（测试计量技术及仪器专业论文）高分辨率时间间隔测量仪设计与实现.pdf

摘要 时间间隔测量仪作为专门的时间间隔测量仪器，在通信、导航、测控众多领 域都有着重大作用。在传统的时间f lz j 隔测量设备中采用的是脉冲坝充，通过电子 计数的方法测时间间隔，这样的仪器设备原理简单但其分辨率主要取决于主时钟 的频率。要获得高分辨率则主频时钟频率要求相当高。因此单纯依靠这种方法无 法满足高分辨率的要求。 近些年来国内外研究了许多新的测量方法，例如模拟内插法。基于模拟内插 方法设计的仪器设备理论测量精度高，但是模拟的方法带来较大的非线性误差， 实现起来有很多局限性，且对硬件电路有很高的要求，从而仪器设计的成本也增 加了。本课题设计的高分辨率时间间隔测量仪是基于量化延迟这一测时间间隔的 原理。量化延迟单元可以由有源器件也可以由无源的传输导线构成。并且随着微 电子技术的发展，可实现量化延迟单元的单片集成。 本文详细介绍了时间间隔测量技术的基本原理和实现方法，在吸收和借鉴国 内外先进时间间隔测量技术的基础上，设计实现出一种新的高分辨率时间间隔测 量仪器。该测量仪基于时空转换这一新的理论，利用可编程逻辑器件布线延迟量 化时间间隔设计出一种基于f p g a 和m c u 模式的设计方案。论文分别从理论分析、 系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计等方面详细的阐述了该测量仪 器系统的实现过程。现场可编程逻辑门阵列f p g a 作为核心芯片对系统的数字电 路部分进行了集成化设计，达到了简化电路设计、提高系统稳定性和可靠性的目 的。最终我们基于这一方案设计实现的时间间隔测量仪能够实现2 0 0 p s 的高分辨率， 并且我们设计的时间间隔测量仪结构简单、成本低。随着微电子技术的发展我们 的设计方案还有提升的空间。 关键词：时间间隔测量仪高分辨率时空关系可编程逻辑门阵列f p g a a bs t r a c t t h ei n t e r v a lm e t e ra sas p e c i a lt i m ei n t e r v a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sp l a y sag r e a t r o l ei nm a n ya r e a s ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n s ，n a v i g a t i o n ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 i nt h e t r a d i t i o n a lt i m ei n t e r v a lm e a s u r i n ge q u i p m e n tu s e di np u l s ei s f i l l e dt h r o u g ht h e e l e c t r o n i cc o u n t i n gm e t h o do fm e a s u r i n gt i m e ，s u c hap r i n c i p l eo fs i m p l ee q u i p m e n t ， b u ti t sr e s o l u t i o n d e p e n d sl a r g e l y o nt h em a s t e rc l o c kf r e q u e n c y t oo b t a i n l l i g h - r e s o l u t i o n , c l o c kf r e q u e n c ym u s tb ev e r yh i 曲 h o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r sm a n yn e wm e t h o d so fm e a s u r e m e n tw e r ea p p l i e d f o ri n s t a n c e t h ee q u i p m e n tt h a tb a s eo ni n t e r p o l a t i o nm e t h o dc a na r r i v ea tah i 曲 p r e c i s i o n b u ti tw i l lb r i n gi nn o n 1 i n e a re r r o r a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i ti ss oc o m p l e x t h a tt h ec o s to fi n s t r u m e n td e s i g ni n c r e a s eg r e a t l y t h es u b j e c to ft h ed e s i g no f 1 1 i g h r e s o l u t i o nt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n ti sb a s e do nt h eq u a n t i f i c a t i o no f t h ed e l a yo f t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gt h et i m ei n t e