一种基于多次采样的时间间隔测量方法与流程

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于多次采样的时间间隔测量方法。

背景技术：

随着高精度测量在各个领域的广泛应用，其地位也越来越高。无论是传统的时间高精度测量，还是近年来基于时间数字转换器的数字系统设计，都要求时间数字转换器具有较高的分辨率来达到更高的测量精度。时间数字转换器利用逻辑电路单元的延迟效应，通过对两个输入信号之间的时间间隔按照一定的精度量化输出，实现时间到数字的转换，达到对时间间隔高精度的测量。高分辨率的时间数字转换器应用范围主要包括高能物理，医学，测绘，国防，集成电路等领域。不同的应用领域在选择时间数字转换器时首先需要确定的是其结构，不同结构的时间数字转换器在其静态性能指标和动态性能指标上都是不同的，包括分辨率、动态范围、复杂度、结构以及功耗，而分辨率是时间数字转换器的一个重要的指标。

目前为止，时间数字转换器的结构已经有计数器型、flash型、游标延迟链型、游标环型等类型。但这些结构都存在着各自的问题，比如游标延迟链结构的时间数字转换器在特定工艺下片内失配的大小会限制延迟差的取值，进而限制分辨率，同时，其动态范围与延迟链的长度存在矛盾关系。环型结构的时间数字转换器缺点是时间分辨率受到振荡频率的限制，同时采样速率较低。

技术实现要素：

通过对现有技术的研究，针对存在的问题，本发明提供一种基于多次采样的时间间隔测量方法。

本发明的技术方案：

本发明提供了一种基于多次采样的时间间隔测量方法，包括如下步骤：

步骤1：两个输入信号start信号和stop信号，分别输入到两个完全相同的延迟环中传播；

步骤2：采用比延迟环周期小一个固定值τ的采样时钟对start和stop信号进行采样；

步骤3：根据start信号和stop信号在采样结束时在延迟环中传播的圈数以及信号所在环中的位置计算得出两个输入信号之间的时间间隔。

进一步地，所述延迟环由一个二选一多路选择器及16个延迟相同的延迟单元构成，所述start信号和stop信号经过二选一多路选择器后进入第一个延迟单元，输出与原始信号反相的信号，经过16个延迟单元后，输出与原始信号变化趋势相同的信号，并在所述延迟环中继续传播。采用两个结构完全相同的延迟环来使输入的信号在延迟环中保持稳定的传播，保证了两个输入信号之间维持固定的延迟差。

进一步地，所述延迟环中的延迟单元为延迟相同的反相器。

进一步地，所述16个延迟相同的反相器依次连接在所述二选一多路选择器之后。由于信号经过反相器后会输出相反的信号，因此在第一个反相器的输出加入一个反相器，并且每隔一个反相器的输出均加入一个相同的反相器，使得所有的输出信号都保持相同的变化趋势，便于后续的采样。

进一步地，步骤3中所述计算时间间隔的基本算法如下：

t＝x·16tp+(p-q)tp+(n-m)·τ

其中，tp为传输两个信号的延迟环的各延迟单元的延迟时间；x为stop信号到来时，start信号在延迟环中传播的圈数；n为stop信号到来之后，start信号在延迟环中传播的圈数；m为stop信号在延迟环中传播的圈数；p为检测到start信号所在位置的延迟单元编号；q为检测到stop信号所在位置的延迟单元编号。

较现有技术相比，本发明提供的一种基于多次采样的时间间隔测量方法，与现有技术中时间间隔测量方式相比，具有以下优点：

1、本发明提供的一种基于多次采样的时间间隔测量方法，采用两个结构完全相同的延迟环，分别采用16个延迟相同的延迟单元，即反相器，使输入的信号在延迟环中保持稳定的传播，并且保持同步，保证了两个输入信号之间维持固定的延迟差，为重复采样奠定了基础；同时在每隔一个延迟单元的输出后加入反相器，使得信号在延迟环传播的过程中，待采样的信号始终是保持相同的变化方式，便于采样；

2、在以往的测量方法中，测量的精度一般是以一个延迟单元的延迟为最小单位。本发明提供的测量方法采用小于延迟环周期一个固定值τ的采样时钟对start信号和stop信号进行采样，τ的值小于一个反相器的延迟，在本发明中，延迟环中的延迟单元为延迟均相同的反相器，本发明的测量方法可以将测量精度缩小至比一个反相器的延迟更小的量。

