（测试计量技术及仪器专业论文）基于时空关系的时间间隔测量.pdf

摘要 摘要 本文提出了一种新的短时间问隔测量方法，即利用时一空关系测量短时间间 隔，提高了测量的分辨率。 电磁信号在真空中的传输速度是一个自然常数，它具有高速性和高稳定性。 我们利用一定长度的传输线作为标准来量化被测时间间隔，自然具有了分辨率高 和稳定度高的特点。将短时间间隔信号的开门信号用由传输线构成的差分延时单 元进行延时，延时单元串连连接。然后在每个延时单元处设置重合检测电路，以 检测被延时的开门信号和关门信号的重合信息。这样，时间量就被转换为了长度 量。在某一延时单元处，可以检测到被延迟的开门信号将与关门信号重合，这一 点的位置也就反映了被测时问间隔的值。文中给出了基于时一空关系时间间隔测 量系统的结构原理图，建立了系统模型，分析了系统的误差来源及修正的方法。 另外，文中详细分析了这种高分辨率与测量范围之间的矛盾，并提出了采用插入 缓冲器放大信号，有源器件延时和计数器内插相结合的方法解决这个矛盾。 采用这种时一空关系原理，利用印制电路板上的微带线作为延时单元，我们 制作了原型机。它工作在e c l 电平下，使用边沿触发的d 主从触发器作为重合检 测电路，原型机的测量分辨率可以达到2 5 0 皮秒。 结合c m o s 工艺，我们设计了时间一数字转换芯片。该芯片使用亚毫米级的 集成传输线作为延时单元，d 触发器作为重合检测电路。并设计了缓冲器，延时 锁相环，计数器来扩大测量范围。使用电流仿真软件对芯片进行仿真，分辨率达 到3 7 皮秒。 关键词：时一空关系时间一数字转换器重合检测传输线延时线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lm e t h o df o rm e a s u r i n gt i m ei n t e r v a l t h et i m e - s p a c e r e l a t i o n s h i pi su s e dt oi m p r o v et h e 圮s o l u f i o na n ds i n g l e - s h o tp r e c i s i o n t h es p e e do fe l e c t r o m a g n e t i cs i g n a lt r a v e l i n gi nf r e es p a c ei s 矗n a t u r a lc o n s t a n t , w h i c hi so fh i g hv a l u ea n dh i g hs t a b i l i t y t h e r e f o r e u t i l i z i n gt h et r a n s m i s s i o nl i n eo f c e r t a i nl i n ea sd e l a yl i n et oq u a n t i z et h et i m ei n t e r v a lf e a t u r e sh i g hr e s o l u t i o na n dh i g h p r e c i s i o n t h es t a r ts i g n a lo ft i m ei n t e r v a li sd e l a y e db yd i f f e r e n t i a l , a n i t sc o m p o s e do f t r a n s m i s s i o nl i n e , w h i c hi sc o n n e c t e di ns e r i e s t h e nt h ec o i n c i d e n c ed e t e c t o r sa l e p l a c e da te v e r yd e l a yu n i tt od e t e c tt h ec o i n c i d e n c eo ft h ed e l a y e ds t a r ts i 印a la n ds t o p s i g n a l i nt h i sw a y , t h et i m ei sc o n v e r t e dt ot h el e n g t h t h ep o i n tw h e r et h ed e l a y e ds t a r t s i g n a lg e t sc o i n c i d e n tw i t hs t o ps i g n a lr e f l e c t st h ev a l u eo ft h em e a s u r e dt i m ei n t e r v a l i nt h i sp a p e r , t h eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e mi sd e s c