基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现_图文

1、西安电子科技大学硕士学位论文基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现姓名：周增建申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：周渭20100101摘要摘要时间间隔测量在导航定位、航空航天、通讯、电子仪器、天文、计量、电子技术等众多领域有着广泛的应用。随着这些领域技术的发展，对时间间隔测量的精度提出了更高的要求。本文基于脉冲计数法的基础上提出了等效脉冲计数法，等效脉冲计数法的原理是通过锁相环对原始计数时钟信号进行倍频和移相后获得路具有固定相移的计数时钟信号，然后用这路计数时钟对闸门信号进行计数，相加后得到被测时间间隔闸门信号。然而，在等效脉冲计数法中，为了获得这路具有固定相移的信号，

2、往往需要几个锁相环才能完成。因此，为了减少锁相环的个数，针对的内部结构对该方法进行了改进，提出了改进等效脉冲计数法。改进等效脉冲计数法的原理通过对时间间隔闸门信号进行延时，得到个延时依次相差的闸门信号，然后利用锁相环对原始计数时钟信号进行倍频，对各个闸门信号进行计数，最后相加得到被测信号的时间间隔闸门信号。本文详细的介绍了等效脉冲计数法和改进等效脉冲计数法的软件以及硬件实现。软件实现主要通过硬件描述语言编程实现；硬件实现主要包括及其外围电路和单片机及其外围电路的设计。最后通过实验证明，基于的改进等效脉冲计数法相对于等效脉冲计数法具有一定的优势，而且改进等效脉冲计数法的时间间隔测量系统的分辨率可

3、达到，测量时间范围达到。利用作为核心芯片对系统进行设计，达到了简化电路设计、提高系统稳定性和可靠性的目的，随着微电子技术的发展本文的设计方案还有提升的空间。关键词：现场可编程门阵列时间间隔测量系统延时计数器，：，：，：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

4、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：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撰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）本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：迹导师签名：固至浑日期望塑！：！：！日期挫

5、：。！第一章绪论第一章绪论在所有的物理量中，时间和频率量具有最高的精度。无论是在导航定位、航空航天、通讯、电子仪器、天文、还是计量、电子技术等众多领域都涉及到大量的频率和时间信号的测量和应用问题。随着这些领域的技术发展，对频率和时间测量精度也提出了更高的要求。同时，从时间和空间的关系出发，大量空间量的测量和定位问题也会被转换为时间进行测量和处理，所以时间间隔测量研究是既具有国际高层次技术水平发展的深度又有广泛市场的重要研究方向。时间的基本定义时间是一个基本的物理量，它的单位是秒（）。在单位时间内周期运动重复的次数称为频率，它的单位是赫兹（）。在中秒是基本单位，赫兹是导出单位。时间的量纲【】和频

6、率的量纲是倒数关系。历史上都是通过天文观测和计算的方法获得准确的秒。随着科技的进步，时间单位秒的确定也经过了世界时、历书时和原子时的过程。根据地球自转所形成的昼夜变化，通过天文观测可以定出的太阳日被称为视太阳日。将每太阳日均分为等分，可以得到时间单位秒。世界时秒定义为：秒等于平太阳日的分之一。只有时间单位和计时系统（如钟）还不能完全决定时间，即只能得到时间间隔，而不能得到时刻。也就是说，还需要一个起点。为了统一全世界的时间，经年国际子午线会议决定，以通过英国格林威治天文台的经线作为计算全球经度的起点（），每隔定一条标准经线，在其两侧各的地区（时区）内均采用标准经线处的地方时，称为该时区的标准时

7、（或区时）。这样，全球一共分成个时区。相邻时区的标准时相差小时。世界各地的标准时，都归算到零时区的标准时（格林威治平太阳时），称为世界时。时刻的起点为年月日零时。年第十一届国际计量大会决定采纳基于地球公转周期的历书时秒定义：“秒为年月日历书时时起算的回归年的。”历书时虽然在理论上是一种均匀时标，但是观测比较困难，而且需要长年累月地进行。利用对太阳和月亮的综合观测三年的资料才能得到母的精度。年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：“秒是与铯原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的，个周期的持续时间”。原子时的时刻起点为年月日零时。国际原子时从年开始发播，作为统一全世界时标的基础。原子频标

