1、高精度時間間隔測量方法綜述孫杰潘繼飛(解放軍電子工程學院，安徽合肥，230037)摘要：時間間隔測量技術在眾多領域已經獲得了應用，如何提高其測量精度是一個迫切需要解決的問題。在分析電子計數法測量原理與誤差的基礎上，重點介紹了國內外高精度時間間隔測量方法，這些方法都是對電子計數法的原理誤差進行測量，并且取得了非常好的效果。文章的最后給出了高精度時間間隔測量方法的發展方向及應用前景。關鍵詞：時間間隔；原理誤差；內插；時間數字轉換；時間幅度轉換MethodsofHighPrecisionTime-IntervalMeasurementSUNJie,PANJi-fei(ElectronicEngine

2、eringInstituteofPLA,HeFei230037,China)Abstract:Technologyoftime-intervalmeasurementhasbeenappliedinmanyfields.Howtoimproveitsprecisionisanemergentquestion.Onthebasesofanalyzingelectroniccounter'sprincipleanderror,thispaperputsemphasisuponintroducinghighprecisiontime-intervalmeasurementsalloverth

3、eworld.Allthesemethodsaimatelectroniccounter'sprincipleerror,andobtainspecialeffect.Lastly,theprogressdirectionandapplicationforegroundofhighprecisiontime-intervalmeasurementmethodsarepredicted.KeyWords:timeinterval;principleerror;interpolating;time-to-digitalconversion;time-to-amplitudeconversi

4、on0引言時間有兩種含義，一種是指時間坐標系中的某一刻；另一種是指時間間隔，即在時間坐標系中兩個時刻之間的持續時間，因此，時間間隔測量屬于時間測量的范疇。時間間隔測量技術在通信、雷達、衛星及導航定位等領域都有著非常重要的作用，因此，如何高精度測量出時間間隔是測量領域一直關注的問題。本文詳細分析了目前國內外所采用的高精度時間間隔測量方法，指出其發展趨勢，為研究新的測量方法指明了方向。1電子計數法1.1測量原理與誤差分析在測量精度要求不高的前提下，電子計數法是一種非常好的時間間隔測量方法，已經在許多領域獲得了實際應用，其測量原理如圖1所示:4時間間隔Tx*1待測脈沖Li*一量化時鐘_Tt_kjl_

5、.MTLJLMT1N丁2'一*圖1電子計數法測量時間間隔基本原理量化時鐘頻率為fo,對應的周期To=1/fo,在待測脈沖上升沿計數器輸出計數脈沖個數M,N,Ti,T2為待測脈沖上升沿與下一個量化時鐘脈沖上升沿之間的時間間隔，則待測脈沖時間間隔Tx為：Tx=(N-M>To十工一T2(1)然而，電子計數法得到的是計數脈沖個數M,N,因此其測量的脈沖時間間隔為：'Tx=(NM>T0(2)比較表達式(1)(2)可得電子計數法的測量誤差為-T2,其最大值為一個量化時鐘周期To,產生的原因是待測脈沖上升沿與量化時鐘上升沿的不一致，該誤差稱為電子計數法的原理誤差。除了原理誤差之外

6、，電子計數法還存在時標誤差，分析表達式(2)得到：Tx=A(N-MTo+(N-M0飛(3)比較表達式(3)(2):,ifATx.：N-M'-=十(4)TxN-MTo根據電子計數法原理，A(N-M)=土1,N-M=Tx/To,因此：Tx=dTo+TxBo/To(5)Tx，3/To即為時標誤差，其產生的原因是量化時鐘的穩定度AT。/To,可以看出待測脈沖間隔Tx越大，量化時鐘的穩定度導致的時標誤差越大。根據以上分析得出電子計數法具有以下特點：1測量范圍廣，容易實現，且能夠作到實時處理。2存在時標誤差與原理誤差，限制了其測量精度。電子計數法是一種成熟的時間間隔測量方法，參考文獻123都有一定