r v a l d e l a yu n i t sc a nb eq u a n t i f i e db yt h ea c t i v e d e v i c e sm a ya l s ob ep a s s i v et r a n s m i s s i o nw i r e sp o s e t h ea d v a n t a g e so fs u c hm e t h o d s a r eas i m p l es t r u c t u r e ，c o s ts a v i n g s a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g yt oq u a n t i f yt h ed e l a y i nt h er e a l i z a t i o no f m o n o l i t h i ci n t e g r a t e du n i t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n to ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa n d m e t h o d s t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nt h et i m e s p a c ec o n v e r s i o nt ot h i sn e w t h e o r y , t h eu s eo fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c et oq u a n t i f yw i r i n gd e l a y t i m et od e s i g na m o d e lb a s e do nt h em c ua n df p g ad e s i g n t h ep a p e r si n t r o d u c et h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，s y s t e md e s i g n ，h a r d w a r e d e s i g n , a n d s o f t w a r e d e s i g n i nd e t a i l f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a ya st h ec o r ec h i pt h es y s t e m ，t h en u m b e ro fp a r t so f t h e i n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g nt os i m p l i f yt h ec i r c u i td e s i g na n di m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t y f p g ac o m p l e t e dt h ew o r ko fm e a s u r e m e n t ，t h e no u t p u tt h em e a s u r e m e n t d a t ai n t ot h em c u t h em c u i sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o m p l e t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n d o u t p u tt ol i q u i dc r y s t a ld i s p l a y b a s e do nt h i sd e s i g nw e h a v et h ef i n a ld e s i g nt oa c h i e v e i n t e r v a l so fm e a s u r e m e n tc a nb ea c h i e v e d2 0 0 p sh i 曲一r e s o l u t i o n t i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n ta n dd e s i g no fo u rt i m ei n t e r v a lm e t e rs t r u c t u r es i m p l ea n dl o wc o s t w i t h t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , w ew i l lb ei m p r o v i n go u rd e s i g n k e yw o r d s ：t i m ei n t e r v a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n th i g h - r e s o l u t i o n t i m e - s p a c e r e l a t i o n s h i p f p g a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：碰日期：) ， 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后使用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型：兰：! ! 