8、的建立使人们摆脱了以地球自转为基础的世界时，获得了高度准确基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现的时间频率。但是这对于那些与地球自转角位置密切相关的、适应于不均匀的世界时的工作，比如船舶定位、大地测量等来说，则有些不便。也就是出现了准确的时间间隔和不均匀的时刻之间的矛盾。为了解决这个问题，提出了以“闰秒”作为协调的办法。当世界时由于地球自转速度的变化而与国际原子时不一致时，则在适当的时刻增加一秒（闰秒）或减少一秒（负闰秒），使两者的时刻基本一致。这就是协调世界时。协调世界时的秒长与原子时一致，而时刻则是利用闰秒协调来与世界时一致（两者的时差控制在±秒以内）。这就可以满足各方面的需要了

9、。协调世界时的起点是年月日世界时零时。从年起，世界各国的标准频率和时号发播台都正式播发协调世界时。年国际上确定把协调世界时作为国际的法定时间。截止年月底，协调世界时己比国际原子时落后了秒。实施闰秒的具体时间，一般是在当年的月日或月日的最后一分钟，由国际时间局综合世界各国天文台的观测结果来确定，并提前两个月发出公告，全球统一行动，要求时间同步到毫秒以内，频率同步到×。以内。时间间隔的重要性在日常生活中，精确到分钟的时间间隔精度【已能满足人们的普通需要了，但现代导航定位、航空航天、通讯、电子仪器等领域对时间精确度的要求越来越高。的测时误差会导致航天飞机不能安全返航，秒的测时误差会导致大海

10、中的舰船偏离航线数百米。精密时间间隔测量】是高精度超声波测距、激光脉冲测距和雷达测距的基础。在激光测距中，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，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。雷达测距、激光测距和超声波测距在航天、航空、军事、冶金等方面都有着广泛应用。在航空航天领域中，飞行器通过测量波束往返所需的时间间隔来进行高度标定和导航等，高精度的时间间隔测量，可以保障飞行器能够安全飞行；军事上对打击目标的精确测距是精确打击的基础，提高时间间隔测量的分辨率，就意味着有效提高制导、引爆的精确度。在电子测量领域【】中，有许多高精度的测试仪器，如示波器、信号发生器、逻辑分析仪和半导

11、体器件测试，其核心部分就是时间间隔测试装置。例如半导体器件测试仪，其主要测试功能就是半导体的延时特性的测试，使得时间间隔测量装置达到要求。电力系统频率稳定性是最近几年来来受到电力工程界广泛关注的课题。失去频率稳定性，会发生电压崩溃。如果能够精确、快速地测量时间间隔，就能够实时地测量出瞬时频率，为电力系统频率稳定性的控制提供及时正确的依据。第一章绪论时间间隔的测量方法传统的时间间隔测量方法包括：脉冲计数法、模拟内插法、时间幅度转换法、长度游标法、量化时延法等。脉冲计数法脉冲计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。脉冲计数法的测量原理是利用计数时钟去填充被测时间间隔，通过对时钟信号的计数来量化被测

12、时间间隔。具体工作原理如图所示。厂起始信号终止信号厂一时间间隔卜一瓦一厂厂厂厂厂厂图脉冲计数法的测量原理波形图图中，用时钟信号驱动计数器对被测信号进行计数。设时钟频率为五，周期为，计数器的值为，则被测信号的时间间隔为；式（一）这种方法的原理比较简单，但要实现的分辨率，其计数频率要达到，信号达到微波段。这样的信号不仅难以产生，准确性也难以保证，而且由于分布参数效应，在普通电路中不易实现。因此，目前该方法只能达到级的精度，当然，这种方法的优点是容易实现。基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现模拟内插法时间间堕妊二二二二二二二二二二！；二二二二二二二二二二二刊卜一磊一：一恤一卜内插哩塑广几：互盟互计