n b e d , a sw e l la st h es y s t e mm o d e l t h ee r l o r si nt h es y s t e ma 球a n a l y z e df o l l o w e db yt h em e t h o d sf o rt h e i rc o r r c c t i o m m o r e o v e r , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nh i 【g h r e s o l u t i o na n dm e a s u r e m e n tr a n g ei s a n a l y z e d , a n di n s e r t e db u f f e r sf o rr e g e n e r a t i n gs i g n a l , a c t i v ed e l a yl i n ea n dc o u n t e ra r e u s e dt o w o r ki to u t b a s e do nt h et i m e - s p a c er e l a t i o n s h i p ，ap r o t o t y p ei sr e a l i z e du s i n gm i c r o s t r i p sa s d e l a yl i n eo nt h ep r i n t e d c i r e u rb o a r da n de d g e - t r i g g e r e dm a s t e r - s l a v e rdf l i p - f l o pa s c o i n c i d e n c ed a t e a o nt h ep r o t o t y p ew o r k so nt h ee c ll e v e l t h er e s o l u t i o no ft h e p r o t o t y p ei s2 5 0 p s w i t hc m o st e c h n o l o g y , at i m e t o - d i 西t a lc o n v e r t e ri sd e s i g n e d , w h i c hu s e s i n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o nl i n ea sd e l a yl i n ea n ddf l i p f l o pa sc o i n c i d e n c ed e t e c t o r i n a d d i t i o n , t h eb u f f e r , d e l a y - l o c k e dl o o pa n dc o u n t e ri sd e s i g n e dt oe n l a r g et h e m e a s u r e m e n tr a n g e as i m u l a t i o no ft h ec h i pi sp e r f o r m e dw i t ht h es o f t w a r eh s p i c e t h er e s o l u t i o no f3 7 p si so b t a i n e d k e yw o r d s ：t i m e - s p a c er e l a f i o n s h i pt i m e t o - d i g i t a lc o n v e r t e rd e l a yl i n e t r a n s m i s s i o nl i n ec o i n c i d e n c ed e t e c t i o n 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期：矽莎i 五， 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。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属 本人签名： 导师签名：- # 酋i 髯一 一年解密后适用本授权书。 日期：2 翌鳖：! ：， 日期：五翌墨：! ：夕 在 、 蕊肮 豫压 第一章绪论 第一章绪论 时间是物质运动和存在的基本属性之一。精密的时间作为科学研究、科学实 验和工程技术诸方面的基本物理参量，为一切动力学系统和时序过程的测量和定 量研究提供了必不可少的时基坐标。精密的时间以其完美的线性和连续性展示出 客观世界的理性，成为人类认识世界和改造世界的科学利剑。 精密的时间不仅在地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫 星动力学测地等基础研究领域有重要的作用。