一种基于延时环缩减法的时间数字转换器及其时间间隔测量方法
【专利摘要】一种基于延时环缩减法的时间数字转换器，包括开始脉冲生成模块、结束脉冲生成模块、开始延时环、结束延时环、第一沿检测模块、第二沿检测模块、相位一致性检测器和循环次数计数器。脉冲生成模块将时间间隔触发脉冲整形为所需的两个循环脉冲信号，第一、第二沿检测模块检测到两个循环脉冲信号的上升沿时两循环脉冲信号分别在两个延时环中循环传输，同时循环次数计数器对循环脉冲信号的循环次数进行计数，当相位一致性检测器检测到两个循环脉冲信号的时间间隔小于时间数字转换器的分辨率时，两个延时环断开，时间间隔测量完成，循环次数计数器的值与时间数字转换器的分辨率的乘积则是待测时间间隔。本发明测量分辨率高、测量范围大、线性度高。
【专利说明】-种基于延时环缩减法的时间数字转换器及其时间间隔测 量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于时间间隔测量【技术领域】，具体涉及一种基于延时环缩减法的时间数字 转换器及其时间间隔测量方法。
【背景技术】
[0002] 高精度时间间隔测量设备广泛应用于基础研究和工程应用中，特别是卫星导航系 统、高精度时频系统、雷达系统及高精度时间尺度等领域。时间间隔测量还可用于测量信号 的周期、频率、抖动及频率稳定度等。时间为一个基本的物理量，目前国内时间间隔测量技 术比较落后，测量精度比较低，已实现的成熟的时间间隔测量精度约为loops(皮秒）左右， 高精度时间间隔测量主要依赖进口国外设备，而高精度时间间隔测量对国家科学技术的发 展至关重要。实现高精度时间间隔测量的方法很多，可分为模拟测量方法和数字测量方法 两大类。
[0003] 利用电容充放电技术实现时间间隔扩展是模拟域中高精度时间间隔测量的关键 技术，电容冲电电流1，>电容放电电流12, 比值是时间间隔的扩展倍数，然后通过计 数法测量扩展后的脉冲。另外一种基于电容冲电技术的方法是利用精密AD测量充电电压， 根据充电电压值计算出测量待测时间间隔。基于上述测量方法的分辨率较高，目前国内外 实现的最高分辨率约为几个皮秒，但测量线性度较差、电路复杂、易受干扰且测量范围小。
[0004] 抽头延时线、并行延时线、延时线矩阵、脉宽缩减（压缩）法等方法是数字域中实 现高精度时间间隔测量的主要方法。基于抽头延时线的时间数字转换器的分辨率取决于单 个延时单元的延时，并行延时线方法和延时线矩阵方法中采用延时单元的延时差实现高精 度时间间隔测量，且设计比较复杂。延时单元的延时一致性差和延时随温度变化大是影响 抽头延时线方法、并行延时线方法和延时线矩阵方法的精度的主要因素。脉宽缩减（压缩） 法中通过循环传输不断缩减待测脉冲的宽度来实现高精度时间间隔测量，然而延时单元对 上升沿和下降沿的传输时延不相同影响了该方法的测量精度，目前国外基于二阶脉宽缩减 法的FPGA实现的时间数字转换器的测量精度为56ps，其分辨率为45ps。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对目前时间数字转换器存在的上述不足之处，提供 一种基于延时环缩减法的时间数字转换器及其时间间隔测量方法，大幅提高时间间隔测量 精度。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种基于延时环缩减法的时间数字转换器，至少包括开始脉冲生成模块、开始延 时环、第一沿检测模块、结束脉冲生成模块、结束延时环、第二沿检测模块、相位一致性检测 器、循环次数计数器，所述开始延时环由第一多路选择器、第一延时线单元组成，所述结束 延时环由第二多路选择器、第二延时线单元组成，所述开始脉冲生成模块用于将外界输入 的时间间隔开始触发脉冲整形为开始循环脉冲信号，开始脉冲生成模块的输出端与开始延 时环的第一多路选择器的0端连接，第一多路选择器的输出端与第一延时线单元连接后再 接入第一多路选择器的1端，所述第一沿检测模块设置在第一延时线单元与第一多路选择 器之间；所述结束脉冲生成模块用于将外界输入的时间间隔结束触发脉冲整形为结束循环 脉冲信号，结束脉冲生成模块的输出端与结束延时环的第二多路选择器的〇端连接，第二 多路选择器的输出端与第二延时线单元连接后再接入第二多路选择器的1端，所述第二沿 检测模块设置在第二延时线单元与第二多路选择器之间；所述第一延时线单元、第二延时 线单元均与所述相位一致性检测器连接，所述相位一致性检测器与循环次数计数器连接；
[0008] 所述开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的脉宽相同且循环传输中脉宽不变， 所述第一沿检测模块、第二沿检测模块分别用于检测开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信 号的上升沿，所述相位一致性检测器用于检测开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号的相 位，当开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号之间的时间间隔小于开始延时环和结束延时 环的整体时延差即时间数字转换器的分辨率时断开开始延时环、结束延时环；所述循环次 数计数器用于对开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的循环次数进行计数。
[0009] 按上述方案，所述开始脉冲生成模块、结束脉冲生成模块和第一沿检测模块、第二 沿检测模块均采用D触发器；所述相位一致性检测器采用双D触发器；所述循环次数计数 器采用递增计数器。
[0010] 按上述方案，所述开始延时环、结束延时环的结构相同，开始延时环的第一延时线 单元、结束延时环的第二延时线单元由相同数目的相同延时单元组成，相应延时单元的个 数根据设计的时间数字转换器的测量范围选择。