日期匕哗s 乞! ! 第一章绪论 第一章绪论 时问间隔测量技术，尤其是高精度高分辨率的时间间隔测量技术研究意义重 大。不论足在通讯、天文观测、原予物理、激光测距、还是卫星导航定位、地质 测绘等发展都离不开高精度的时间间隔测量技术。甚至可以说关于时问的基础理 论研究已经深入到人们社会生活的方方面面，几乎无所不及。 在所有的物理量中，时间和频率量具有最高的精度和稳定度，因此对其标准 的建立和准确测量就具有十分显著的意义和影响。任何一种物质都是在一定的时 间和空间里完成其变化、运动和发展过程的。随着科技的发展，对于空间问题的 处理也越来越多地依靠对时间的测量和处理【。 1 1 时间间隔和时间尺度 目前在科学研究领域里使用的七个基本物理量是：长度，时间，质量，热力 学温度，电流，光强度，物质的量。事实上在很多科学研究领域里，例如宇宙学、 地质学、天文学等，时间间隔都是最重要的概念之一【2 l 。 时间和空间是物质存在的基本形式，任何物质的运动、变化或发展过程，都 是在时间和空间内发生的，人类的一切活动，都离不开时间和空间。时间是一个 基本的物理量，它的单位是秒。许多世纪以来，人类是通过天文观测和计算的方 法获得准确的秒。随着科学技术等生产力的发展和进步，人类对时间准确度要求 越来越来高，时间单位的确定也经历了世界时、历书时和原子时的过程。 在十九世纪二十年代，法国的一些学者出于对地球自转均匀性的信赖，将地 球自转周期的8 6 4 0 0 分之一定义为时间的单位一秒。然而，由于地球的自转是不均 匀的，在不同的年代得到的世界时秒长并不一致，其精度只达到1 0 1 左右。在1 9 6 0 年的十一届国际计量大会上决定采纳基于地球公转周期的历书时秒定义，这是个 不变的量，在理论上是一种均匀时标，但是观测比较困难，而且需要成年累月地 进行。利用对太阳和月亮的综合观测三年的资料才能得到l o7 的精度。随着量子理 论和电子学的发展，人们认识到，原子和分子只处于一定的量子能级。当它从一 个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或吸收一定频率的电磁波，而这种电磁波的 频率稳定性相当高。1 9 6 7 年1 3 届国际计量大会通过新的原子秒定义：“秒为铯1 3 3 原子基态两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 ，1 9 2 ，6 3 1 ，7 7 0 个周期的持续时 间 。目前，铯原子钟的精度可达到l o ”量级，而且原子钟的性能仍在不断提高， 工作物质在不断更新，工作方式在不断优化。同时，各国的激光稳频工作亦在开 展，其目标是准确度和稳定度均优于微波量子频率标准的“光钟”【1 1 。 2高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 由此可见，现代量子频标的出现和电子技术的进步，使得时间频率计量的稳 定度和准确度极大地提高了，其计量水平遥遥领先于其它量值。时间频率也因此 成为当今物理量准确计量的基础，其它量值计量若能转换为时间频率计量，水平 均能得到显著提高。时间频率测量也是导航技术的基础，在军事上有重要的应用。 短时间问隔的梢密测量，在时频领域中又是一切其它量( 如时问或4 口位的起伏、 频率与频率稳定度) 精密测量的基础，同时又可以被广泛地用于各种非时频量的 高精度测量中。一定范围的内高精度的短时间间隔测量方法可以直接在高精度频 率、相位和时间以及许多非频率量的测量中获得应用。它的发展不但对于时频技 术的发展有很大的促进作用，而且对于各种量的精密测量和控制，对于测控技术 在工业、国防及科学技术的进步方面都起到举足轻重的作用。这方面所取得的新 技术及成果，将会产生巨大的经济效益。 1 2 时间间隔测量的发展与应用 时间间隔测量技术，尤其是高精度的时间间隔测量技术意义重大【4 】。时间间隔 的测量是电子测量的一项基本内容。量子频标的出现和电子技术的飞速发展使得 时间频率计量的准确度和稳定度都极大的提高了，其计量水平也遥遥领先其他量 值。可以说时间频率在所有的物理量中是精度最高的。因此这方面的标准器和测 量技术的发展不但对时间频率计量测试本身，而且对其他量值的计量、计量应用 技术等的进步具有特殊的意义。现代计量技术的发展也出现了把其他量值转换为 时间或频率量来实现高精度计量的途径【2 】。- - 新兴的技术发展总是离不开一些经典方法和技术的支持。没有已有的技术积 淀，新技术的发展则是要耗费更多时间在摸索的过程中。传统的时间间隔测量方 法包括：直接计数法、模拟内插法、时间幅度转换法、游标法、抽头延迟法和差 分延迟法等。 时间间隔的测量是电子测量的一项基本内容，在传统方式中常用的测量方式 是电子计数器测量。计数器测量受到其计数误差的限制，在对非常短时间间隔进 行测量时必须使用频率相当高的计数时钟。如要测量l o n s 的时间间隔，要求1 的 相对误差，根据计数误差的要求容易得到时钟频率须达到o 1 n s 的周期，即1 0 g h z 的时钟频率，如此高的频率对于大多数数字电路都是无法正常响应的。为此，须 对短时间间隔进行一定变换，如内插时间扩展等，这些方法大多相对复杂，对结构 和器件的要求高。所以当频率进入g h z 以后，计数器电路的实现相对困难，且成本 很高。