13、数：出凹图内插法原理波形图如图所示，输入信号的时间间隔为互，在测量互时，计数器将在对正时间内通过闸门的钟脉冲计数。由于输入信号与时钟信号之间存在相位差，因此，计数器测量的时间为瓦而不是，这将会产生±个时钟周期的误差。互一互式（）内插法就在于测定互和疋这两个短时间间隔，以降低±个时钟周期的误差。设法将输入信号起始的触发脉冲与第一个计数脉冲之间的时间间隔扩展倍，得到。，然后在正×的时间间隔通过钟脉冲计数。同理，对疋也扩展倍计数。由于将短的时间扩展了倍，因此用钟脉冲计数测量时的分辨率由提高到。这样只要测出、互和疋的时间，就可以算出正。将正杂矗。，瓦若岳。代入式（）得到：

14、念一旦卜（盖一羔）川。瑚一）×式（）中，。为计数时钟的周期，为对扩展倍后的计数值，为对扩展倍后的计数值。由该式可知，应用内插法以后，设备的测时分辨率提高了倍，这样±误差降低到原来的。考虑到瓦和疋都有误差，因此总的误差降低到原来的。第一章绪论时间幅度转换法这种方法的思想是利用恒定的电流对电容进行充电，将时间转换为电压。然后采用高速的进行转换，对该电压数字化。转换完成后，电容再迅速放电，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，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，使采样保持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

15、数转换，记录下此刻的电压值，设定斜坡发生器在一个时钟周期时间内电压的变化量为圪。，假设模数转换器的位数为，则满幅时所对应的电压也为圪。，在量化误差时间间隔内的输出为，则对应的时间正的值应该为：互等兀式（）该方法存在的误差来源主要包括在以下两个方面：第一，的转换误差导致电压测量值存在误差；第二，线性斜坡电压发生器的非线性误差导致的测量误差。该方法的优点是能够实现很高的测量分辨率，转换时间短，等于转换的时间。缺点是转换的非线性误差比较大，而且制作工艺较复杂。长度游标法长度游标法由于它的工作原理类似于游标卡尺而得名。理论上长度游标法能够同时实现高分辨率和大量程测量，但是由于设计上的困难，其分辨率往往

16、只能在较短的时间内保持。因此，长度游标法通常结合插值法来测量，与模拟内插法和时间幅度转换法类似，先利用直接计数器进行粗测，然后再采用游标法进行高分辨率测量。长度游标法的测量原理是依靠两个可启动振荡器来实现的，利用时间间隔的开始时刻开启一个周期为互的振荡器，用结束时刻开启另一个周期为疋的振荡器，而且正稍大于乃。然后对这两个振荡器分别计数，直到这两个振荡器输出的频率信号相位重合。则周期为正的振荡器计数表示的时间和周期为疋的振荡器计数表示的时间之差就是被测的时间间隔信号。游标法测量的高分辨率是由两个可启动振荡器的高稳定度与高可靠性保证的，在比较长的时间间隔测量中，这种方法比较难以实现。另外高精度的重

17、合检测电路也显得非常重要。量化时延法利用器件本身的延时特性，使事件信号通过这一系列的延时单元，依靠延时单元的延时稳定性，并在计算机的控制下对延时单元的状态进行高速采集和数据处理，从而实现对短时间间隔的精确测量。其测量原理波形如图所示。基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现开始信号结束信号图量化法的测量原理波形图图中，在结束信号到来时刻，延时状态被采样并保存。根据开始信号所通过的延时单元数目，就能够得到待测的时间间隔。疋式（）式（）中正为被测时间间隔，为其所通过的延时单元个数，为单个延时单元的延迟时间。在这种方法中存在±一个延时单元的延迟时间的误差。国内外研究现状在很多大型物理实验中，