而且在诸如航空航天、深空通讯、 卫星发射及监控、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等应用研究、国防 和国民经济建设中也有普遍的应用，甚至已经深入到人们社会生活的方方面面， 几乎无所不及“。 1 1 时间间隔测量技术的发展 时间和空问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，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过了世界时、历书时和原子时的过程。 在十九世纪二十年代。1 ，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 - 8 左右。在 1 9 6 0 年的第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，面且需要成年 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n 1 0 4 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予秒定义：“秒 定义为铯- 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，采用铯冷原子钟的精度可达到1 0 。6 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”，它的理论精度能够达到1 0 。8 量级。 在时间和频率测量中，最基础的是时间间隔的测量。随着电子技术的发展， 2 基于时一空关系的时闻间隔测量 人们开始采用电子计数器进行时间间隔的测量。计数器技术的分辨率主要取决于 主时钟的频率，也就是说，分辨率等于主时钟的周期。这样，要求的分辨率越高， 相对应的主时钟频率也要求越高，如果要求i n s 的分辨率，则主时钟的频率为 1 g h z 。这样就对高分辨率计数器电路的频率响应特性提出了很高的要求。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。 于是人们提出了时间插值的方法，并开发了很多插值器来进一步提高时间间 隔测量的分辨率。插值方法的核心思想就是将被测时间间隔分为两部分，即与时 钟同步的部分和不同步的短时间间隔部分。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，主要分为模拟插值器和数 字插值器“”。模拟插值器主要有时间展宽插值器，时间电压转换带高速a d 转换 的插值器；数字插值器主要有时问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问隔进行测量，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。国外商用时间间隔测量仪s r 6 2 0 分辨率达到2 0 皮秒。而国内中科院国家授时中心制作的嵌入式时间间隔计数器， 分辨率达到5 皮秒，准确度1 纳秒m 。 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 时钟抖动的影响大，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，l i p 公司制成了时间游标的计数 器，精度可以达到2 0 皮秒。 随着微电子技术的发展，人们提出利用有源器件延时的方法制作时间间隔测 量装置。1 9 9 3 年，提出了基于c m o s 工艺的各种延时电路“4 ，采用延时可调的缓 冲器制成延时单元。质来发展的延时锁相环技术被应用到时间间隔测量中，大大 提高了有源器件延时的精度，改善了它的非线性。2 0 0 6 年最新报道芬兰o u l u 大学 的t d c 芯片能够达到1 0 皮秒的测量精度“”。国内清华大学也报道了精度为7 5 皮 秒的时间数字转换器n n 。 另外，随着a s i c 技术的发展，国内西安电子科技大学周渭教授发展了量化 延时的方法，利用可编程逻辑器件c p l d 设计的时间间隔的测量装置，分辨率达 到3 纳秒。同时，波兰j o s e f k a l i s z 也发展了利用f p g a 制作成时间数字转换器， 分辨率能够达到1 0 0 皮秒“州捌。这种时间间隔测量装置在小规模的应用时，大 大降低了开发的成本。 第一章绪论 3 1 2 时间间隔测量技术的应用 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1 0 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。 在科学实验方面的应用主要体现在在高能物理实验中的应用，例如高能物理 实验中的飞行时间t o f 的测量。