7、的說明，有興趣的讀者可以參閱。1.2誤差克服途徑時標誤差可以采用高穩定度的時鐘來克服，比如鋤原子頻率標準；量化誤差的克服有許多方法，也是國內外研究的熱點，可以將其分為以下三類。第一類：提高量化時鐘的頻率，這帶來的問題是時鐘頻率越高對電路的要求越高，并且相應的芯片也很難選擇。例如，當要求1ns的測量精度時，時鐘頻率需要提高到1GHz,此時一般的計數器芯片很難正常工作，同時也會帶來電路板的布線、材料選擇以及加工等諸多問題，因此，不是一個巧妙的方法。第二類：對量化誤差Ti和T2進行擴展，后進行二次量化，實踐證明該解決途徑是切實可行的，并且獲得了長足的發展，取得了大量的研究成果，但是二次量化仍然存在原

8、理誤差。第三類：對量化誤差Ti和T2進行轉換，通過測量其它物理量，比如幅度、相位而達到測量時間的目的，該類方法從根本上解決原理誤差對測量精度的影響。以下所討論的測量方法都是在電子計數法的基礎上發展起來的，這些方法的目的都是克服電子計數法的原理誤差。2模擬內插法電子計數法在測量精度要求不高的條件下無疑是一種非常好的時間測量方法，其原理誤差為一個量化時鐘周期，如果能夠克服其原理誤差，那么其時間測量精度將會得到很大的提高，從這個角度入手，近年來，國內外研究了許多新的測量方法，模擬內插法是其中的一種。該方法是在模擬法與電子計數法的基礎上發展而來的，其測量對象針對電子計數法中的丁1和丁2,即完成丁1和丁

9、2的二次測量。在介紹模擬內插法之前，首先介紹模擬法，其測量原理如圖2所示：待測脈沖信號電容充放電波形待擴展時間間隔擴展后的時間間隔量化時鐘圖2模擬法測量脈沖時間間隔原理圖在待測脈沖間隔Tx期間對電容進行充電，充電電流大小為11；然后以一個小電流I2=I，k進行放電4。此方法的優點是測量精度理論上非常高，可達皮秒量級；但由于電容充放電過程中，充放電時間之間的關系不是絕對線性的，存在非線性現象，其大小大致為測量范圍的萬分之一，這就限制了測量范圍，或者說隨著測量范圍的增加，精度會降低；另外，電容充放電性能受溫度的影響非常大，對測量系統的溫度特性要求就非?？量蹋环浅７€定的恒流源也是一個技術難題。為了克

10、服模擬法在大測量范圍條件下測量精度低的問題，引入了模擬內插法，其測量原理如圖3所示待測脈沖信號-Fl量化時鐘f0電容充放電波形待擴展時間間隔kT2ii擴展后的時間間隔量化時鐘kTiLuhMil圖3模擬內插法測量脈沖時間間隔原理圖模擬內插法要對三段時間進行測量，即Ts、Ti和丁2,其中Ts=NT0,采用電子計數法得到，Ti和T2的測量是關鍵。模擬內插法的思路是對小于量化單位的時間零頭Ti和T2進行擴展，然后對擴展后的時和T2的測量采用電容充放電技術，在間進行再次時鐘計數。T1期間，采用恒流源|1對電容C充電，結束以后采用恒流源I2=IJk對電容放電，直到起始電平位置，然后保持此電平。由充放電電荷

11、相等的原理可得:IiTiCI2TC(6)進一步化簡得到T=kTi,即電容放電時間為充電時間的k倍，然后采用量化時鐘對放電時間進行計時，得到計時脈沖的個數為Ni,則可以得到T=且近，同理得到T2=史，結合TS的大小得到：kkTx=NT°+T丁2=吊+N_To")k該方法雖然在計算Ti和T2時仍存在量化誤差，但是其相對大小可以縮小k倍，假設k=i000,那么計數器的分辨率提高了三個數量級。例如，量化時鐘的頻率為i0MHz,k=i000,則電子計數器的分辨率不會超過i00ns,采用模擬內插技術之后，其分辨率提高到0.ins,相當于10GHz量化時鐘的分辨力。模擬內插法的優點是理論