[0011] 按上述方案，该时间数字转换器通过改变开始延时环的第一延时线单元、结束延 时环的第二延时线单元的布局走线调整两个延时环的整体时延差即时间数字转换器的分 辨率。
[0012] 本发明还提供了一种基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法， 所述延时环缩减法利用两个组成完全相同的延时环通过循环传输不断缩减两个循环脉冲 的时间间隔直到两个循环脉冲的时间间隔小于两个延时环的整体时延差即时间数字转换 器的分辨率，具体包括以下步骤：
[0013] 1)通过开始脉冲生成模块、结束脉冲生成模块将被测时间间隔的两触发脉冲整形 为开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号，开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号分别进入 两个组成完全相同的开始延时环、结束延时环；
[0014] 2)通过第一沿检测模块、第二沿检测模块分别检测开始循环脉冲信号、结束循环 脉冲信号的上升沿，一旦第一沿检测模块检测到开始循环脉冲信号的上升沿则开始延时环 转化为闭环状态，然后开始循环脉冲信号在开始延时环中循环传输；一旦第二沿检测模块 检测到结束循环脉冲信号的上升沿则结束延时环转化为闭环状态，然后结束循环脉冲信号 在结束延时环中循环传输；开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号通过在开始延时环、结束 延时环中循环传输并不断缩减开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号之间的时间间隔；
[0015] 3)通过相位一致性检测器检测开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号的相位， 并通过循环次数计数器对开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的循环次数进行计数，每 次循环之后被测时间间隔减小一个开始延时环和结束延时环的整体时延差即时间数字转 换器的分辨率，直到开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号之间的时间间隔小于时间数字 转换器的分辨率时，时间间隔测量完成，断开开始延时环和结束延时环并使其处于开环状 态；
[0016] 4)通过循环次数计数器的计数值与开始延时环、结束延时环的整体时延差的乘积 得到被测时间间隔。
[0017] 按上述方案，所述步骤1)中开始延时环、结束延时环的结构相同，且所述开始延 时环的第一延时线单元、结束延时环的第二延时线单元由相同数目的相同延时单元组成， 根据设计的时间数字转换器的测量范围选择相应延时单元的个数。
[0018] 按上述方案，所述步骤1)通过改变开始延时环的第一延时线单元、结束延时环的 第二延时线单元的布局走线调整两个延时环的整体时延差即时间数字转换器的分辨率，实 现时间数字转换器的不同分辨率（设计中只需要考虑两个延时环的整体时延差，不需要考 虑单个延时单元的延时）。
[0019] 按上述方案，所述延时环缩减法为一阶延时环缩减法时，基于一阶延时环缩减法 的时间数字转换器中开始延时环的整体时延T start(l与时间数字转换器的测量精度τ的关 系满足下式：
[0020]
【权利要求】
1. 一种基于延时环缩减法的时间数字转换器，其特征在于，至少包括开始脉冲生成模 块、开始延时环、第一沿检测模块、结束脉冲生成模块、结束延时环、第二沿检测模块、相位 一致性检测器、循环次数计数器，所述开始延时环由第一多路选择器、第一延时线单元组 成，所述结束延时环由第二多路选择器、第二延时线单元组成，所述开始脉冲生成模块用于 将外界输入的时间间隔开始触发脉冲整形为开始循环脉冲信号，开始脉冲生成模块的输出 端与开始延时环的第一多路选择器的0端连接，第一多路选择器的输出端与第一延时线单 元连接后再接入第一多路选择器的1端，所述第一沿检测模块设置在第一延时线单元与第 一多路选择器之间；所述结束脉冲生成模块用于将外界输入的时间间隔结束触发脉冲整形 为结束循环脉冲信号，结束脉冲生成模块的输出端与结束延时环的第二多路选择器的〇端 连接，第二多路选择器的输出端与第二延时线单元连接后再接入第二多路选择器的1端， 所述第二沿检测模块设置在第二延时线单元与第二多路选择器之间；所述第一延时线单 元、第二延时线单元均与所述相位一致性检测器连接，所述相位一致性检测器与循环次数 计数器连接； 所述开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的脉宽相同且循环传输中脉宽不变，所述 第一沿检测模块、第二沿检测模块分别用于检测开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的 上升沿，所述相位一致性检测器用于检测开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号的相位， 当开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号之间的时间间隔小于开始延时环和结束延时环的 整体时延差即时间数字转换器的分辨率时断开开始延时环、结束延时环；所述循环次数计 数器用于对开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的循环次数进行计数。
2. 根据权利要求1所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器，其特征在于，所述开 始脉冲生成模块、结束脉冲生成模块和第一沿检测模块、第二沿检测模块均采用D触发器； 所述相位一致性检测器采用双D触发器；所述循环次数计数器采用递增计数器。