飞行时间t o f 计数器的主要作用是测量带电粒 子的飞行时间，与主漂移室的测量信息配合推算粒子的质量，从而实现带电粒子 的鉴别。用t o f 的方法用来鉴别带电粒子的糟度和t o f 时间测量的分辨率直接相 关。 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。 短时间间隔测量在专业的时频测控领域也有着特殊的地位，在时间传输和时 间同步中，精密授时，频率基准的比对等方面有着广泛的应用。 1 3 本文提出的新方法 本文提出基于时一空关系测量短时间间隔的方法，大大提高了短时间问隔测 量的分辨率和精度。该方法利用了电磁信号传输的高速性和高稳定性，使用一定 长度的传输线作为时间标准，对时间间隔信号进行量化。将开门信号和关门信号 分别输入两路延时线，其中开门信号这一路的延时单元的长度大于关门信号这一 路延时单元的长度，也就是说，开门信号这一路的延时单元的延时大于关门信号 这一路延时单元的长度。这样经过一定数量延时单元后，被延迟的开门信号与被 4 基于时一空关系的时间间隔测量 延迟关门信号将重合，由重合检测电路给出重合信号。重合检测信号通过译码， 就可以得出被测时间间隔。 基于这种新的时一空关系原理，我们制作了时间间隔测量原型机。使用印制 电路板上的微带线作为延时线，分辨率可以达到2 5 0 皮秒。 结合微电子工艺，我们设计了时间数字转换芯片。该芯片采用使用硅片上毫 米级的传输线作为量化延时单元，分辨率可以达到3 7 皮秒。 1 4 内容提要 本文从理论和实验上验证了基于时一空关系测量时间间隔的新方法，并与骤 有时间间隔测量技术做了详细的比较。 第二章简要概述了时间间隔测量的技术指标和误差分析方法。并详细介绍了 现有时间间隔测量技术的原理及其优缺点。 第三章对基于时一空关系的时间间隔测量方法作了详细介绍，重点论述了传 输线理论及影响其延时特性的因素，给出了系统构成方案和系统模型，分析了系 统存在的误差，并说明本文所提方案的优势和先进性。 第四章叙述了原型机的制作方案，并给出了测试结果。 第五章叙述了为进一步提高测量分辨率，结合微电子工艺，设计了时间一数 字转换芯片，仿真分辨率达到皮秒级。 第二章对闻阉隔测量技术概述 5 第二章时间间隔测量技术概述 随着电子计数器技术的发展，时间间隔测量的精度大幅度提高。但是由于高 速器件在工艺上制作的难度和成本高，人们发展了多种插值器，用于提高时间间 隔测量的分辨率。 本章首先介绍了评价时间间隔测量系统性能的一般技术指标，包括分辨率、 量化误差和非线性误差等。然后介绍了现有的高精度时间间隔测量方法，包括计 数器法、时间展宽法、时间一幅度转换带a d 转换、时间游标和延时线法，并给 出了这些内插法能达到的的性能指标，其自身的优点和存在缺点。 2 1 1 分辨率( r e s o l u t i o n ) 2 1 一般技术指标 分辨率是衡量时闯闻瞩测量的主要性能指标之一。定义为系统可以分辨的最 小时间间隔的能力。通常也使用l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 来表示。 2 1 2 测量范围( m e a s u r e m e n tr a n g e ) 测量范围就是时间间隔测量系统能够测量的最大时间间隔。 2 1 3s i n g l e s h o t 精密度( s i n g l e - s h o tp r e c i s i o n ) s i n 西e s h o t 精密度用于描述时间间隔测量系统的测量结果的一致程度。它是 对同一被测时间间隔进行多次测量，然后采用其测量结果的标准差来表示。由于 被测对象的准确值是未知的，因此通过计算实验标准偏差6 作为测量的精密度。 对同一时间间隔作次测量，得出测试的结果。利用统计方法，先求出测量 的均值牙： 一五 工- 至l 一 ( 2 1 ) 6 = 击厣鬲 协2 ， 其中，6 就是标准差，置是第砣定的测量结果，n 是测量的次数。 6 基于对一空关系的时间间隔测量 2 1 4 量化误差( q u a n t i z a t i o ne i t o i ) 量化操作是任何一种数字转换器都不可避免的，如图2 1 所示，当被测为z ， 我们可能得到两个可能的结果五或瓦，其中五r ，e t 瓦一互+ 写，t o 为测量分 辨率。于是，由量化产生的随机误差可以用二项分布的标准差“”来表示： - 写c ( 1 一c ) ( 2 - 3 ) 其中c 表示r 取值为乏的概率，( 1 - c ) 表示t 取值为互的概率。实际上c 就是r 相对于整数个t o 的余数部分，即c - f ，c ( t t 0 1 。 对上式在o cs 1 的范围内进行积分，便可以得到平均标准偏差口0 ： - 譬_ 0 3 ( 2 - 4 ) 图2 2 给出了归一化的标准方差o t o 相对于概率c 的曲线图。