18、时间间隔测量作为一种重要的鉴别和探测手段，对测量的精度要求非常严格。如何提高时间测量的精度成为物理学家孜孜以求的目标。比较典型的时间间隔测量仪器有、等，其中具有的时间分辨率，测量精度，具有的单次测量时间分辨率。在国内的论文【谓中，典型的有中国科学院高能物理研究所在北京正负电子对撞机和北京谱仪中应用了西欧粒子物理研究中心（）研制的高精度时间间隔测量芯片，用于测量核心探测器主漂移室中对撞时刻和电离电子到达阳极丝时刻之间的时间间隔，这是亚领域内精确的时间测量。该芯片有个通道，种可选的精度模式，当其工作在低分辨精度模式时，时间分辨率约为；当其工作在中分辨精度模式时，时间分辨率约为；当其工作在高分辨精度

19、模式第一章绪论时，时间分辨率约为；当其工作在甚高分辨精度模式时，时间分辨率约为。不论从时间分辨还是多通道功能上，该芯片都是目前同类产品中的佼佼者。德国公司研发的高精度时间间隔测量芯片，可提供两通道或单通道分辨率的时间间隔测量，小量程测量范围为，可用个通道，大量程测量范围为。用实现时间间隔测量，在国外论文【】中，比较典型的包括两个设计：一个是，等人的研究。他们采用的是公司的系列。该是基于微米的工艺，采用逆熔丝结构。在的内部，构建差分延迟线（），得到分辨率为的系统。另一个例子是和等人，采用公司的系列实现的。该是五层金属微米工艺，采用基于的结构。该系统采用抽头延迟线法（），取得的分辨率。论文的工作以

20、及安排一、主要工作本文基于脉冲计数法的基础上提出了等效脉冲计数法，等效脉冲计数法的原理是通过锁相环对原始计数时钟信号进行倍频和移相后获得路具有固定相移的计数时钟信号，然后用这路计数时钟对闸门信号进行计数，相加后得到被测时间间隔闸门信号。然而，在等效脉冲计数法中，为了获得这路具有固定相移的信号，往往需要几个锁相环才能完成。因此，为了减少锁相环的个数，针对的内部结构对该方法进行了改进，提出了改进等效脉冲计数法。改进等效脉冲计数法的原理通过对时间间隔闸门信号进行延时，得到个延时依次相差的闸门信号，然后利用锁相环对原始计数时钟信号进行倍频，对各个闸门信号进行计数，最后相加得到被测信号的时间间隔闸门信号

21、。改进等效脉冲计数法和等效脉冲计数法的主要区别在于：改进等效脉冲计数法是通过对闸门信号进行相移，而等效脉冲计数法是通过对锁相环倍频后的信号进行相移。因此，改进等效脉冲计数法只需要一个锁相环就能实现短时间间隔测量，而等效脉冲计数法需要几个锁相环。本文详细的介绍了等效脉冲计数法和改进等效脉冲计数法的软件以及硬件实现。软件实现主要通过硬件描述语言编程实现；硬件实现主要包括及其外围电路和单片机及其外围电路的设计。最后通过实验证明，基于的改进等效脉冲计数法相对于等效脉冲计数法具有一定的优势，而且改进等效脉冲基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现计数法的时间间隔测量系统的分辨率可达到，测量时间范围达到。二

22、、内容安排第一章：主要介绍了时间间隔测量的必要性，同时对传统的各种时间间隔测量方法进行介绍。第二章：主要描述了短时间间隔测量系统的总体设计方案。第三章：主要描述了短时间间隔测量系统的软件设计及实现。第四章：主要描述了短时间间隔测量系统的硬件设计与实现。第五章：对测量系统的实验结果进行分析。第六章：总结以及后续工作的展望。小结本章主要描述了短时间间隔的重要性及其传统的各种测量方法，然后对本论文的主要研究工作以及本文的内容安排进行了阐述。下一章主要描述了短时间间隔测量系统的总体设计方案。第二章系统的总体设计方案第二章系统的总体设计方案可编程逻辑器件的简述近年来，随着技术的迅猛发展引，在某些方面，已