综上，本发明的技术方案利用两个相同的延迟环来保持信号的稳定，维持信号之间固定的时间差，以及利用小于延迟环周期一个固定值τ的采样时钟，对start信号和stop信号进行采样，实现对时间间隔的高精度测量。因此，本发明的测量方法解决了现有技术中的测量精度不高等问题。

基于上述理由本发明可在高精度测量等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的具体流程示意图。

图2为待测信号时间间隔示意图。

图3为本发明一种实施方式的start信号延迟环结构示意图。

图4为本发明一种实施方式的stop信号延迟环结构示意图。

图5为本发明一种实施方式的信号在延迟环中传播时序图。

图6为本发明一种实施方式的信号采样示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

时间数字转换器以一定的量化精度将连续的模拟时间量量化为离散的数字量，进而实现一段时间间隔的测量，不同结构的时间数字转换器所采用的测量方法不同，量化精度也是不同的。本发明提供了一种基于多次采样的时间间隔测量方法，利用两个相同的延迟环对信号进行传播，延迟环中的各延迟单元的延迟相同，采用小于延迟环周期一个固定值τ的采样时钟进行采样，量化精度的高低取决于采样时钟的周期与延迟环的周期之间差值τ的大小。采用本发明方法测量两个宽度相同的待测信号下降沿之间的时间间隔，设先到来的信号为start信号，后到来的信号为stop信号，当start信号到来后，进入start延迟环进行传播，同时对信号在start延迟环中传播的圈数进行计数，stop信号到来后，在stop延迟环中传播，同时对信号在stop延迟环中的传播圈数进行计数，输出当前start信号在延迟环中的传播圈数，即start信号领先于stop信号在延迟环中传播的圈数；输入信号在延迟环中传播周期小τ的采样时钟对输入信号位置进行检测，因此测量精度为τ，当start信号和stop信号在延迟环中传播，记录检测到两个信号时，分别输出的两个传播圈数，并记录两个信号所在延迟环的位置，通过记录的两个传播圈数以及两个信号所在延迟环的位置可以计算出start信号与stop信号之间的时间间隔。

实施例

本发明的一种基于多次采样的时间间隔的测量方法，实施的具体流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：两个输入信号分别为start信号和stop信号，如图2所示，分别输入到两个完全相同的延迟环中传播，用于传输两个信号的延迟环由一个二选一多路选择器以及16个延迟单元构成，各延迟单元为延迟相同的反相器，如图3所示为start信号延迟环结构示意图，如图4所示为stop信号延迟环结构示意图，两个结构相同的延迟环使输入的信号在延迟环中保持稳定的传播，并且保持同步，保证了两个输入信号之间维持固定的延迟差；同时将第一个反相器设置在二选一多路选择器之后，16个延迟相同的反相器依次连接在所述二选一多路选择器之后，由于信号经过反相器后会输出相反的信号，因此在第一个反相器的输出加入一个反相器，并且每隔一个反相器的输出均加入一个相同的反相器，使得信号在延迟环中传播过程中，待采样的信号始终是保持相同的变化方式，便于采样，此时输入信号在延迟环中传播过程的输出待检测信号时序如图5所示；

步骤2：采用比延迟环周期小一个固定值τ的采样时钟对所述start信号和stop信号进行采样；为了测量图2所示的两个输入信号的时间间隔，本实施方式采用更高精度的测量方法进行测量，时间间隔测量时序示意图如图6所示，采用比延迟环周期小一个固定值τ的测量时钟对start和stop信号进行采样，每经过一次采样，采样时钟与信号之间的差值将缩小一个τ，直至检测到信号的具体位置，此时信号的采样精度可以比一个反相器的延迟更小，实现高精度测量；

步骤3：根据start信号和stop信号在采样结束时在延迟环中传播的圈数以及信号所在延迟环中的位置计算得出两个输入信号之间的时间间隔。

计算时间间隔的基本算法如下：

t＝x·16tp+(p-q)tp+(n-m)·τ

其中，tp为传输两个信号的延迟环的各延迟单元的延迟时间；x为stop信号到来时，start信号在延迟环中传播的圈数；n为stop信号到来之后，start信号在延迟环中传播的圈数；m为stop信号在延迟环中传播的圈数；p为检测到start信号所在位置的延迟单元编号；q为检测到stop信号所在位置的延迟单元编号。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。