专利名称：时间间隔的量化时延测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及电子测量仪器和时频技术领域，特别是一种时间间隔的量化时延测量方法和测量装置。
现有时间间隔测量法，对其精度的提高大都借助于对高频填充脉冲的高速计数或用模拟内插及游标法等来把微小的时间差值放大处理。例如，“计量测试技术手册一第11卷；时间频率”(中国计量出版社1996年出版)第6章、“时间测量”(科学出版社1983年出版)，“电子仪器选购指南”(学苑出版社1994年出版)、“频率与时间”(P.卡塔肖夫等著，译著由科学出版社1987年出版)。这些相关的技术文献所阐述的精度提高技术均是采用这种方法。这种方法普遍存在精度有限，结构复杂，且难于广泛应用的不足。
本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种可提高测量精度，且易于实施的时间间隔的精密测量装置及方法。
实现本发明目的技术方案是利用信号传输需要时间和信号传输速度很快的自然现象，以设计构成专用的测量装置把被测信号的传输路径量化，并根据传输单元在信号经过过程中的状态变化反映出被测时间间隔的数值。其测量的装置构成及测量方法分别如下一、测量装置的构成该测量装置采用能够用作量化延时单元的多个器件相串联，或串并联以构成延时链，每一个延时单元的输出端分别接到一个相应的锁存器，锁存器的输出通过寄存器与单片机相连接；该测量装置的延时单元可采用无源的导线或电缆，也可以是门电路、触发器等器件，该测量装置的锁存器是由D触发器组成。
二、测量方法的实现1．将被测短时间间隔的开启信号接入延时链的输入端，用被测时间间隔的结束信号控制锁存器，将此刻各延时单元状态锁存。这些状态信息即反映了被测时间间隔的量值。
2．将状态信息经寄存器后，送入计算机处理得到被测时间或频率等值，且计算公式分别为①当通过串联延时链测量时，被测时间间隔为T=Nt(A)N是串联延时链所完成的延时级数t是单级延迟器的时延值②当通过串、并联结合的延迟链阵时，被测时间间隔为T=Nt+xt/n(B)X表示所有相并的延迟链中的第X路延迟链，也是延迟链中延迟值最大那路的路数值；n表示延迟链阵中链的个数，Nt表示与A式相同③当通过巡回延迟测量时，测量结果的计算公式为T=Nt+KMt(C)K表示计数器的计数值；M表示包含“与非延迟”在内的延迟链内延迟单元的个数，N表示在被测时间间隔结束信号到来的瞬间所检测到的从延迟链开始相同状态器件的个数；3．测量任意长时间间隔、频率、周期信号时方法基本一致，其中频率测量结果的计算公式为fx=NxN0+N1/n-N2/n]]>f0为标频信号的频率值Nx和No分别是在闸门时间内由计数器1和计数器2对被测及标频信号的计数值，N1和N2是用量化延时链分别测量闸门时间的“开”和“关”与标频信号间不同步的时间间隔时，延迟链所完成的延迟级数，n是延迟链中的延迟单元个数nt等于标频信号的周期值。
本发明能用更简单的结构实现高分辨率的时间间隔测量，尤其适合于很短时问间隔的测量，有能够小到接近皮秒量级的绝对测量分辨率，与多周期同步等技术相结合可完成频率、周期、相位差和时间间隔等参数的高精度测量，且结构比现有技术更简单。同时，在通常测量仪器的设计中，采取该技术可以极大的提高仪器的测量精度。
以下参照附图详细说明本发明的结构及测试原理。
图1是本发明的第一实施例测试框2是本发明的第二实施例测试框3是本发明的第三实施例测试框4是本发明的第四实施例测试框1所示的测量结构及方法主要用来测量短时间间隔或闸门信号的开、关与标频填充脉冲间不同步的短时间间隔。其结构主要由多个延迟单元串联构成延迟链，每个延迟单元的输出端各连接一个锁存器，各锁存器的输出均连接在寄存器，然后进入计算机。其中，延时单元可以由无源导线段，电缆或门电路，触发器等器件组成，门电路可用74S08,74S04等型号构成，锁存器可由D触发器组成，如74S273型号。测量时，将被测短时间间隔的开启信号从延时链中通过，并用被测时间间隔的结束信号将此时刻各延时单元的状态保留到锁存器中，该状态信息经寄存器后送入计算机处理得到被测时间间隔或频率等值，当测量对象是短时间间隔时，被测时间间隔为T=Nt(1)其中，N是串联延时链所完成的延时级数，t是单级延迟器的时延值。
图2是为了利用延时器本身的稳定性来提高测量精度的一种结构。该结构采用串并联结合的延迟链阵，它可以通过附加的延迟器件(其值小于串联延迟单元的延迟值，并常常是其分数值，该附加延时器件的构成器件也与图1中的延时器件大致相同，只是有更小的延迟值)使各路延迟链虽然有同样的延迟步幅，但是在链间有一个绝对时延差。这样，通过各延迟链的测量分辨率是t，那么这种方法的测量分辨率就能达到t/n。这里，n是延迟链阵中链的个数，而附加延迟器件的延迟值也分别应为t/n、2t/n、…、(n-1)t/n。在该图中的其它器件也与图1中器件的结构相同。测量时，所有相并的串联延时链都进行延迟，而且对应于被测时间间隔的延迟结果均被采集送往计算机。由计算机比较各路延迟值的大小，并取其最大值作为测量结果。对测量结果的计算公式为T=Nt+xt/n(2)其中，N和t的意义同(1)式x表示是所有相并的延迟链中的第x路延迟链，在所有链中，第X路的延迟值最大；n的意义同上。