23、经完全可以取代。为了获得更短的开发时间，牺牲一部分性能。它所特有的可重构性不仅增加了系统的适应性、灵活性，同时也大大减小了系统的规模，非常具有研究和开发的潜力。在当今这个数字化的时代，数字集成电路在不断地进行自我更新。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路（，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（）芯片，而且希望的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（），其中应

24、用最广泛的当属现场可编程门阵列（）和复杂可编程逻辑器件（）。的发展早期的可编程逻辑器件主要包括可编程只读存贮器（）、紫外线可擦除只读存贮器（）和电可擦除只读存贮器（的）三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。随后，出现了一种结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（），它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了开发成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计带来了革命性的变化。器件的雏形在是世纪年代中期出现的可编程逻辑阵列（），由可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列的规模相对比较小，编程也比较琐碎。后来出现了可编程阵列逻辑（），是由可编程的与阵列和固定的或阵列构成，并采用熔

25、丝编程方式，而且它的设计比较灵活，器件速度快，因而成为第一个得到普遍应用的器件。世纪年代初，美国公司发明了通用阵列逻辑（）。器件采用了工艺，具有可擦除、可编程、可长期保持数据的优点，使用非常灵活，因此得到了更为广泛的应用。之后，器件进入了一个快速发展的时期，不断地向着高速度、大规模、基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现低功耗的方向发展。世纪年代，公司推出了一种新型的可编程的逻辑器件（），它采用和工艺制成，设计更加灵活，集成度也更高，但它的内部连线功能稍微弱了一些。年，美国公司推出了一种采用单元型结构的新型现场可编程门阵列（）。它采用、工艺制作，在结构上和阵列型有所不同，它的内部由许多相互独立

26、的可编程逻辑单元组成，各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有速度快、密度高、编程灵活、可重新配置等优点，当今，成为当前主流的器件之一。（），即复杂可编程逻辑器件，是由改进而来，采用工艺制作而成，与相比，对逻辑宏单元和单元也有重大的改进，同时增加了内部连线，使得它的性能更好、使用更方便。尤其是在公司发明了在系统编程（）技术之后，相继出现了一系列具备功能的器件，是当今另一主流的器件。的基本结构】是在的基础上发展起来的，一种新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用工艺，也有一些采用工艺或反熔线（）工艺等。的基本组成部分主要有基本可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、丰富的布线资源、嵌入式块、底层嵌入功能单

27、元和内嵌专用硬核【等。各部分简介如下：基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以通过改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。的基本可编程逻辑单元由查找表（，）和寄存器（）组成的。的查找表一般为输入，查找表主要完成纯组合逻辑的功能。内部寄存器非常灵活，既可以通过配置作为带同步异步复位和置位、时钟使能的触发器（，），也可以通过配置成为锁存器（）。通常是依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般的基本可编程单元的配置是由一个寄存器和一个查找表组成，但是不同厂商的寄存器和查找表的结构存在有一定的差别，而且寄存器和查找表的组合模式也有所不同。大多数的每一个逻辑单元（，）基本上是由一个和一个

28、组成，并由个组合，构成具有更大功能的单元一逻辑陈列块（，），中除了外，还包含间的进位链、控制信号、级联链、局部互联线资源、寄存器级联链等连线与控制资源。第二章系统的总体设计方案器件选型和规模估算是学习底层配置单元的和比率的一个重要意义。这是由于内部除了基本可编程逻辑单元外，还有包含有嵌入式的、或者是，专用的等，这些模块也能等效出一定规模的系统门，因此简单科学的方法是用器件的或数量来衡量。可编程输入输出单元输入输出（）单元简称口，它是芯片与外界电路的接口，主要完成不同电气下对输入输出信号的驱动与匹配。为了能够使得有更灵活的应用，目前大部分的单元都被设计成可编程模式，通过软件配置，可以灵活适应不同