人们又提出了多次平均的方法，利用统计规律来减少量化误差的影响，从 而提高了测量的分辨率。但是这种多次平均的方法存在一个问题，就是测量的转 换时间太长，在需要实时测量的场合下，这种方法显然就不能满足要求。 第一章绪论 接下来人们又提出了时间插值的方法，并开发了多种插值器来进一步提高时 问间隔测量的分辨率。插值方法的核心思想就是将被测时间问隔分为两部分，即 与时钟同步的部分和不同步的短时间问i i 隔部分。其中同步部分用计数器来测量， 而不同步部分用插值器来测量。插值器根据其工作的方式，主要分为模拟捅值器 和数字插值器。模拟插值器主要有时i 【i j 展宽插值器，时问f u 压转换带高速a d 转 换的插值器，数字插值器主要有时间游标插值器和延时线插值器。 模拟插值器的特点是采用模拟的方法对时间间隔进行测量，它的分辨率高， 但是它的非线性大。现在常用的时间电压转换带高速a d 转换的插值器，转换速 度较快，精度高，主要缺点是它的非线性很大。国外商用s r 6 2 0 分辨率达到2 0 皮 秒。 数字插值器的特点实现了数字化。时间游标的方法精度高，但是它的缺点是 抖动的影响，以及转换时间长，制作工艺复杂，特别是其核心器件冲击振荡器的 制作调试技术难度很大，造价高。1 9 8 8 年，h p 公司制成了时间游标的计数器，准 确度可以达到2 0 皮秒。 高分辨率时间间隔测量技术在科学实验研究和工程实践中都有着非常广泛的 应用。在工程实践中，主要用于卫星导航定位、激光测距、时间同步技术和通信 网的同步。在卫星导航定位和激光测距中，主要是要测量电磁波的发射波与反射 波之间时间间隔，来确定被测距离，例如激光测距，它在军事和航空等方面有很 广泛的应用。一般先由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向 各方向散射，部分散射光返回到传感接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电 二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检 测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即 可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速 太快，要想使分辨率达到l o 厘米，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨 出3 0 0 皮秒以下的极短时间。 另外，在电子测量领域中，很多高精度的测试仪器，如示波器、逻辑分析仪、 信号发生器和半导体器件测试，其核心部分之一就是其中的时间间隔测试装置。 例如半导体器件测试仪，其主要测试功能之一就是半导体的延时特性测试，就是 要使用时间间隔测量装置达到要求。 所以时间间隔测量技术在专业的时频测控领域有着特殊的地位，在时间传输 和时间同步、精密授时、频率基准比对等方面也都有着广泛的应用。 1 3 本论文的主要成果和内容安排 本论文成果： 4 高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 时间间隔测量仪作为专门的时间间隔测量仪器，在通信、导航、测控众多领 域都有着重大作用。随着科学技术的发展人们对短时间间隔的测量提出了更高的 精度和分辨率要求。传统的时间间隔设备已经很难满足时代的需求。本课题设计 的高分辨率时间间隔测量仪是基于量化延时的原理，将时问问隔量转化为空问上 的传输延迟。在经过无源传输导线构成延时单元的验证后我们将量化延时单元用 可编程逻辑门阵列f p g a 中的布线延迟替代，从而大大简化了电路，并且使得测 量系统更加稳定可靠，同时大大提高了测量范围。在我们的仪器设计中f p g a 担 任了很重要的角色，大部分数字设计都是由其完成的。最后由f p g a 完成的测量 数据送入8 9 s 5 2 单片机完成后期数据处理再进行液晶显示最终测量结果。8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 的8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储 器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，并且与工业8 0 c 5 1 产品指 令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在整个时间间隔测量仪系统的设计中，我t 1 自主完成了仪器的系统方案设计、 硬件电路设计、软件设计。高精度的仪器设计对硬件电路的要求很高。在查阅大 量资料，借鉴大量实际电路后我们不断完善我们的仪器电路设计。在我们硬件电 路设计中尽可能的考虑到信号完整性、电磁兼容、电源完整性等问题，最终利用 优秀的e d a 印制板设计软件p r o t e l 完成了原理图和p c b 的设计。 在我们已实现的高分辨率时间间隔测量仪中采用了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 器件e p l c 6 t 1 4 4 1 7 n 作为主芯片，并把除了单片机之外的数字部分都 做在一片f p g a 中。e p l c 6 t 1 4 4 i 烈资源丰富，其连线结构保证了延时单元延时时 间的一致性，而且电路的修改非常方便。