可以看出，最大 的量化误差为盯- t o 2 ，出现在c 一0 5 。 如果利用利用多次测量平均的方法，可以减小量化误差。当测量次数为次 时： 一嘉枷御嘉 协s ， ( 1 - c ) 图2 1 量化测量示意图 结果 第二章时间间隔测量技术概述 7 图2 2 归一化的标准差o 毛相对于概率c 的曲线图 2 1 5 积分非线性误差i n l ( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t ye r r o r ) 延时单元的延时由于受到各种因素的影响，偏离于理想的延时值，这种误差 称为微分非线性误差d n l ( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t ye r r o r 上微分非线性实际上反 映了延时单元之间的不均匀程度。 当信号沿延时线传输时，延时单元的微分非线性误差d n l 会累积，从而产生 积分非线性误差i n l 。积分非线性误差是指实际的输入一输出特性曲线与具有理想 增益的最佳拟合直线之间的差别，这条拟合直线通过在理想传输特性上增加零点 偏移得到。i n l 与延时单元的变化与延时线的总长度有关，它会随着信号的向后传 输而逐步累积，在延时线的终点最大。 2 1 6 随机误差( r a n d o me r r o r ) 整个时间间隔测量系统还存在随机误差，主要来自内部噪声和外部噪声的作 用。内部噪声主要是时钟相位噪声，电源噪声等；外部噪声是电路之间的干扰造 成的，必须有耦合路径才可能出现外部干扰，包括传导耦合，容性耦合和感性耦 合。其中容性耦合是由于两个导体之间的电场引起的，而感性耦合是由于电流变 化引起磁场变化造成的。 2 1 7 转换时间( c o n v e r s i o nt i m e ) 转换时间是指完成时间间隔测量，给出测量结果所需要的时间。这个时间又 8 基于时一空关系的时间间隔测量 经常被称为死区时问，因为在转换时间内，仪器无法进行下一次的测量在一些 特定的场合，如高能物理实验，激光测距中，对转换时间的要求非常高，要求测 量在纳秒级的范围内完成。 2 2 时间间隔测量技术 最简单的测量时间间隔的方法是直接计数法，就是在由待测时间间隔构成的 闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而算出待 测的时间间隔。这种方法测量精度主要决定于填充脉冲的频率，频率越高，精度 越高，但实际应用中，填充脉冲的频率如果太高，对相应的器件及线路的要求提 高，而且我们希望使用常用的标准频率源信号为5 m i z 或1 0 m h z ，单纯提高填充 脉冲的频率不能从本质上解决问题，对于特别小的短时间间隔可能无能为力。直 接计数法的误差主要是由于填充脉冲与时间间隔构成的闸门边沿的相位关系具有 随机性，因此会产生t 1 个字的计数误差。 采用多次平均的方法可以减小量化误差，提高测量的精度。但是多次平均使 得转换时间大大增加，不能用于实时测量。为了提高测量的分辨率，人们提出了 插值的方法。 2 2 1 时间展宽 时间展宽是以测量时间间隔为基础的测量方法。它主要解决的问题是测出量 化单位以下的尾数，其原理如图2 3 所示。内插法实际上要进行三次测量，即分别 测出巧、五和五。时间巧的测量和通用电子计数器测量时间间隔的方法没有区别。 互和瓦的测量，要用内插器( 扩展器) ，将它们扩大1 0 0 0 倍，用“起始”扩展器测 量互，在互时间内，用一个恒流源将一个电容器充电，随后以充电时间五的9 9 9 倍 的时间放电至电容器原电平。内插扩展器控n f 3 由起始脉冲开启，在电容器c 恢 复至原电平时关闭。图2 4 是内插时间扩展器原理示意图。扩展器控制的开门时间 为五的1 0 0 0 倍，即r 一五+ 9 9 9 t ，- 1 0 0 0 t 。，在t 的时间内计得时钟脉冲数为l ， 得t n 。t o ，故： ，r z - 二1 卫( 2 6 ) 1 0 0 0 类似地，中止内插器将实际测量时间乏扩展1 0 0 0 倍，这时一2 毛，故： l - 二兰：卫( 2 7 ) 第二章时间间隔测量技术概述 9 被测信号f x 故： i o m h z 钟脉冲 扩展器 计数 。 起始 终i 卜 一西1 一 o i l 卜l s 1 - n o n = 肋肋 ， 乃 而 _ _ ， = 一 一伽 卜一 i 一 z= 1 0 0 0 r , 7：= 1 0 0 0 兀 ii，l l l i ini ，j i i i i 图2 3 时间展宽内插法原理图 图2 4 时间展宽原理图 由图2 3 可见，0 瓦和被测时间问隔的区别仅在于多计了瓦而少计了互， 互。( + n 。x 0 0 0 - n zj 、z 。 ( 2 8 ) 由此可见，用时间展宽技术，虽然测五和写时t 1 个字的误差依然存在，但其 相对大小可缩小1 0 0 0 倍，使计数器的分辨力提高了三个量级。 