29、电气标准与物理特性；可以调整输出驱动电流的大小；可以调整匹配阻抗特性等。一般来说，常见的电器标准有、和等。随着工艺的飞速发展，可编程单元支持的频率越来越高，有的甚至可以支持高达的数据速率。丰富的布线资源布线资源与内部所有单元相连接，连线的长度和工艺决定信号在连线上的传输速度和驱动能力。布线资源的划分，一些用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线称为全局性的专用布线资源；用以完成基本逻辑单元间的逻辑互连与布线称为短线资源；用以完成器件间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号（也可以称为信号）的布线称为长线资源；另外，在逻辑单元内部还有各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。在实现的过程中，

30、一设计者不需要直接选择布线资源，而由布局布线器根据输入逻辑网表的约束条件和拓扑结构自动选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，因此设计者通常都忽略布线资源。其实布线资源的优化与使用与实现结果有着直接的关系。嵌入式块目前基本上都有内嵌模块（）。内部嵌入了可编程模块，拓展了的应用范围以及使用灵活性。内嵌模块可以通过灵活配置为单端口（，）、伪双端口（）、双端口（，）、（）、（）等常用的存储结构。中没有专用的硬件资源，实现是通过对赋予初值，并保持该初值。所谓，是指内容地址存储器。写入的数据会跟其内部存储的每一个数据进行比较，最后返回与端口数据相同的地址。而是一种根据地址读写数据的存储单元；与相反，它

31、返回的是与数据相匹配的地址。是“先进先出队列式存储结构。实现、等存储结构都是基基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现于嵌入式块单元，并根据需求生成相应的粘合逻辑（）完成地址和片选等逻辑。除了块，和的还可以灵活地将配置成、等存储结构。底层嵌入功能单元底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里主要指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，如（）、（）、等。随着的发展，这些模块越来越多地被嵌入到中，来满足不同场合需求。目前大多数的内部都集成了或者硬件电路，用以完成时钟的高精度、低抖动的分频、倍频、占空比调整、移相等功能。目前，高端的产品所集成的和功能越来越复杂，精度越来越高（一般在的数量级）。芯片集成的是，

32、芯片集成的是，新型的同时集成了与以适应不同的需求。芯片的模块分为快速（）和增强型（）等。现在的高端产品将包含或等软处理核，从而将由传统的硬件设计逐步过渡为系统级设计平台。内嵌专用硬核内嵌专用硬核与“底层嵌入单元是有区别的，这里的硬核主要是指那些通用性相对比较弱，并不是所有器件都包含硬核（）。通常称和为通用逻辑器件，是用以区分于专用集成电路（）。其实有两个阵营：一方面是通用性较强的，价格适中的，目标市场范围很广；另一方面是针对性较强，价格较高的，目标市场明确。前者主要是指低成本，后者主要是指高端通信市场的可编程逻辑器件。例如，的对应器件族是和；的器件族内部集成了以（串并收发单元）；器件的专用的比

33、重更大，有两类器件族支持功能，分别是系列和现场可编程系统芯片（，）。等效脉冲计数法的测量原理在绪论中介绍的几种传统时间间隔测量的方法中，脉冲计数法的实现比较简单，但是存在±个字的误差，随着计数时钟频率的提高，这个误差会减少，然而，如果单纯的只是增加计数时钟的频率，要实现的分辨率，则计数时钟至少达到以上的频率，这在实际的电路中会很难保证电路的稳定性。因此，本文在脉冲计数法的基础上，提出了等效脉冲计数法的时间间隔测量方法。第二章系统的总体设计方案等效脉冲计数法的测量原理本文提出的等效脉冲计数法的测量原理是基于数字移相技术。所谓移相是指对于两路同频信号，以其中一路为参考信号，另一路相对于该

