒流源 對充放電電容進行充電，使其回到初始電壓。在本發(fā)明中，充電恒流源具有兩種工作狀態(tài)， 可W在開關(guān)控制信號的控制下，改變充電電流大小，即可W根據(jù)測量過程需要，在初始準備 測量階段、放電階段W及ADC采樣階段，選擇產(chǎn)生微小電流，在初始準備測量階為充放電電 容提供一個穩(wěn)定的初始電壓，在測量完成后，選擇產(chǎn)生大電流充電，實現(xiàn)充放電電容上電壓 的快速恢復(fù)，大大提高了時間間隔測量的速度，從而進一步提高了隨機等效采樣波形重構(gòu) 效率。
【附圖說明】
[0019] 圖1是現(xiàn)有高分辨率的時間間隔測量電路的一種電路原理圖；
[0020] 圖2是TAC電路工作過程示意圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路一種具體實 施方式電路原理圖；
[0022] 圖4是本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路工作過程示 意圖；
[0023] 圖5是本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路一種具體實 施方式工作波形圖；
[0024] 圖6本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔測量電路一種具體實施 方式下時間間隔測量分布圖。
【具體實施方式】
[00巧]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，W便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在W下的描述中，當已知功能和設(shè)計的詳細描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，運些描述在運里將被忽略。
[00%] 在本實施例中，如圖3所示，本發(fā)明基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的高分辨率快速時間間隔 測量電路，包括：充放電電容C1、放電恒流源、充電恒流源W及穩(wěn)壓電路和二極管D1。充放 電電容C1的一端接地，另一端為充放電端。
[0027]放電恒流源和充電恒流源組成雙恒流源結(jié)構(gòu)，其中： 陽02引放電恒流源輸出端與充放電電容C1的充放電端連接，在時間間隔為ΔΤ的窄脈沖 到來時，對充放電電容C1進行快速放電，使測量裝置從初始準備測量階段進入放電階段， 在時間間隔為AT的窄脈沖結(jié)束時，結(jié)束對充放電電容C1進行的快速放電，同時使測量裝 置進入ADC采樣階段，對充放電電容的電壓值進行采樣，從而獲取與電壓下降幅度成正比 的時間間隔ΔΤ;
[0029] 充電恒流源輸出端與充放電電容C1的充放電端連接，其具有兩種工作狀態(tài)；在開 關(guān)控制信號S1的控制下，在初始準備測量階段、放電階段W及ADC采樣階段，選擇產(chǎn)生微 小電流輸出到充放電電容C1;在采樣完成后為快速充電恢復(fù)階段，選擇產(chǎn)生大電流輸出到 充放電電容C1，實現(xiàn)充放電電容上電壓的快速恢復(fù)；充放電電容C1上電壓恢復(fù)到初始電壓 后，重新進入初始準備測量階段；
[0030] 二極管D1的陰極接穩(wěn)壓電路的輸出端，二極管D1的陽極與充放電電容C1的充放 電端連接，用于與充電恒流源配合，在初始準備測量階為充放電電容C1提供一個穩(wěn)定的初 始電壓VI。
[0031] 在本實施例中，如圖3所示，與基于米勒積分器原理的TAC時間間隔測量電路不 同，本發(fā)明采用雙恒流源結(jié)構(gòu)的TAC時間間隔測量電路，具有兩個恒流源。其中時間間隔為 AT的窄脈沖到來時（作用下），對充放電電容C1進行快速放電，然后在ADC采樣階段結(jié)束 后，通過充電恒流源對充放電電容C1進行充電。
[0032] 充電恒流源具有兩種工作狀態(tài)，可W在開關(guān)控制信號S1的控制下，改變充電電流 大小，即可W根據(jù)電路需要，在初始準備測量階段、放電階段W及ADC采樣階段，選擇產(chǎn)生 微小電流，在采樣完成后，選擇產(chǎn)生大電流充電，實現(xiàn)充放電電容C1上電壓的快速恢復(fù)，從 而提高時間間隔的測量速度。
[0033] 在本實施例中，放電恒流源采樣傳統(tǒng)的運算放大器+Ξ極管+采樣電阻的設(shè)計，由 運算放大器υ〇、Ξ極管Q3W及采樣電阻R1組成。放電恒流源的輸出電流由參考電壓Vtui和采樣電阻R1決定，大小為：
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