基于时一空关系的时间间隔测量 2 2 2 时间一幅度转换和a d 转换 这种方法主要思想是采用恒定的电流对电容进行充电，从而将时间转换为电 压。然后采用高速a i d 转换，将该电压数字化。彳d 转换完成后，电容迅速放电， 以减少死区时间。具体利用了一个线性斜坡电压产生器，当第一个脉冲信号到来 时，立刻起动一个斜坡发生器，当此后的第一个量化时钟脉冲到来时，使采保电 路进入保持状态以保持斜坡发生器此时的电压值，然后再做模数转换，记录下此 时的电压值，设定斜坡发生器在一个时钟周期r o 时间内电压的变化量为y 二，假设 模数转换器的位数为厅，满幅时对应的电压也为y 二。在量化误差时间间隔内a d c 的输出为l ，则对应的时间五的值应该为： 。o - 等瓦( 2 - 9 ) 该方法存在的误差来源主要包括在以下两个方面：第一。线性斜坡电压发生 器的非线性误差导致的测量误差；第二，a d c 的转换误差导致电压测量值存在误 差。该方法的优点是测量分辨率高，转换时间短，等于爿，d 转换的时间。缺点是 转换的非线性误差较大，制作工艺较复杂。 根据该测量原理制作的商用计数器s r 6 2 0 ，可以达到很高的时间间隔测量分辨 率，给出的指标是2 0 皮秒。 2 2 3 时间游标 这是一种以时间测量为基础的计数器，关键在于设法测出整周期数外的零头 或尾数。如图所示，可知 互- 巧+ 瓦一互 ( 2 1 0 ) 若要测量起始脉冲和中止脉冲的时间间隔l ，一般方法是由起始脉冲开门， 以终止脉冲关门，被测时间间隔即为闸门开启时间。在闸门开启时间内，时基脉 冲通过闸门进入到计数器。若时基脉冲周期为t o 。，计数器指示值为n ，则瓦- 这时极限量化误差为1 个量化单位。下面根据图2 5 讨论减少测量误差的一个方 法。 如图2 5 ( a ) 所示，用n t o 来表示被测时间间隔，从时间上来看，它少计了瓦， 多计了互。游标法用类似于机械游标卡尺的原理，较为准确的测出尾数毛和互， 以提高时间的分辨力和准确度，避免了土1 个字误差。 第二章时间间隔测量技术概述 起始眯冲 。 停i i - 瞅冲 翰入佾垮l： 一 1 廿r 船脒冲 辩钚弥冲i | | l il - i 0 1 7 j n 卜 1 阿l 。llii ，liiii iiiilii 广1 1 0 iil n 卜符台点1 r r _ 。1 o il ll ， 、一7 0 - 符合盘2 ( 鑫) 一 ( b ) - ) l ：作波形豳( b 氨理框豳 图2 5 游标法原理图 下面结合图2 5 ( a ) 的时间关系和图2 5 ( b ) 的方框图来说明这种测量方案，起始 脉冲同时打开闸门和触发游标振荡器i ，这时脉冲间隔为瓦，的时基脉冲通过闸门进 入粗测计数器，其读数为焉- 瓦。游标振荡器i 的频率比时基频率稍低，即比 写，稍长，周期为的游标计数器i 计数。若由第一个游标脉冲号脉冲) 后算起， 经过f 个游标脉冲后，游标脉冲恰好和时基脉冲相重合，即时间上第x 个游标脉冲 和时基脉冲相重合，时基脉冲赶上了游标脉冲，则零头时间五为 瓦一工( 一瓦，) ( 2 1 1 ) 在游标脉冲和时基脉冲重合时， 器i 停振，游标计数器i 不再计数， 由符合电路产生一个符合信号，使游标振荡 所以这时游标计数器i 的读数表示的时间为 基于时一空关系的时间间隔测量 瓦- j ( - t o 。) 类似的游标振荡器振荡周期亦为，游标计数器若计得y 个脉冲，则时基脉冲超前于游标振荡器的第0 号脉冲( 其时间起点和中止脉冲 相同) 的时间z 为： i y ( t 0 2 一瓦，) ( 2 1 2 ) 因此，被测的时间间隔为 互- o v - 工+ y ) t o 。+ ( 石一) ，) z 盗 - 1 + ( z y ) a t o ( 2 1 3 ) 式中r - 一 这种计数法的分辨力为a t 一一毛，它比粗测计数器分辨力矗，以及游标计 数器的分辨力都高。显然，瓦，愈接近，其分辨力愈高。 时间游标的特点式使用冲击振荡器，测量精度高，但是电路工艺复杂，转换 时间长。商用的基于时间游标法的时间间隔测量仪h p 5 3 7 0 b ，分辨率达到2 0 皮秒 2 2 4 延时线方法 使用有源逻辑器件的延时来测量时间间隔是现在研究的一个热门领域。一般 采用标准c m o s 工艺，可以保证低成本、低功耗以及高的集成水平。通过使用一 个逻辑器件作为一个时间单元，和一个锁时环路( d e l a y - l o c k e dl o o pd l l ) 来保 证高稳定度。d l l 主要是用来稳定逻辑器件的延时，以减小延时单元延时的变化、 温度和电源方面的扰动。基于延时单元的t d c 的分辨率，可达到几百皮秒的分辨 率。 由于逻辑器件的速度有限，单靠使用逻辑器件延时分辨率只能达到纳秒级。 在逻辑器件延时线的基础上，进一步发展了差分延时线方法“”。 通过结合使用游标法可以更好的改进这种t d c 的分辨率。在一个游标延时单 元中，需要有两个延时缓冲链。基本配置如图2 6 所示。 