3. 根据权利要求1所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器，其特征在于，所述开 始延时环、结束延时环的结构相同，开始延时环的第一延时线单元、结束延时环的第二延时 线单元由相同数目的相同延时单元组成，相应延时单元的个数根据设计的时间数字转换器 的测量范围选择。
4. 根据权利要求1所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器，其特征在于，该时间 数字转换器通过改变开始延时环的第一延时线单元、结束延时环的第二延时线单元的布局 走线调整两个延时环的整体时延差即时间数字转换器的分辨率。
5. -种基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法，其特征在于，所述 延时环缩减法利用两个组成完全相同的延时环通过循环传输不断缩减两个循环脉冲的时 间间隔直到两个循环脉冲的时间间隔小于两个延时环的整体时延差即时间数字转换器的 分辨率，具体包括以下步骤： 1) 通过开始脉冲生成模块、结束脉冲生成模块将被测时间间隔的两触发脉冲整形为开 始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号，开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号分别进入两个 组成完全相同的开始延时环、结束延时环； 2) 通过第一沿检测模块、第二沿检测模块分别检测开始循环脉冲信号、结束循环脉冲 信号的上升沿，一旦第一沿检测模块检测到开始循环脉冲信号的上升沿则开始延时环转化 为闭环状态，然后开始循环脉冲信号在开始延时环中循环传输；一旦第二沿检测模块检测 到结束循环脉冲信号的上升沿则结束延时环转化为闭环状态，然后结束循环脉冲信号在结 束延时环中循环传输；开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号通过在开始延时环、结束延时 环中循环传输并不断缩减开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号之间的时间间隔； 3) 通过相位一致性检测器检测开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号的相位，并通过 循环次数计数器对开始循环脉冲信号、结束循环脉冲信号的循环次数进行计数，每次循环 之后被测时间间隔减小一个开始延时环和结束延时环的整体时延差即时间数字转换器的 分辨率，直到开始循环脉冲信号和结束循环脉冲信号之间的时间间隔小于时间数字转换器 的分辨率时，时间间隔测量完成，断开开始延时环和结束延时环并使其处于开环状态； 4) 通过循环次数计数器的计数值与开始延时环、结束延时环的整体时延差的乘积得到 被测时间间隔。
6. 根据权利要求5所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法， 其特征在于，所述步骤1)中开始延时环、结束延时环的结构相同，且所述开始延时环的第 一延时线单元、结束延时环的第二延时线单元由相同数目的相同延时单元组成，根据设计 的时间数字转换器的测量范围选择相应延时单元的个数。
7. 根据权利要求6所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法， 其特征在于，所述步骤1)通过改变开始延时环的第一延时线单元、结束延时环的第二延时 线单元的布局走线调整两个延时环的整体时延差即时间数字转换器的分辨率，实现时间数 字转换器的不同分辨率。
8. 根据权利要求5所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法， 其特征在于，所述延时环缩减法为一阶延时环缩减法时，基于一阶延时环缩减法的时间数 字转换器中开始延时环的整体时延T start(l与时间数字转换器的测量精度τ的关系满足下 式： T=k^N^Xtart〇 其中，k是一个与实现时间数字转换器的电路有关的常数，Ν_是最大测量时间间隔对 应的两个延时环的循环次数。
9. 根据权利要求5所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方法， 其特征在于，所述延时环缩减法为二阶延时环缩减法时，基于二阶延时环缩减法的时间数 字转换器中一阶延时环的开始延时环的整体时延T startl、二阶延时环的开始延时环的整体 时延Tstart2与时间数字转换器的测量精度τ的关系满足下式： 其中，k是一个与实现时间数字转换器的电路有关的常数，τ i是一阶延时环的分辨率， 即一阶延时环中开始延时环与结束延时环的整体时延差，τ 2是二阶延时环的分辨率，即二 阶延时环中开始延时环与结束延时环的整体时延差，Nmaxl是最大测量时间间隔对应的一阶 延时环中两个延时环的最大循环次数，且T startl>Tstart2, τ ^ τ 2。
10. 根据权利要求9所述的基于延时环缩减法的时间数字转换器的时间间隔测量方 法，其特征在于，所述基于二阶延时环缩减法的时间数字转换器先用低分辨率^的一阶延 时环进行缩减测量，然后用高分辨率τ 2的二阶延时环进行更高精度的缩减测量。
【文档编号】G04F10/04GK104111601SQ201410373968
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】张 杰, 周栋明 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所