12、測量精度高，但是這一技術實現的基礎是對Ti和T2的擴展，在較Ti和T2長k倍的時間內，電容的充放電會帶來較大的非線性，所以k值實際上也不可能太大，而且實際所實現的擴展倍數k的準確值也難以得到，所以模擬內插技術要將測時精度提高很多的話，實現起來有很多的局限性。模擬內插技術雖然對時鐘頻率要求不高，但是由于采用模擬電路，當待測信號的頻率較高的情況下非常容易受到噪聲的干擾，當要求連續測量時，電路反應速度也是一個大問題模擬內插法的誤差來源總結如下：1原理誤差。在將模擬量kT轉換成數字量MT。的過程中產生的，其大小為T0/k,該誤差是測量原理誤差，無法克服。2時間擴展的非線性（主要誤差未源）。由于時間擴展

13、采用的都是模擬器件，因此本身存在不可預測的誤差，可以通過采用高精度電容減小非線性誤差。3隨機誤差，如觸發誤差。4時鐘的穩定度帶來的誤差。采用模擬內插原理制成的時間間隔計數器產品的主要代表是HP公司的HP5360A型計數器，該計數器的電容放電時間比充電時間長1000倍，即k=1000,計數器的時鐘頻率為10MHz,其分辨率已經達到了0.1ns。3延遲線內插法國外將這種測量方法稱為TDC（time-to-digitalconverter）方法，并且進行了大量的研究，該方法與模擬內插法一樣，是對T1和T2進行再次測量。當脈沖信號到達時啟動延遲線，延遲線的延遲時間為勒%,當時鐘信號到來時，輸出延遲單元

14、的數目N1,則可以得到T1=N1&,采用同樣的方法能夠得到T2=N2T2。TDC方法得到脈沖時間間隔為：(8)Tx=N.T°1T二NTN11-N22延遲線內插法的測量原理如圖4所示:延遲線方法的突出優點是結構簡單，可實現單片集成，在單片FPGA上實現。其缺點是測量精度受限于LSB（為百皮秒量級）。其誤差來源主要包括以下四方面：一是量化誤差，即一個延遲單元的時間，減少量化誤差帶來的是延遲單元的增加，設備量的龐大。二是延遲線集成非線性，由于在集成過程中不可能做到各個延遲單無完全一致，導致各個延遲單元的延遲時間不相等，對外表現為非線性效應，矯正的方法有平均法、矢量法等。三是隨機變化

15、，由延遲單元的自身溫度和供電電壓變化引起。四是時間抖動，包括時鐘的抖動和延遲單元信號觸發開關的時間抖動。參考文獻67對TDC方法的誤差分析非常透徹?；赥DC方法，參考文獻7給出了一種測量范圍在043s,測量分辨力為200Ps的內插時間間隔計數器。該計數器在一片FPGA上實現，計數器包含兩個6bit的時間-數字轉換器（TDC）,主計數器的時鐘頻率為100MHz,因此TDC的量化誤差LSB大約為200ps,該計數器還能夠用于頻率測量。文中還采用了計算機軟件對TDC的非線性誤差進行校正，使得計數器的測量精度提高到0.65LSB。參考文獻8給出了一種基于TDC方法開發出的時間間隔計數器，該計數器在一

16、片FPGA上實現，由于采用了最新的延遲線設計以及超強功能FPGA,延遲單元達到了128個，使得該計數器的測量分辨力達到了100ps,最差情況下的測量結果為170ps,對非線性誤差進行補償之后的測量分辨力達到了70ps,該計數器的測量范圍為0-43s,計數器芯片的最大功耗為260mw。圖5為該計數器的原理結構簡圖SELECTIONCONTROLREGISTERMUXOUTPUTDATACONTROLWORD圖5基于TDC方法研制成功的某時間間隔計數器原理結構框圖4游標法游標法的測量思路也是針對電子計數法中的Ti和丁2,其測量原理與游標卡尺測量長度的原理相同。使用兩種頻率的時鐘信號：主時鐘頻率fg