图3所示的巡回延迟结构，主要用来减少所用的延迟器件，这里的“与非延迟”和延迟链中的延迟单元有相同的延迟量。用高速计数器对巡回延迟的次数进行计数，计数器的每次加一表示延迟链完成了一个巡回，即以延迟链的延迟单元数为进制数来实现对时间间隔的测量。这里的“与非延迟”器件可以采用与非门或有相同逻辑作用的器件(如74系列的与非门电路)。图3中其它器件的结构与图1中的器件相同。此时，测量结果的计算公式为T=Nt+kMt(3)其中k表示计数器的计数值，M表示包含“与非延迟”在内的延迟链内延迟单元的个数，t是延迟单元的延迟时间值，N表示在被测时间间隔结束信号到来的瞬间所检测到的从延迟链前端开始同一状态器件的个数。
图1、图2、图3的结构及测量方法主要用于短时间间隔的测量。该三种结构分别与显示器结合在一起可以单独构成独立的整机。
图4所示的测频，测周结构是将测短时时间的方法与多周期同步测量等方法相结合来测量任意长的时间间隔、频率、周期等信号。该结构采用整形电路、门电路、计数器、D触发器以及上述的延时链。其中两个整形电路分别与两个门电路1和门电路2相连接，被整形电路连到D触发器的CK端，两个门电路的输出分别与计数器1，计数器2相连，两计数器的输出均与单片机相连，单片机的输出分别与D触发器的D端和显示器相连，两个整形电路可以用三级管限幅放大器或史密特线路构成。两个闸门1和2可由与门或与非门电路构成。输入信号fx和f0分别为被测频率信号和标准频率信号。测量时，经整形后的被测频率信号fx和标频信号f0分别通过闸门1和2送到计数器1和2进行计数。计数结果和量化时延检测结果一起送入计算机进行计算处理并驱动显示器显示。同时，由单片机产生的软件门时经D触发器处理后与被测信号fx同步而产生闸门。此时，闸门信号和标频信号也被送往上述量化时延检测线路分别作为开始信号和结束信号。用上述电路分别测出闸门开启及关闭时刻与其后第一个标频脉冲信号之间所不同步的时间间隔值，达到提高测量精度的目的。此时，对频率测量结果的计算公式为fx=NxN0+N1/n-N2/n----(4)]]>式中，f0为标频信号的频率值Nx和N0分别是在闸门时间内由计数器1和计数器2对被测及标频信号的计数值；N1和N2则是用量化延时链分别测量闸门时间的“开”和“关”与标频信号间不同步的时间间隔时，延迟链所完成的延迟级数；n是延迟链中的延迟单元个数nt等于标频信号的周期值。
权利要求
1．一种时间间隔的量化时延测量装置，主要包括有量化器与单片机及显示器，其特征在于量化器采用多个延时单元器件相串联，或串、并联构成延时链，每个延时单元的输出端分别连接到一个相应的锁存器，锁存器的输出通过寄存器与单片机相连接。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于延时单元可采用无源的导线或电缆，也可以采用门电路或触发器。
3．一种时间间隔的量化时延测量方法，其特征在于采用传输单元在信号传输过程中的状态变化反映被测时间间隔的数值，步骤如下(1)将被测短时间间隔的开启信号接入延时链的输入端，将被测时间间隔的结束信号存锁各延时单元的状态，用结束信号来到时该延时单元的状态反映被测时间间隔的量值；(2)将状态信息经寄存器后，再送入计算机处理得到被测时间或频率等值，且计算公式分别为①当通过串联延时器测量时，被测时间间隔为T=Nt(A)N是串联延时器所完成的延时级数t是单级延迟器的时延值；②当通过串、并联结合的延迟链阵时，被测时间间隔为T=Nt+xt/n(B)X表示所有相并的延迟链中的第X路延迟链，在所有链中，第X路的延迟值最大，n表示延迟链阵中链的个数Nt表示与A式相同；③当通过巡回延迟测量时，测量结果的计算公式为T=Nt+KMt(C)K表示计数器的计数值M表示包含“与非延迟”在内的延迟链内延迟单元的个数，N表示在被测时间间隔结束信号到来的瞬间所检测到的从延迟链前端开始相同状态器件的个数；④采用测频测周专门设备测量任意长时间间隔、频率、周期信号时，测频结果的计算公式为fx=NxN0+N1/n-N2/n]]>f0为标频信号的频率值Nx和N0分别是在闸门时间内由计数器1和计数器2对被测及标频信号的计数值N1和N2是用量化延时链分别测量闸门时间的“开”和“关”与标频信号间不同步的时间间隔时，延迟链所完成的延迟级数n是延迟链中的延迟单元个数nt为标频信号的周期值。
全文摘要
本发明涉及一种时间间隔的量化时延测量方法和测量装置,该方法与装置主要解决现有技术精度低,结构复杂的问题。利用信号传输需要时间和信号传输速度快的现象,采用多个延时单元器件相连接构成延时链进行量化,每个延时单元的输出分别接到相应的锁存器,并通过寄存器与单片机相连接。测试时,信号经过传输单元时其状态的变化反映出被测时间间隔的数值。具有测量精度高和易于实现之优点,适用于很短时间间隔的测量,和提高测频、测时设备的精度。
文档编号G04G99/00GK1214478SQ9710867
公开日1999年4月21日 申请日期1997年10月15日 优先权日1997年10月15日
发明者周渭, 梁平 申请人:西安电子科技大学