图2 6 游标延时单元结构 测量时问差由s t a r t 和s t o p 信号表征( 也就是两者上升沿之间的延时) 。 第二章时问闻隔铡量技术概述 这种技术是基于游标的原理。在上部延时链t 。的缓冲延时稍稍大于在下部延时链t 2 的缓冲延时。当s t a r t 和s t o p 信号在各自的延时链中传播时，s t a r t 和s t o p 脉冲的时间差为t r b “- t ：) 。在延时单元中的位置指s t o p 信号正好与 s t a r t 信号重合处，则，具有t 。分辨率的测量时间。的信息由下式给出： 刀z t z 形一 形一 ，11，_-j 矿 矿 ， ， 2 2 基于时一空关系的时间间隔测量 3 2 1 系统工作原理和结构 ( - - ) 基于时一空关系的插值器的工作原理和结构 基于时一空关系的时间间隔测量插值器结构原理图如图3 5 所示，开门信号和 关门信号被整形成窄脉冲信号后，分别输入到两路延时线。开门一路延时单元z l 在长度上大于关门一路的延时单元死，也就是说，开门一路延时单元的延时大于 关门一路的延时单元的延时，这样被延时的开门信号将与关门信号重合。在每个 延时单元差分对死。和死，。处设置重合检测电路，这样重合信息将由重合检测电 路( d e t e c t o r ) 得到，所有重合检测电路的状态送入译码器，通过译码器就可以得 到被测时间间隔。延迟线末端匹配电阻是为了防止信号在延迟线中反射传播。对 时间量的测量就转换成为对长度量的测量，对被测时间间隔测量的分辨率就取决 于作为两路延时单元的长度差。当延时单元的长度差设置在毫米级或亚毫米级， 分辨率就能够达到十皮秒级至皮秒级。 i l l 。8 i i i ；i ：! i i i i ： 一7 一、 m 鲤也甄d 曼叵二卜一一 图3 5基于时空关系的时间数字转换器原理图 开1 信号 - 一l 关门信号 j _ 一 图3 6时一空关系时间间隔测量波形图 下面，我们从工作波形图进一步了解基于时一空关系插值器的工作原理。如 熊 鹾 - 飞 第三章基于对一空关系的时同间隔测量原理 图3 6 所示。假设开门一路延时单元的延时大于关门一路的延时，延时差为h ，被 测时间间隔为互。开门窄脉冲信号经过n 个的延迟后，最后与关门窄脉冲重合。 通过对重合信号检测点的取样，就可以知道此时开门脉冲经过了几级延时单元。 然后根据延迟导线线段的个数计算出待测的时间间隔，就可以计算出被测时间间 隔： 互= t t r o ( 3 3 0 ) 在设计时一空关系插值器时，要根据传输的速度、被测时间间隔的范围、 测量要求达到的分辨率来确定的。 基于时一空关系的时间间隔测量方法，由于它的延时单元是无源的，所以具 有噪声小，功耗低的优点。但是这也带来了它的一个缺点，驱动器的负载重，并 且每个延时单元后面需要加一个重合检测电路，这就意味着分辨率越高，负载越 重。我们这里采用了插入缓冲器的方法扩大了量程范围。每隔一定数量的延时单 元，在开门一路和关门路分别插入相同的缓冲器，对衰减的信号进行限幅放大， 使其能够驱动后级的延时单元。 ( - - ) 分辨率与测量范围的矛盾 从上面的分析，我们已经看到，基于时一空关系的时间间隔测量系统存在一 对矛盾，就是分辨率越高，负载越重，则测量范围就越窄，这是基于时一空关系 的时间间隔测量的不可避免的一对矛盾。这样就要求我们采用其他的技术来扩大 测量范围。 我们采用了三种方法来扩大测量范围：插入缓冲器的方法，有源延时线的方4 法和计数器插值的方法。 首先，我们采用了插入缓冲器的方法来扩大测量范围。信号在传输线中传播， 由于传输线存在电阻损耗和介质损耗，信号在传输线中衰减。重合检测电路的引 入，在每个延时单元的后面，都需要设置重合检测电路，这就进一步使得电路的 负载很重，且分辨率越高，需要的重合检测电路就越多，最后致使电路无法正常 工作。为了使其继续正常工作，我们在两路延时线电路中插入相同的缓冲器，这 样信号在缓冲器的作用下得到放大，增强了驱动能力，扩大了测量范围。这种方 法在我们的原型机的制作中得到应用，在第四章中还要详细叙述。 但是我们不可能无限制的加入缓冲器，因为缓冲器的引入，也带来了噪声。 并且缓冲器在放大信号的同时，也放大了噪声。这样，由于缓冲器是串接的，噪 声也就逐级增大，开门信号和关门信号的沿抖动也增大，致使重合检测变得不可 靠。一般来说，加入缓冲器的方法只能是测量范围扩展至纳秒级。 基于时一空关系的时间间隔测量 特猫时州 n 碍隅 搏f n 罄士靖酥i l - 缸 - 。 一 l = 靠 p l 贯一t ，_ i ! ll i lili | illlli | li 3 图3 7 时间间隔测量系统插值原理图 一般来说，使用计数器插值的方法来扩大测量范围，如图3 7 所示，首先将被 测的时间间隔t 分解为三部分：与时钟同步部分霸，开门不同步部分她和关门不 同步部分a f 2 。时钟同步部分使用计数器进行测量，后两部分使用基于时一空关系 的时间一数字转换器和有源延时线结合的方法来测量。