a l t e r a 公司的q u a r t u si i 是一款非常优 秀的e d a 软件，为我们进行功能设计提供了巨大的便利。这种设计方法可以大大 缩小印制板的面积，大量的器件布置在可编程芯片中，省去了器件之间的布线。 较之传统的测量方法，量化时延方法使得电路结构更为简单，成本更低和体积更 小。基于上述基本系统设计方案，我们设计出的时间间隔测量仪分辨率可以达到 2 5 0 皮秒，测量范围可达数秒。并且通过实验和仿真我们有理由相信随着使用芯片 的速度等级提高和微电子工艺的发展，基于我们方案设计的时间间隔测量仪分辨 率还有这很大的上升空间。 二、内容安排 本文在研究分析了大量已有的时间间隔测量技术的基础上，基于量化时延的 原理设计出一款高分辨率的时间间隔测量仪。在本论文中会简要介绍传统的时间 间隔测量技术，然后花大量的篇幅来阐述本课题的详细方案设计以及软硬件的设 计流程。并对未来的发展进行下一步的展望。 本论文章节安排如下： 第一章绪论 第二章是一个比较重要的环节，基于量化时延的时间间隔测量原理详细阐述 了我们时间间隔测量仪的系统总体方案设计，为后续整个论文的展开提供了一个 蓝图。 第三章主要介绍了时间间隔测量仪的硬件设计部分，并针对测量仪的各个硬 件功能模块进行了一个详细的论述。 第四章着重针对系统的软件部分，阐述了软件设计的流程。 第五章对最终整个的实际测量系统进行了测试和分析，并针对相应的实验结 果做出了性能评价和分析，同时对当前工作做了一定的总结和对后续工作做出展 望。 1 4 小结 本章为全文的绪论部分，为全文的一个引子。从当前科技发展形势对时间间 隔技术的要求入手，回顾了时间频率测量技术的发展历程。并以简要的笔墨阐述 了本论文的课题背景、仪器设计的方案与实现、成果意义以及课题进行当中所遇 关键问题及解决方案。 第二章系统总体方案设计 7 第二章系统总体方案设计 本文的主要任务就是要设计实现出一个高精度、宽测量范围的时间间隔测量 仪器。精密仪器是人们认识世界的工具。在现代化的国民经济活动中，仪器有着 比以前更为广泛的用途【3 】。好的仪器设计很大程度上取决于好的系统方案设计，还 有与之配合的外围硬件电路实现以及核心的软件设计。本章主要就是阐述我们设 计的高精度时间间隔测量仪的整体系统方案和本系统设计中最为关键的核心芯片 f p g a 的选取和工作原理。 2 1 系统原理及方案设计 2 1 1 基于量化延时的时间间隔测量原理 光和电磁信号在空间或者其他传输介质中传输过程的特高稳定性已经被证明 是自然界存在的规律性现象。我们在特高精度和稳定度的频标比对中实际上已经 千百万次地利用了这一规律。所以利用稳定的传输也能够构成测量仪器的基础。 在短时间间隔的精密测量中，l l s 到p s 的测量分辨率常常是很高的分辨率，实施困 难、设备复杂。但是，与其对应的长度量则是比较容易测量和控制的。这是考虑 到短时间间隔在传输延迟上的可测性以及对于测量方法的可控性来实现的。以真 空中的光速3 * 1 0 8 m s ( e = 2 9 9 ，7 9 2 ，4 5 8 m s ) 为参考，l n s 的传输延迟是3 0 厘米； l p s 的传输延迟是o 3 毫米。这些从长度的角度来看都是比较容易处理和测量的。 因此，就短时间间隔的测量问题来看，转换成为长度量的测量是有利的。也就是 说我们完全能够把被测量的时间间隔，尤其是短时间间隔量在空间的方向上展开。 通过对相应长度量的测量和处理就能够算出被测时间间隔。作为对短时间间隔的 测量技术，它可以成为对传统的多种技术的替代，并且成为大量频率、周期和时 间阳j 隔测量技术与仪器精度进一步提高的关键手段。值得注意的是，这项工作与 传统的时一空关系的认识及利用结合更有利于对于时间、传输、空间的联系、单 位的相关性等的理解进一步深化。对于计量学的技术进步有着推动作用。 基于上述原理，我们可以用串联在一起的延时单元( 如门电路) 所组成的延 时链作为被测时间间隔的传输通道。这些延时单元具有相同的、稳定的时间延迟 特性。每个延时单元的输出端接到锁存器( 如d 触发器) 的数据输入端，将被测 时间间隔的开始信号作为延时链的输入信号，而以其结束信号作为锁存器的取样 锁存信号，则开始信号在延时链中所经过的延时单元的个数就正比与所测的时间 问隔值。其原理图和波形图如图2 1 和图2 2 所示： 高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 开始 送入计算机 图2 1 量化时延法时间间隔测量原理图 丌始信号结求亿号 j 延时1 五正时2 l延l t 于3 l ； 匹b 4 延时5 i 延时6 图2 2 量化延时波形图 在波形图2 2 中，当结束信号到来时，延时状态被采样并保存。在图2 1 中，开 始与结束信号由于经过的门电路的数目不同而带来的附加延时没有画出来，如果 这些附加延时都是相同的，那么它们对测量精度不造成影响。否则，必须要做出 一定的修正。 从波形图2 2 可以看出，当结束信号到来时，对延时单元的状态数据进行采样 锁存，即可以得知此时开始信号已经通过了几个延时单元。根据其所通过的延时 单元数目，就可以测量出待测的时间间隔： 正= n t ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中r 为待测的时间间隔，n 为其通过的延时单元数目，t 为单个延时 单元的延迟时间。既然是一种量化时间间隔的处理方法，再对量化结果进行计数， 就必定也存在有加、减一个延时单元的延迟时间的误差。