17、和游標時鐘f02。設定f01>f02,且非常接近，時鐘周期差值AT。=丁02又1很小，測量原理參考文獻910有具體說明，這里給出結論:(9)Ti=Ni：T0T2=N2T0T°T02-T01定義擴展系數:(10)則:Tx=N0KN1-N2T01K(11)其中：No為主計數器的計數值;K=為擴展系數;To2-T01N1為測量工用的游標計數器1的計數值，N2為測量丁2用的游標計數器2計數值；T°1為主時鐘周期，T02為游標時鐘周期。To10一假設T01=10ns,T02=10.1ns,則K=一0=100,則游標計數器的測時分辨力為0.1ns。T02F0.1應用游標法進行時間

18、間隔的測量，需要注意以下幾個問題：1時鐘頻率的穩定度fg,f02要求極高。2當分辨力很高時，f°1,f02非常接近，因此兩個時鐘電路必須進行嚴格屏蔽，否則，可能因為頻率牽引而不能正常工作。3要實現高精度、高分辨率的測量，符合電路的工作速度也應該很高。由于存在上述困難，所以游標法長期以來沒有得到實際的應用，目前，采用游標內插法原理制作成功的計數器的代表產品是HP公司的HP5370A型時間間隔計數器，在這個計數器中，相鄰兩個脈沖分別控制兩個觸發鎖相振蕩器，目前，該計數器已經獲得了20Ps的分辨力。5時間-幅度轉換法前面介紹的幾種時間間隔測量方法的總體思路大體上都是對T1和T2進行擴展之后

19、，重新計數，比如，電容充放電法是對和丁2進彳fK倍擴展之后，采用時鐘再次進行計數；延遲線內插技術的本質可以理解為是采用多個延遲單元對和T2進行計數；游標法是利用主副時鐘的頻率差值得到一個擴展系數。以上幾種方法仍然沒有脫離電子計數法的束縛。下面介紹的兩種方法從另外一個角度來進行T1和T2的測量。TVC方法這種方法是在電容充放電方法的啟發下得出的，本文只給出其測量思路：T1變換為電信號的方法。讓主波前沿作為起始觸發，啟動一階躍恒流源I給一電容C充電，恒流源內阻為R,則如圖1所示，主波較下一個計數脈沖早到t時間，為了實時測量出量化誤差I,可以采用將電容C上的電壓與充電時間t之間的關系為:(12)VC

20、=RI(1-e揀C然后，由主波后的第一個有效計數脈沖的前沿控制停止對電容充電，電容電壓就停止增加，假定此時的電'.,_.壓值為VC,這一時刻相對于VC=0時的時延是T1,則Vc=RIF-eRCo與充電電容相連的是一個性能較好的隔離放大器，它具有較高的輸入阻抗，一般有幾十兆歐，它的作用是隔離后級對充電電容的影響，讓電容上的電壓能夠保持很長時間，同時還具有一定的放大作用，但它又不影響恒流源對電容的充電。'在第一個計數脈沖刖沿讓電容停止充電時，電容上的電壓Vc通過隔離放大器送到ADC電路進行模擬數字轉換，得到一個數字碼輸出N',為了分析方便設放大器的放大增益為單位增益。如果A

21、DC的轉換位數為''m'''m,滿量程輸入電壓為Vcm,則存在N=2(VC/Vcm得到ADC的輸出便得到了電容上的電壓Vc,N,Vc與T1一一對應，于是可以得到：根據上式可以確定計數量化誤差1,同理可以得到丁2。該方法的具體誤差分析參考文獻11中有具體的說明。國外將這種測量方法稱為TVC(time-to-voltageconverter)方法，并且將該方法主要用于測量范圍為10ns1us之間的場合。參考文獻12對該方法進行了論述，并且制作成功一個時間間隔測量儀，該測量儀采用電容充放電技術結合雙通道AD轉換器，計數器時鐘頻率為10MHz,測量分辨力達到了4