这种方法可以把测量范围 从十纳秒级扩大到毫秒级，甚至扩大到秒级。但是计数器的分辨率一般只能达到 百纳秒级，当我们的基于时一空关系时间间隔插值器的分辨率达到皮秒级之后， 即使采用插入缓冲器的方法，它的测量范围一般也只能扩大到纳秒级或纳秒级以 下。这样我们就需要结合现有的有源器件的延时方法来预先扩大测量范围，一般 来说是将量程范围从纳秒级扩大到十纳秒级，或百纳秒级。在我们设计的时间一 数字转换芯片中，采用延时锁相环的方法扩大测量范围，在第五章中详细叙述。 ( 三) 优点和潜力 基于时一空关系的时间间隔测量系统的优点：采用无源器件作为延时单元， 分辨率高，噪声小，功耗低，结构简单，成本低。随着微电子工艺进入深亚微米， 器件的延时的影响已经小于互连线的延时影响，互连线的延时已经上升为主要矛 盾。这样，我们利用互连线作延时单元而逻辑器件作为检测电路，可以实现精度 优于现有的差分逻辑器件延时线。 3 2 2 基于时一空关系的时间数字转换器的系统模型 基于时一空关系时间间隔测量系统的关键部分是基于时一空关系的插值器。 为了更好的分析它的性能，找出影响系统性能的因素，我们给出了插值器的各个 主要功能模块的电路模型。 ( 一) 整形电路等效 时间间隔信号广义的定义为两个事件之间的经过的时间，在我们的系统中， 体现为开门脉冲与关门脉冲之间的时间间隔，实际是体现在开门脉冲与关门脉冲 两个上升沿之间的时间间隔。于是。脉冲信号的质量，特别是其上升沿的性能， 如其上升时间，抖动成为决定测量精度的主要因素之一，这个脉冲信号是由整形 第三章基于时一空关系的时闻间隔测量原理 电路产生，于是整形电路的性能影响这测量的精度。 整形电路的主要功能是接受前级信号，根据触发电平，将信号整形为脉冲信 号，所以对后级的延时单元和重合检测电路，整形电路相当于一个脉冲源圪，内 阻为最。 ( 二) 重合检测电路等效 检测电路可以等效为负载电阻r 和电容c 的并联，而且所有的检测电路是并 联介入电路中，图3 8 给出了引入重合检测电路后，重合检测电路的模型。 吒 j _ _ 一 - _ i - _ - - _ _ - - - _ _ _ _ l _ o 图3 8 重合检测电路的等效模型 信号从左边输入的信号圪碰到电容时会分为两部分，一部分反射回去，另 一部分诈继续向前传播。由于我们重合检测电路的输入电阻r 一般都很大，且延 时主要是受到输入电容c 的影响，于是可以先忽略电阻r 的影响。 根据反射的概念，电容负载处的反射系数 ) 为： ( 脚) - 毒袅 c s 其中z o 是传输线的特性阻抗。通过容性负载向前的传播的信号乙 ) 为： 乏( ) 。1 + ( ) 。雨南( 3 - 3 2 ) 从式( 3 - 3 2 ) n - - i d a 看出，这是一个时间常数为c ( z o 2 ) 的低通滤波器，这个阶 跃响应的1 0 9 0 上升时间为 t c - 2 2 c z z 。 ( 3 - 3 3 ) 容性负载使得上升时间变长，也就是说重合检测电路使得脉冲信号的上升时 间变长。如果输入信号的上升时间为，综合考虑电容上升时间，便可以算出输入 信号通过这个重合检测电路后，输出信号的上升时间f t ： 一f ；+ ( 3 - 3 4 ) 基于时一空关系的时间间隔测量 图3 9 系统电路等效模型 ( 三) 系统模型和延时单元等效延时计算 综合整形电路和重合检测电路的影响，我们的系统可以等效为等间隔的容性 负载。加上重合检测电路后，系统中的传输线可以等效为接上了大小相等，等间 距的电容，系统模型如图3 9 所示。 等间隔的容性负载对传输线的影响体现在两个方面：第一，有效特性阻抗减 小；第二，传输线的传播延时增大。构造一个新的传输线模型，单位长度具有的 电感和阻抗与原传输线相同，但有一个新的电容，总负载电容除以总长度，得到 单位长度的负载电容，于是新模型“”的单位等效电容c ： m i e c 一+ 等 ( 3 3 5 ) n 其中，c 0 是原传输线的单位电容，巴是负载电容，是负载总数，日是传 输线的长度。 利用这个新模型，其等效传输线阻抗磊： z o 一 ( 3 - 3 6 ) 其中l 是原传输线的单位长度的电感。 下面，我们再来计算系统模型总的有效传播延时： t - 厨一l ( n c l c 3 - s 7 ， 对总延时取平均，我们就可以得到每个延时单元的延时为： 岛= 专 ( 3 3 8 ) 第三章基于时一空关系的时闻闻隔测量原理 3 3 1 系统误差分析 3 3 系统误差分析及软件修正技术 在第2 1 节中，我们介绍了时间间隔测量系统中存在的主要误差类型，下面我 们将详细介绍基于时一空关系的时间间隔测量系统中误差。 首先，我们定义均方根标准方差口梳为： r ：? 。 o k - + + + ( 3 3 9 ) 其中，珥表示系统中的任何一项误差。 均方根误差是体现时间间隔测量系统的性能的一个综合指标，集中反映了系 统的综合性能。 s t a r t c a ) 图3 1 0 重合检测的误差分析 ( a ) 理