34、参考信号做超前或滞后的移动形成相位差。等效脉冲计数法的原理框图如图所示，其测量原理波形图如图所示。原时时闸门图等效脉冲计数法的原理框图起始信号：灿错厂闸篙罂！二二二二二习闸门信号一叫似。厂厂厂厂厂厂厂厂上上上厂厂厂厂咄厂厂厂：厂电七：等效时钟们门门门门门门门门门门门们门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门，基：高分辨率短时间间隔测量的研究与实现如图、所示，时间间隔闸门信号与起始信号和终止信号信号同步，通过锁相环对原始输入时钟信号倍频和移相后得到、，个时钟信号，频率相同，相位依次相差，用这四路时钟信号的上升沿驱动四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数，同时利用这四路时钟信号的下降沿驱动另

35、四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数。设倍频和相移后计数时钟频率为正，周期为，时钟信号的个数为，各个计数器的计数值分别为，则被测的时间间隔为：工去善聊心丢如）×疋式（）式（）中，令：÷×疋，则：瓦，×疋式（）式（）中，。为等效脉冲计数法的等效计数时钟周期，宦的倒数正为等效计数时钟频率。从以上的分析可以看出，原始计数时钟周期为瓦，频率为，通过相移后得到的计数时钟的个数为，则其等效计数时钟周期为÷×，等效计数时钟频率为蜕。等效脉冲计数法的各个时钟之间是有相关性的，虽然是将次计数结果相加后平均，但其量化误差不同于计数平均法；而计数平均

36、法的丹次计数过程没有相关性，总闸门时间误差会随着计数次数的增加而增加。”等效脉冲计数法的量化误差分析下面通过对脉冲计数法和等效脉冲计数法的量化误差进行分析，并说明等效脉冲计数法能够减小量化误差。脉冲计数法的量化误差分析第二章系统的总体设计方案起始信号终止信号，厂终止信号，！一时间间隔卜一二飞厂厂厂厂厂；、厂叫卜一卜卜一叫图脉冲计数法的时间间隔测量原理波形如图，在脉冲计数法的时间间隔测量原理中，计数时钟频率为正，周期为，在时间闸门上的计数值为，则短时间间隔的计算公式为：×式（）由于对疋的实际计数时间是不是，因此产生量化误差为：一，式（）式（）中，。和：是在，疋】上服从均匀分布的随机变量

37、，由此可得测量误差为：一乏瓦式（）式（）中忽略了由短时间间隔产生计数闸门时的触发误差和计数时钟频率的时基误差，这是由于触发误差和时基与量化误差相比是微小误差。由式（）可知脉冲填充法的测量分辨率为疋，测量误差为瓦，其精度同样取决于计数时钟的频率以。等效脉冲计数法的量化误差分析等效脉冲计数法的短时间间隔测量方法是在脉冲计数法的基础上提出的，所以在脉冲计数法的基础上讨论该方法的量化误差分析。由式（）和式（）可得等效脉冲计数法的测量误差公式为：竹私智式（）式（）中，为移相后计数时钟的个数，正为第个延迟参考频率的量化误差。因此等效脉冲计数法的测量误差为：基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现兰疋土。式（

38、）比较式（）和式（），在计数时钟频率相同的情况下，等效脉冲计数法的测量误差和测量分辨率都为脉冲计数法的÷，这是由于传统的脉冲计数法只用上升沿进行计数，而等效脉冲计数法既用上升沿也用下降沿进行计数，因此，当进行次相移以后，得到的分辨率就是传统脉冲计数法的÷。其测量结果相当于脉冲填充法在其他条件不变的情况下将计数频率值提高刀倍的测量结果。等效脉冲计数法虽然将次测量的计数值进行平均，但并不等同于一般的计数平均法。计数平均法连续或随机取个计数值后进行平均，但是计算得到的短时间间隔值不会有任何测量精度上的提高。因为这次计数过程没有任何相关性，次测量的总时间间隔误差会随着测量次数的增加

