一种基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于时间间隔测量技术领域，更为具体地讲，设及一种基于双恒流源结构 的高分辨率快速时间间隔测量电路。
【背景技术】
[0002] 在随机取样示波器中，处理器将多次触发采集的波形按照触发点的位置进行重新 排序，实现对被测波形的重构。波形重构的依据是每次触发时刻与触发之后下一个数据同 步时钟上升沿之间的时间间隔ΔΤ，将触发信号和数据同步时钟送往时间间隔测量电路，触 发信号和来自ADC的数据同步时钟进行异或产生携带了时间间隔信息ΔΤ的窄脉冲，运个 时间间隔进入后级的时间-幅度转换（Time-to-ampliUideConverter,TAC)电路即时间间 隔测量电路，将时间信息转换为电压幅度信息，再被高分辨率ADC采集量化，得到时间间隔 数值，并经过处理器计算后确定触发点的位置，实现波形重构波形。
[0003] 时间间隔测量的分辨率直接决定了取样示波器的等效采样率，而测量速度则决定 了波形重构的时间。所W，运里需要时间间隔测量装置具有很高的时间测量精度，并且同时 具备较快的测量速度。
[0004] 图1是现有高分辨率的时间间隔测量电路的一种电路原理图。
[0005] 现有高分辨率的时间间隔测量装置是基于恒流源对米勒积分器进行充电的原理， 将时间间隔信息（AT脉冲宽度）转换为幅度信息间接进行测量。
[0006] 如图1所示，受控恒流源电流为I。当输入AT正脉冲到来时，立极管Q2关闭，立 极管Q1开启，恒流源对运算放大器U2和电容C形成的积分电路进行快速充电，电容C两端 电压迅速发生变化，在运算放大器U2的输出端产生与充电时间（即脉冲宽度ΔΤ)成正比 的电压信号AU。，经运算放大器U3进行增益和偏置（Offset)上的调节，最后输入到16bit 的高分辨率ADC中，量化得到的电压数值N&T与脉冲宽度AT成正比关系。
[0007] TAC电路的工作过程如图2所示，电容电压变化量与脉冲宽度成正比例线性关系。 由于米勒积分器电路中电阻R3与电容C形成放电回路，为了保持电容C上电压，电阻R3应 取值应较大，约为兆欧姆（1〇6ω)量级，使得RC回路放电时间较长。当输入脉冲（脉冲宽 度ΔΤ)结束时候，快速开启采样脉冲，对电压波形进行采样，然后RC回路放电回复到初始 电压。需要说明的是，运里RC回路放电时间系数较大，电容C稳定恢复到初始电压状态大 概需要毫秒量级的时间，是制约测量速度的主要因素。
[0008] 基于米勒积分器原理的TAC时间间隔装置基本过程是在ΔΤ窄脉冲信号作用下对 电容快速充电，然后通过RC电路缓慢放电，恢复到初始状态。虽然可W得到较高的时间精 度，但其缺点是进行一次测量后，需要等待较长时间，W确保RC电路放电完成。在图1中， 假设放电电阻R3=10Μ欧姆，电容C=10化F，则RC电路时间常数τ满足如下关系：
[0009] τ=RC= 10X106QΧ100Χ10 叩=10 3s (!)
[0010] 显然，电路时间常数与电容两端电压无关，不论电容两端电压大小，要恢复到稳定 状态的时间是一样的。对于RC电路真正达到稳定状态，往往需要的时间约5τ，即需要约 5ms，运难W满足随机等效采样的波形重构效率要求。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双恒流源结构的高分辨率 快速时间间隔测量电路，实现在保证测量精度的前提下，大大缩短了时间间隔测量时间，W 提高随机等效采样波形重构效率。
[0012] 为实现上述发明目的，本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电 路，包括一充放电电容，其一端接地，另一端为充放电端，其特征在于，还包括：
[0013] 一由放电恒流源和充电恒流源组成的双恒流源，其中：
[0014] 放电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接，在时间间隔为ΔΤ的窄脉冲到 来时，对充放电电容进行快速放电，使测量电路从初始准备测量阶段进入放电阶段，在时间 间隔为AT的窄脉冲结束时，结束对充放电电容进行的快速放电，同时使测量装置进入ADC 采样阶段，对充放电电容的电压值进行采样，从而获取与电压下降幅度成正比的时间间隔 ΔΤ;
[0015] 充电恒流源输出端与充放电电容的充放电端连接，其具有两种工作状态；在开关 控制信号的控制下，在初始准备测量阶段、放电阶段化及ADC采样阶段，选择产生微小电流 输出到充放电电容；在采样完成后为快速充电恢复阶段，选择产生大电流输出到充放电电 容，实现充放电电容上电压的快速恢复流放电电容上电压恢复到初始电压后，重新进入初 始准备测量阶段；
[0016] 一稳压电路W及一个二极管，二极管的阴极接稳压电路的输出端，二极管的阳极 与充放电电容的充放电端连接，用于与充电恒流源配合，在初始准备测量阶段为充放电电 容提供一个稳定的初始电压。