延迟器件可以采用无源 延迟线，有源门电路或者其他具有延迟作用的电路等。 2 1 2 量化延时单元选取的初步讨论 总体方案的制定是在设计任务分析、确定e 要参数及技术指标的基础上进行 的。在比较总体方案设计及确定主要方案时要注意理论结合实际，善于运用各 第二章系统总体方案设计 9 种设计原理，以求得最佳方案p j 。 在确定采用本文所述以可编程逻辑门阵列f p g a 作为核心芯片的方案设计之 前我们也曾采用过p c b 板上的微带线作为延时单元。基于前一节以说明的光和电 磁信号在空间或者其他大量的传输介质中传输过程的特高稳定性这一自然界存在 的规律性现象，我们完全可以肯定无源导线完全可以作为稳定的延时单元。我们 以传输线理论作为指导，对微带线进行设计和匹配，采用e c l 电路器件作为检测 器制作了原型机。但是在实验当中发现一系列的问题。比如在p c b 板上以微带线 作为延时单元的话，我们一般是布线成蛇形线的方式，如图2 3 所示： 图2 3 蛇形线的结构 在很多电路设计中，蛇形线被用作延时线。但是蛇形线的结构必然对信号完 整性产生一定影响。这些效应在于主要是由于蛇形线平行结构之间的自耦合造成 的。如果平行结构间的间距够大，以至消除了它们之间的耦合，这样信号在蛇形 线中的传播特性就与直线相同了。但是如果平行部分的间距不够大，则信号就会 通过平行部分的耦合电感和电容垂直于平行部分传播，造成信号的延时变化。 除此之外p c b 板上的蛇形线结构占空间较大，为了实现一个宽范围的量程， 我们只有增加延时单元的个数。这样我们的线路板就会做的很大，给调试和成本 带来很大影响。而且在我们做的实际原型机中还发现一个问题，就是随着延时单 元和检测电路的增加，信号在传输路径过程中有衰减，以至于在后面的一些检测 电路中甚至检测不到信号。 用p c b 板上的微带线做延时单元虽然难以实现，但是给了我们很大的启发。 因为随着微电子技术的发展，我们完全可以将信号的传输延迟集成化、芯片化。 这也就是本文所介绍的高精度时间间隔测量的方案设计灵感来源。 2 1 3 系统总体方案的设计 在上- - d , 节里讨论了用p c b 板上的微带线的传输延迟作为量化延时单元的可 行性。相比较之下，我们认为利用微电子技术的可实施性更大些。比如说可以由 可编程逻辑器件c p l d 或是f p g a 中延时单元l c e l l 和逻辑门共同构成量化延时 单元。只要我们可以在测量方法和选用器件两方面做出努力，实现更高的测量分 辨率完全有可能。 其实在我们决定用可编程逻辑器件作为核心芯片来构建我们的时间间隔测量 l o高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 系统后也是走了一段比较曲折的路。一开始我们认为c p l d 较f p g a 来说，布线 池结构稳定，因此c p l d 的输入管脚到输出管脚的标准延时也更加稳定。所以在 最初的主芯片选择上我们选取了a l t e r a 公司的m a xi i 系列e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 的 c p l d 。在这个过渡的方案设计出，我们有了不少收获，也验证了原理的可行性。 我们以c p l d 作为主芯片设计的时问间隔测量仪样机能达到约为5 0 0 p s 分辨率的 测量精度。但是随着后续精度的提高，我们需要增加延时单元和检测部分的个数。 因此c p l d 的资源就满足不了方案的设计需求了。后来我还是采用了f p g a 作为 系统方案设计的主芯片。经过仿真和样机实验数据的验证，f p g a 同样能达到超高 的分辨率。最终我们设计实现的时间间隔测量仪就达到了2 0 0 p s 左右的分辨率。而 且随着使用主芯片的速度等级提高，分辨率还有提高的空间。这在后面的章节会 针对f p g a 内部的设计原理有详细的论述。 在完成了原理上以及前期的一些工作后，我们设计的时间间隔测量仪系统结 构包括以下几个基本的单元模块： ( 1 ) 测量与检测单元模块：测量与检测模块是本测量系统的最为核心部分。 主要由可编程逻辑门阵列f p g a 来负责完成。在f p g a 中，我们利用丰富的布线 资源来完成量化延时单元的设计，这个过程就像给一把尺子标定刻度。然后还需 设计好检测部分，也就是读出待测的短时间间隔落在哪个刻度之间从而得出测量 结果。f p g a 为我们提供了丰富的资源，在完成测量与检测模块之余还可以将检测 结果进行一些简单的数据处理。 ( 2 ) 数据处理单元模块：这个单元主要由单片机( 如m c s 一5 1 系列) 及其 外部一些必要的辅助电路组成。单片机和f p g a 进行数据通信，负责对测量检测 模块的测量数据进行必要的处理，然后送入显示单元模块显示。 ( 3 ) 显示单元模块：可选用l c d 和l e d 等显示器件，来完成对系统的测量 数据进行实时显示。在我们的实际电路设计中选用的是液晶l c d 显示，从而仪器 的测量结果能够很直观的反映出来。 ( 4 ) 电源单元模块：在我们的系统方案设计中需要用到多种供电电压，而稳 定的电源是系统正常工作的保证，因此电源模块也是一个很重要的部分。在实际 电路当中我们用了性能稳定的三端稳压芯片，达到了集成芯片的工作要求。 ( 5 ) 通讯接口：微机系统的通讯接口电路，根据通信标准而定。该单元作为 测量系统与计算机的通信接口，能够自动实现信号电平的转换。即将数字电路中 使用的信号电平( 如t t l 电平) 转化为符合通信标准的信号电平，以完成传输。 