39、而增加，不会改善测量误差和测量分辨率。若需进一步提高这种方法的测量分辨率，可以通过以下两个方面进行改进：第一：提高晶振频率，寻求速度更快的芯片，晶振频率越高，测量误差越小。第二：增加的锁相环个数，继续对输入时钟进行移相，把每路时钟相移设置成，用他们驱动个计数器，从而将测量精度又能够提高一半。然而，在一般的中，一个锁相环只能够实现两路倍频和相移，在等效脉冲计数法中，而为了获得路具有相对相移的时钟信号，往往需要几个锁相环对原始输入时钟信号进行倍频和相移，这导致所需要选用的更加高级，则所设计的短时间间隔测量仪器价格将变得昂贵。等效脉冲计数法改进方法的探讨从节的分析中，要增加等效脉冲计数法的测量分辨率

40、，要么增加晶振频率，要么增加锁相环的个数。但是，在实际的电路中，如果晶振频率的增加，则会导致芯片的速度跟不上。如果要增加锁相环的个数，则需要选用更加高级的芯片，这会增加成本。为了能够在保证成本的基础上，又能提高时间间隔的测量分辨率，本文对等效脉冲计数法的一些改进方法进行探讨。第一种等效脉冲计数法的改进从节的分析中得出，在实现等效脉冲计数法中可以通过增加锁相环的个数提高测量分辨率，但是增加锁相环则需要选用更加高级的芯片。为了减少第二章系统的总体设计方案锁相环的个数，本文设计了利用器件延时来代替锁相环的实现相移，其原理框图如图所示。原始输入时钟时间间隔闸图第一种改进等效脉冲计数法的原理框图图中，先

41、通过锁相环对原始输入时钟信号进行倍频，然后利用器件延时对倍频后得到的时钟信号进行延时，对倍频后的时钟信号进行次器件延时之后得到时钟信号，相位依次相差，用这四路时钟信号的上升沿驱动四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数，同时利用这四路时钟信号的下降沿驱动另四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数，最后进行数据处理，得到被测时间间隔闸门的值。同理，其被测信号的时间间隔闸门信号的值为：去聊×疋言（脚聊肌聊朋聊）×厶（，”）×疋式（）式（）中，为各个计数器的计数值，。为倍频后得到的时钟信号的周期，为时钟信号的个数，。为等效时钟周期。在这种等效脉冲计数法的改进中，只需

42、要一个锁相环对原始输入信号进行倍频，然后通过器件延时实现相移功能，能够减少锁相环个数。在延时的分析中发现，虽然每个器件的延时时间是固定的，但是，经过大量的布局布线的实验，很难使得时钟信号到达与其所连接的计数器的延时相等。因此，这种改进在中难以实现。基于高分辨率短时间间隔测量的研究与实现第二种等效脉冲计数法的改进本文的第二种改进方法是利用内部的导线延时，也就是通过对各个计数器进行布局，利用锁相环的输出到达各个计数器的延时不同当作相移，其原理图如图所示。原始输入时钟时间间隔闸图第二种改进等效计数法的原理框图图中，先通过锁相环对原始时钟信号进行倍频，然后利用导线延时对倍频后得到的时钟信号进行延时，对倍频后的时钟信号进行次导线延时之后得到时钟信号，频率相同，相位依次相差（延时为时钟信号的相差），用这四路时钟信号的上升沿驱动四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数，同时利用这四路时钟信号的下降沿驱动另四个相同的计数器对时间间隔闸门信号进行计数，最后进行数据处理，得到被测时间间隔闸门的值。同理，其被测信号的时间间隔的值为：瓦去孙×疋式（）式（）中，为各个计数器的计数值，为时钟信号的个数，为倍频后得到的时钟信号的周期。在这种等效脉冲计数法的改进中，只需要一个锁相环对原始输入信