专利名称：基于相位调制的高精度时间间隔测量方法
技术领域：
本发明属于时间间隔测量技术领域，主要涉及针对高速运动物体区截时间的精确测量，具体是一种基于相位调制的高精度时间间隔测量方法。用于高速运动中的速度测试， 或者说为高速运动中的速度测试提供高精度的时间间隔测量。
背景技术：
在高速运动质点速度测试中，时间间隔是需要经常测试的参数。用来完成时间间隔测量的测时仪种类较多，但在高速运动质点速度测量中，由于高速运动质点速度高，测速距离小，测速环境复杂，容易受到电磁和电源波动的干扰，与普通环境下的计时相比，高速运动质点速度测试试验的测时仪对响应、精度、分辨率和抗干扰的要求更高。目前国内外的各类测时仪存在着以下几个方面的问题采用直接计数法原理研制的测时仪，以记录晶振振荡脉冲数目的方法来测定时间间隔，工作原理简单，测量范围大，线性好，但此类测时仪不能获得较高的分辨率。采用倍频的手段将晶振频率提升后输出，可以在一定程度上提高测时仪的分辨率和精度，但是倍频容易出现相位抖动等现象，而且倍频系数越高，抖动越明显，这在一定程度上限制了倍频的应用。模拟内插法利用电容充放电技术对微小时间间隔进行测量放大，理论上可以获得较高的测量精度，但非线性较大，容易受到噪声干扰。游标法工作原理类似于游标卡尺，在本质上是一种数字扩展法。理论上用游标法实现的芯片可以获得高分辨率，但其需要高稳定度的可启动振荡器和高精度的重合检测电路，价格高，技术复杂。随着集成电路、可编程逻辑器件的应用与发展，延迟内插技术、移相技术也广泛应用于高精度时间间隔测量中。延迟内插技术基本原理是利用电子器件单元固定的延时作为标尺来实现对时间间隔的测量。延迟线法结构简单，易于单片集成，可实现对微小时间间隔的测量，缺点是随着测量分辨率的提高，要求延迟线长度越来越短，当所测时间间隔值较大时，延迟线数量将大大增加。移相技术基本原理是利用η路频率相同但具有固定相位差的时钟信号作为计数时钟驱动计数器，取其计数平均值作为最终测量结果，能够将测量分辨率提高到参考时钟的1/η，但该方法没有充分利用获得时钟的相位信息，时钟频率较高时会导致相移分辨率降低，高精度测量较困难。经本发明申请人在一定范围内的文献检索，没有查到更加密切的相关资料。
发明内容
本发明的目的是对针对现有技术中存在时间测量误差较大的技术问题，提供一种能在一定晶振频率下，测量分辨率高，测量速度快，提高测量精度，减小测量误差，实现时间间隔精确测量实时显示的基于相位调制的高精度时间间隔测量方法，在一定晶振频率下， 测量精度高，测量分辨率高，测量速度快，而且易于集成实现，扩展灵活。
3
实现本发明目的的技术解决方案说明如下本发明是一种基于相位调制的高精度时间间隔测量方法，通过时钟数字移相控制，将一路高频、低抖动时钟转换为N路频率相同但具有固定相位差的时钟信号，以此作为计数器的基准时钟，驱动计数器在N路时钟周期内分别计数，具体的相位调制和测量过程包括步骤1.利用信号调理电路分别对两个区截装置产生的信号进行滤波、放大、整形，获得两个具有一定幅度值的方波脉冲信号，之后将这两个方波脉冲信号进行整合，获得待测时间间隔信号τ，T为具有一定宽度、边沿陡峭的方波脉冲信号；区截装置产生的两个信号是模拟信号，一个是启动信号，一个是截止信号，两个信号均是通过区截装置的记录信号，在处理过程中需要对其进行滤波、放大、整形使之成为两个具有上升沿和下降沿的方波脉冲信号，分别作为测时仪的启动触发信号和截止触发信号。为了方便控制，对两个方波脉冲信号整合为一个具有一定宽度的、边沿陡峭的方波脉冲信号，作为使能信号，控制测时仪的启动与停止，此方波脉冲信号即为时间间隔信号T ；步骤2.对外部高精度晶振进行倍频、去抖动，得到高频时钟信号，对此高频时钟信号通过移相控制，产生N路频率相同具有固定相位差的多路时钟信号；或称基准时钟。步骤3.在时间间隔信号T内用获得的N路多路时钟信号分别驱动计数器，获得各自对应的计数值，形成计数集；N路多路时钟信号即N路频率相同具有固定相位差的时钟信号。步骤4.用N路多路时钟信号分别与时间间隔信号T比较，对完整周期的时钟信号分别计数。步骤5.在N路时钟信号分别与时间间隔信号T的比较中并找出或提取出两个非完整周期信号中的最小间隔信号，将N路时钟中具有最小间隔信号的记为第1路和第m路，
Km^n,时间间隔信号T的上升沿和下降沿与N路时钟信号中最小间隔信号的相位分别为約、Pm，其中，約是时间间隔信号T上升沿与紧接着的基准时钟信号上升沿之间间隔最小的信号相位，是时间间隔信号T下降沿与紧接着的基准时钟信号上升沿之间间隔最小的信号相位。步骤6.若对第m路完整周期时钟信号的脉冲计数值为Nm，则时间间隔测量值为