根据上述各个模块单元，我们从系统的结构框图更能直观的了解总体方案设 计中各个模块协调工作的原理。时| 日j 间隔测量仪系统组成框图如图2 4 所示： 第二章系统总体方案设计 s t a r t s t o p c l k 图2 4 时间间隔测量仪系统组成框图 2 2 可编程逻辑设计技术 在上- - d , 节主要介绍了量化延时的时间间隔测量原理，并在此基础上对系统 方案的设计进行了讨论。在比较分析后给出了最终样机的系统方案设计，并给出 初步设计的各个单元模块及其功能。在本节将重点介绍可编程逻辑设计技术及其 应用，以及我们如何在本系统中选取合适的可编程逻辑器件f p g a 芯片。 2 2 1 可编程逻辑设计技术简介 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 规模集成电路、超大规模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电路 ( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设 计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投资 大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计 方法，根据需要，在实验室就能设计，更改大规模数字逻辑，研制自己a s i c 并马 上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的基本思想【5 1 。 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。今天的可编 程逻辑器件已经发展为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编 程器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 。新一代的f p g a 甚至集成了 中央处理器( c p u ) 或是( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为 实现片上可编程系统( s o p c ，s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件 支持【5 1 。 在系统方案设计讨论的时候我们就已经阐述了选取f p g a 作为我们的核心芯 片来完成时间间隔测量仪的测量和检测部分。可编程逻辑器件的使用除了可以完 成众多数字部分的设计，还可以简化硬件电路的结构。因为f p g a 作为核心器件 对系统的数字电路部分进行了集成化设计，避免了使用大量分立元件而带来的复 1 2 高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 杂设计。除此之外可编程逻辑器件的使用还提高了系统的稳定性和可靠性。 正是因为f p g a 在我们的系统设计当中占如此举足轻重的地位，所以我觉得 很有必要把f p g a 相关的背景知识简要的介绍一下。f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 现成可编程逻辑门阵列，是可编程逻辑器件的一种。可编程逻辑器件是 大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合计算机软件可 以快速、方便地构建数字系纠引。 广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接 结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻辑器 件主要有简单的逻辑阵列( p 刖g a l ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可 编程逻辑阵列( f p g a ) 等三大类。 2 2 2f p g a 的结构和工作原理 在我们的系统设计当中选取的是a l t e r a 公司的f p g a 芯片，因此下面主要以 a l t e r a 公司的f p g a 芯片为例介绍f p g a 的基本结构和工作原理。 1 、可编程输入输出单元 输入输出( i n p u t o u t p u t ) 单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接口 部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配要求。为了使芯片与外 界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配要求。 2 、基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接 与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s r a m 工艺的，其基本可编辑 逻辑单元几乎都是查找表( l u t ，l 0 0 ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。 f p g a 内部寄存器结构相当灵活，可以配置为带同步异步复位或置位、时钟使能 的触发器( f f ，f l i pf l o p ) ，也可以配置成锁存器( l a t c h ) 。 