[0017] 本发明的目的是运样实现的。
[0018] 本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路，在时间-幅度转换 (Time-to-ampliUideConverterJAC)原理，即将时间信息转换为电压幅度信息，再被高分 辨率ADC采集量化，得到时间间隔数值的基础上，采用放电恒流源和充电恒流源组成的双 恒流源结构，放电恒流源在时间间隔为ΔΤ的窄脉冲到来时，对充放电电容进行快速放电， 从而进入放电阶段（时间-幅度转换，即测量时间段）。窄脉冲结束后，进行充放电电容的电 压值进行采样，获取与电压下降幅度成正比的时间间隔AT。在此基础上，通过充电恒流源 对充放电电容进行充电，使其回到初始电压。在本发明中，充电恒流源具有两种工作状态， 可W在开关控制信号的控制下，改变充电电流大小，即可W根据测量过程需要，在初始准备 测量阶段、放电阶段W及ADC采样阶段，选择产生微小电流，在初始准备测量阶为充放电电 容提供一个稳定的初始电压，在测量完成后，选择产生大电流充电，实现充放电电容上电压 的快速恢复，大大提高了时间间隔测量的速度，从而进一步提高了随机等效采样波形重构 效率。
【附图说明】
[0019] 图1是现有高分辨率的时间间隔测量电路的一种电路原理图；
[0020] 图2是TAC电路工作过程示意图；
[0021] 图3是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实 施方式电路原理图；
[0022] 图4是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路工作过程示 意图；
[0023] 图5是本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实 施方式工作波形图；
[0024] 图6本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔测量电路一种具体实施 方式下时间间隔测量分布图。
【具体实施方式】
[00巧]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，W便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在W下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，运些描述在运里将被忽略。
[00%] 在本实施例中，如图3所示，本发明基于双恒流源结构的高分辨率快速时间间隔 测量电路，包括：充放电电容C1、放电恒流源、充电恒流源W及稳压电路和二极管D1。充放 电电容C1的一端接地，另一端为充放电端。
[0027]放电恒流源和充电恒流源组成双恒流源结构，其中： 阳02引放电恒流源输出端与充放电电容C1的充放电端连接，在时间间隔为ΔΤ的窄脉冲 到来时，对充放电电容C1进行快速放电，使测量装置从初始准备测量阶段进入放电阶段， 在时间间隔为AT的窄脉冲结束时，结束对充放电电容C1进行的快速放电，同时使测量装 置进入ADC采样阶段，对充放电电容的电压值进行采样，从而获取与电压下降幅度成正比 的时间间隔ΔΤ;
[0029] 充电恒流源输出端与充放电电容C1的充放电端连接，其具有两种工作状态；在开 关控制信号S1的控制下，在初始准备测量阶段、放电阶段W及ADC采样阶段，选择产生微 小电流输出到充放电电容C1;在采样完成后为快速充电恢复阶段，选择产生大电流输出到 充放电电容C1，实现充放电电容上电压的快速恢复；充放电电容C1上电压恢复到初始电压 后，重新进入初始准备测量阶段；
[0030] 二极管D1的阴极接稳压电路的输出端，二极管D1的阳极与充放电电容C1的充放 电端连接，用于与充电恒流源配合，在初始准备测量阶为充放电电容C1提供一个稳定的初 始电压VI。
[0031] 在本实施例中，如图3所示，与基于米勒积分器原理的TAC时间间隔测量电路不 同，本发明采用双恒流源结构的TAC时间间隔测量电路，具有两个恒流源。其中时间间隔为 AT的窄脉冲到来时（作用下），对充放电电容C1进行快速放电，然后在ADC采样阶段结束 后，通过充电恒流源对充放电电容C1进行充电。
[0032] 充电恒流源具有两种工作状态，可W在开关控制信号S1的控制下，改变充电电流 大小，即可W根据电路需要，在初始准备测量阶段、放电阶段W及ADC采样阶段，选择产生 微小电流，在采样完成后，选择产生大电流充电，实现充放电电容C1上电压的快速恢复，从 而提高时间间隔的测量速度。
[0033] 在本实施例中，放电恒流源采样传统的运算放大器+Ξ极管+采样电阻的设计，由 运算放大器υ〇、Ξ极管Q3W及采样电阻R1组成。放电恒流源的输出电流由参考电压Vtui和采样电阻R1决定，大小为：
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