22、00pso基于斜坡發生器與模數轉換器法該測量方法是對電子計數法的量化誤差T1和T2進行測量，不同于第一種時間幅度轉換方法的是，該方法利用了一個線性斜坡產生器，具體原理如下。當第一個脈沖信號到來時，立刻起動一個斜坡發生器，當此后的第一個量化時鐘脈沖到來時，使采保電路進入保持狀態以保持斜坡發生器此時的電壓值，然后再做模數轉換，記錄下此時的電壓值，設定斜坡發生器在一個時鐘周期T。時間內電壓的變化量為Vpp,假設模數轉換器的位數為n,滿幅時對應的電壓也為Vpp,在量化誤差時間間隔內ADC的輸出為N1,則對應的時間T1的值應該為：TN1丁,、T1'T。(14)同理可以得到丁2的值T2=牛T。根據

23、該測量原理，中國科學院陜西天文臺制作成功了一種時間間隔計2數器13,該計數器的測量分辨率達到了0.2ns。該方法存在的誤差來源主要包括在以下幾個方面：1線性斜坡電壓發生器的非線性誤差導致的測量誤差。2ADC的轉換誤差導致電壓測量值存在誤差。雖然模數轉換技術的測量精度在目前可見的產品中不是很高，但是這種測量思路突破了傳統電子計數法的束縛，將時間測量問題轉換為其他物理量的測量，比如電壓，使得問題的解決方法獲得了突破。6結束語總結以上幾種高精度時間間隔測量方法：1在電子計數法的基礎上，對量化誤差Ti和丁2進行的再次測量。2除電子計數法之外，適合于兩個脈沖時間間隔的測量，即單次測量，對于連續測量難度很

24、大。3除時間-幅度轉換方法之外，其他方法還存在一定的原理誤差。4部分測量方法還不適合于大時間間隔的測量。通過對以往時間間隔測量方法的分析，可以得出其基本發展趨勢，即在電子計數法的基礎上對電子計數法的原理誤差Ti和T2進行二次測量。時間-幅度轉換方法是一種新的測量思路，其將對時間的測量轉換為對信號幅度的測量，具有很強的指導意思，隨著高精度時間頻率基準、模數轉換器的發展，時間-幅度轉換方法必將獲得更大的發展，本課題組在該思想的指導下，正在研制一種基于時間-幅度-相位轉換的時間間隔測量儀，目前已經取得了突破性進展。時間間隔測量方法需要著重解決的問題包括以下幾個方面：1測量精度與測量分辨力的提高。2測

25、量的實時性問題。3先進的測量方法與連續測量的矛盾解決。4測量范圍與測量精度矛盾的解決。5測量方法與實際應用問題。脈沖雷達測距，雷達PRI測量，雷達信號分選識別、無源時差定位以及衛星導航等領域都需要完成高精度時間間隔的測量，如何將測量方法與這些應用相結合也是在設計測量方法需要考慮的問題。參考文獻：1吳守賢，漆貫榮，邊玉敬.時間測量M,215-216,科學出版社，1983;2古天祥，王厚軍，習友寶，詹惠琴.電子測量原理M,148-165,機械工業出版社，2004.9;3劉國林，殷貫西.電子測量M,121-123,機械工業出版社，2003.1;R.AholaandR.Myllyla.Anewmeth

26、odformeasuringthetime-of-flightinfastlaserrangefinding,”J,Proc.SPIE,654:19-25,1986;J.Kalisz,R.Szplet,J.Pasierbinski,andA.Poniecki,Field-Programmable-gate-array-basedtime-to-digitalconverterwith200psresolution,wJ,IEEETran.Instrum.Meas.,vol.46,1997pp.71-75;J.Kalisz,M.Pawlowski,andR.Pelka,ErroranalysisanddesignoftheNutttime-intervaldigitizer