T = N T + ^w ~ ^ 7". m Ρ 360。 Ρ，式中，Tp为N路频率相同具有固定相位差的多路时钟的时钟周期。在许多场合需要对高速运动的物体测速，由于速度高，通常采用的方法是在已知的或事先精确测定好的一定的距离内，在其两个边界点上设置区截装置，记录高速运动的物体通过两个边界点的信号，再采用计时仪测定高速运动的物体穿越该距离段的时间间隔，该距离与该时间间隔之比就是高速运动物体在该段距离上的运动速度。传统的脉冲计数法是在区截时间间隔信号T内以完整周期的脉冲数计数，以此计数值与时钟周期的乘积作为区截时间间隔信号T的值，该测时法存在着士 1个时钟周期的原理误差，实际的测速过程中，使得该时间间隔T的测定存在较大的误差，因此直接影响到测速的结果，尤其对于高速运动的测定，很小的时间误差就会带来大的测速误差。为了减小原理误差，本发明提出一种通过时钟数字移相控制，基于相位调制的高精度时间间隔测量方法。为此本发明将外部时钟倍频、去抖动、移相之后，得到多路具有固定相位差的时钟信号，在待测时间间隔信号作用下，分别驱动计数器进行脉冲计数，得到一组计数值。通过时钟数字移相控制，实现了一种时间间隔的精确测量方法。在常规的时间间隔的测量中，通常在电子电路中将高速运动物体通过区截装置的启动和截止信号转换成两个脉冲信号边沿之间的时间间隔测量，这不可避免的存在原理误差。为了减小原理误差，本发明将传统的基于高速时钟计数的时间测量方法转化为采用多路多相时钟进行时间测量。时钟信号经过精确数字移相，形成N路频率相同，相位依次相差
的多相时钟信号，将其分别作为N路时间间隔测量的基准时钟，并通过计数器在各自
N
的时钟周期内进行计数。本发明的实现还在于计数集是用相同的计数闸门即时间间隔信号T对N路频率相同具有固定相位依次顺延的参考时钟集ICLKi 1 ^ i ^ η}分别计数获得的。或者说是用时间间隔信号T对获得一系列规律性相位顺延的参考时钟集ICLKi^nj分别计数获得的。经过数字移相后，时钟每隔i产生固定延迟τ，可知t = L。设AT2i、ATli为服
ηη
从[0，Tp)上均勻分布的随机变量，由此可得测量误差为
权利要求
1.一种基于相位调制的高精度时间间隔测量方法，其特征在于通过时钟数字移相控制，将一外部高精度时钟转换为N路频率相同且具有固定相位差的多路时钟信号，以此作为计数器的基准时钟，驱动计数器在N路时钟信号内分别计数，具体的相位调制和测量过程包括步骤1.利用信号调理电路分别对两个区截装置产生的信号进行滤波、放大、整形，获得两个具有一定幅度值的方波脉冲信号，之后将这两个方波脉冲信号进行整合，获得待测时间间隔信号T，T为具有一定宽度、边沿陡峭的方波脉冲信号；步骤2.外部高精度晶振1进行倍频、去抖动，得到高频时钟信号，对此高频时钟信号通过移相控制，产生N路频率相同具有固定相位差的多路时钟信号；步骤3.在待测时间间隔信号T内用获得的N路时钟信号分别驱动计数器，获得各自对应的计数值，形成计数集；步骤4.用N路时钟信号分别与待测时间间隔信号T比较，对完整周期的时钟信号分别计数；步骤5. N路时钟信号分别与时间间隔信号T进行比较并找出两个非完整周期信号中的最小间隔信号，将N路时钟中具有最小间隔信号的记为第1路和第m路，1 < 1 < m < n，时间间隔信号T的上升沿和下降沿与N路时钟信号中最小间隔信号的相位分别为約、φ, ，其中，灼是时间间隔信号T上升沿与紧接着的基准时钟信号上升沿之间间隔最小的信号相位， 队,是时间间隔信号T下降沿与紧接着的基准时钟信号上升沿之间间隔最小的信号相位；步骤6.若对第m路完整周期时钟信号的脉冲计数值为Nm，则时间间隔测量值为T = NmTpTp; m p 360° P式中，Tp为频率相同具有固定相位差的N路时钟的时钟周期。
2.根据权利要求1所述的基于相位调制的高精度时间间隔测量方法，其特征在于所述计数集是用相同的计数闸门即时间间隔信号T对N路频率相同具有固定相位依次顺延的参考时钟集ICLKi 11彡i彡η}分别计数获得的。
全文摘要
本发明公开的基于相位调制的高精度时间间隔测量方法，通过时钟数字移相控制，将一路高频、低抖动时钟转换为N路频率相同且具有固定相位差的时钟信号，作计数器基准时钟，驱动计数器在N路时钟周期内分别计数，利用时钟相位信息提取测量误差最小的两路时钟信号，结合时钟周期及计数值，计算出时间间隔测量值。与单一时钟计数比，有效减少了测量的原理误差，能将测量分辨率提高到参考时钟的1/n。测量装置按信号处理顺序依次接有信号调理模块、FPGA模块、单片机模块和显示电路模块，在一定晶振频率下，实现了测量精度高，测量分辨率高，测量速度快，实时显示，工作稳定、可靠，而且易于在FPGA内集成，扩展灵活。可用于高速运动中的速度测量。
文档编号G04F10/00GK102540865SQ20121000172
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者冯伟, 吕永柱, 周涛, 孔德仁, 张朗, 易春林, 李广嘉, 栗保华, 狄长安, 谷鸿平 申请人:西安近代化学研究所