3 、嵌入式块r a m 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ( b l o c k 洲) 。f p g a 内部嵌入可编的 r a m 模块，大大地拓展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。f p g a 内部实现r a m 、 r o m 、c a m 、f i f o 等存储结构都可以基于嵌入式块r a m 单元，并根据需求自动 生成相应的粘合逻辑以完成地址和片选等控制逻辑。 4 、丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上 的驱动能力和传输速度。f p g a 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根据 工艺、长度、宽度和分布位置的不同而被划分为不同等级，有一些是全局性的专 用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线；一些叫做长 第二章系统总体方案设计 线资源，用以完成器件b a n k ( 分区) 间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号 ( 有时也被称为l o ws k e w 信号) 的布线；还有一些叫做短线资源，用以完成基本 逻辑单元之间的逻辑互联与布线；另外在基本逻辑单元内部还有各种各样的布线 资源和专用时钟、复位等控制信号。 5 、底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里我们指的是那些通用程度较高的嵌 入式功能模块，比如p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、d s p 、 c p u 等。随着f p g a 的发展，这些模块被越来越多地嵌入到f p g a 的内部，以满 足不同场合的需求。 6 、内嵌专用硬核 这里的内嵌专用硬核与前面的“底层嵌入单元 是有区分的，这里讲的内嵌 专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含硬核( h a r d c o r e ) 。我们称f p g a 和c p l d 为通用逻辑器件，是区分于专用集成电路( a s i c ) 而言的。其实f p g a 内部也是分两大阵营的：一方面是通用性较强，目标市场范 围很广，价格适中的f p g a ；另一方面是针对性较强，目标市场明确，价格较高的 f p g a 。 2 2 3f p g a 芯片选型 器件选型是一个综合性问题，需要将设计的需求、成本压力、规模、速度等 级、时钟资源、i o 特性、封装、专用功能模块等诸多因素综合考虑。目前的市场 上，f p g a 主流生产厂家如a l t e r a 、x i l i n x 和a c t e l 公司都有大量优秀的产 品可供选择。 根据各方面的比较以及成本的考虑我们最终选取了创l t e r a 的主流低成本 f p g a y c l o n e 。c y c l o n e 系列的f p g a 是基于s t r a t i x 的工艺构架，a l t e r a 公司 针对其应用，经过市场调研，重新定义它的特性和规格，使其从设计初期就定位 一款低成本的f p g a 。c y c l o n ef p g a 的应用主要是定位在终端市场，如消费电子、 计算机、工业和汽车领域。 我们最终确定的f p g a 型号为e p l c 6 t 1 4 4 1 7 n 。e p l c 6 t 1 4 4 1 7 n 是属于c y c l o n e 系列的f p g a 。其逻辑容量为5 9 8 0 个l e ，内部嵌有两个p l l 功能模块，最大用 户i o 数为1 3 8 。c y c l o n e 内部有8 个内部全局时钟网络，可以由全局时钟管脚c l k 、 复用的时钟管脚d p c l k 、锁相环p l l 或者是内部逻辑来驱动。a l t e r a 公司还为 c y c l o n e 的低成本方案专门设计了一种低成本串行加载芯片，有e p c s l 和e p c s 4 两款。这种加载方式成为主动串行模式。c y c l o n e 器件在加载是主动发出加载时钟 和其他控制信号，数据从串行加载芯片中读出。c y c l o n e 器件还支持配置文件的压 1 4 高分辨率时间间隔测量仪设计与实现 缩模式。 2 3 小结 本章详细描述了基于量化延时的时间间隔测量原理。并对量化延时单元做了 一定的分析讨论。最后给出了以f p g a 为核心芯片，并在f p g a 中实现量化延时 单元和检测的系统方案设计。同时本章中还简要的介绍了一下可编程逻辑设计技 术的发展和应用，并针对如何进行f p g a 芯片选型做出了讨论。这一章的内容主 要是为了全文继续展开给出了个框架。在接下来的章节将会对整个系统的硬件、 软件部分进行更为详细的阐述。 第三章系统硬件部分设计 第三章系统硬件部分设计 3 1 系统硬件概述 本系统的硬件电路由数字逻辑部分和模拟电路部分组成。数字电路部分主要 是完成时序控制、数据测量检测、数据处理、读数显示等工作。模拟电路主要是 信号整形、信号放大、电源模块。一个好的仪器设计其硬件电路设计的细节也是 相当