基于FPGA的时间间隔测量仪的设计

1、中北大学2008届毕业设计说明书 第II页 共II页清华大学2008届毕业设计说明书毕业设计说说明书基于FPGGA的时时间间隔隔测量仪仪的设计计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年年 6 月摘 要随着科技的的飞速发发展，人人们对高高精度的的时间频频率的需需求越来来越高，传传统可驯驯钟系统统 (自动动校频系系统)是模拟拟或半数数字体制制，其时时差测量量单元采采用高精精度时间间间隔计计数器，存存 在成本本高、调调试困难难和不易易建立模模型等缺缺点。微微电子技技术的发发展，推推动了可可编程逻逻辑技 术的发发展，出出现了价价格低廉廉、适合合工程应应用的现现场可编编程逻辑辑器件

2、(FPGGA)，因因此采用用 FPPGA 实现高高精度时时间间隔隔测量具具有很大大的现实实意义。本文详细分分析了几几种传统统时间间间隔测量量方法，深深入研究究了延迟迟单元在在 FPPGA 中的实实 现方法法，并对对事件延延迟内插插法、时时钟延迟迟内插法法、以及及差分延延迟内插插法三种种时间内内插法 的仿真真验证，结结果表明明，基于于差分延延迟线测测量的分分辨率最最高，消消耗硬件件资源最最少。在在此基础础之上，在在 Allterra公司司CycclonneIII系列的的EP2CC8Q2008C88N芯片片中实现现分辨率率为433ps的的差分延延迟链，采采用粗细细结合测测量的方方案，设设计了一一个

3、集成成在 FFPGAA 内的的高精度度时间间间隔 测量模模块。设设计主要要包括四四个部分分：系统统时钟模模块、粗粗测量单单元、细细测量单单元、数数据处理理与数据据传输模模块，并并在QuuarttusIII开发发环境下下通过VVeriiloggHDLL语言对对模块进进行软件件实现。基于FPGGA的时时间间隔隔测量的的精度达达到2000pss，具有有高精度度、集成成度高、易易于移植植的特点点，是一一种较优优的设计计方案，有有着很好好的应用用前景。关 键 词词：FPPGA，时间间间隔测量量，差分延延迟内插插法，延迟线线ABSTTRACCTith thee rappid devveloopentt o

4、f sciiencce ad tecchnoologg,thhe deandd of higgh-ppreccisiion time andd frrequuenccy aree inccreaasinnglyy hiighee.Thhe ttradditiionaal Disscipplinned Cloock Sysstemm (aadapptivve ffreqquenncy callibrratiion sysstem) aadoppts aaloog oor ssei-diigittal sysstem,whiich usee hiigh preecissionn tie-iinte

5、ervaal couunteer eassuree tie parrt.BBut it exiistss shhorttcomingg suuch as:higgh ccostt,laage ipacct by enirnenttal facctorrs.Devvloppentt of icrooeleectrrniccs tecchnoologg,annd ppromotee thee devveloopentt of proograammaablee loggc tecchnoologg.Thheree hs bbeenn a loww prricee, ssuittale forr en

6、ggineeeriing apppliccatiios oof fieeld prgraamablle gatte arrray (FPPGA). So reaacingg prreciise time-innterrvall easuure bassed on FPGAhass thhe ggreaat praccticcal siggifiicannce.This papper anaalyssis thee coommoonlyy ethhodss off tiie-iinteervaal. Andd thhe eevennt ddelaay iinteerpoolattionn eth

7、hod,thee cllockk delayy innterrpollatiion andd thhe iinteerpoolattionn off thhreee diiereentiial dellay tie intterpplatiios of thee siulaatioon esuultss shoow thaat thee iereentiil dlayy linne bassed on thee higghesst ressoluutioon eassureeentss, a inmumm coonsuumpttionn of harrdwaare ressourrcess.O

8、nn thhis bassis,I dessignn to raliingg a 43pps dellay diferrencce of diereentiial dellay bassed on Cycclonne III serriess of AltteraasEP2CC8Q2008C88N cchipp.Ann inttegrrateed higgh-ppreccisiion tie inttervval eassureeentt oduule be dessignned andd ebedddedd inn FPPGA.I ddeteerinee thhe sspeccifiic m

9、eassureeentt forr tie inttervval:dessin bby cruude nd finne easurreentt.Thhe ainn odulles ar:Sysstemm cllockk oduule,coaarsee eassureeentt moddulee,annd finne eassureeentt uniits,datta pproccesssingg andd datta traansmisssionn moddulees. Finnallly usee thee eriiloggHDLL sooftwwaree to siulaate thee

10、enntirre pproggrammin thee Quuarttus99.0.Te FPGAA-baasd tie inttervval eassureeentt acccraccy of 2000ps,witth higgh acccuraac,hiih inttegrratiin,eeasyy-too-trransplaat chaaraccterristticss.Itt is a bettterr dessign,hass a goood aappllicaatioon pprosspeccts.Key wwordds : FPGGA，ie iinteervaal meassure

11、eentt，Diffferrenttiall dellay intterppolaatioon ， Dellay line第 页 共36页1 绪论论1.1 研研究背景景与意义义现代科学技技术的发发展建立立在精密密测量基基础之上上，对时时间间隔隔测量技技术，尤尤其是对对高 精度高高分辨率率的时间间间隔测测量技术术的研究究具有重重大的意意义，无无论是在在通讯、电电子仪器器、导航航定位、航航天航空空、天文文，还是是计量、电电子技术术等领域域都离不不开高精精度的时时间间隔隔测量1。时间间隔测测量以稳稳定的周周期性运运动为基基础，以以选定的的标准周周期倍数数或分数数为时间间单位进进行测量量。人类类对时间

12、间间隔的的测量经经历了圭圭表、机机械钟、石石英钟、原原子钟等等不同阶阶段。随随着社会会生产力力的迅猛猛提高和和科学技技术的飞飞速发展展，人们们对时间间由时间间的基本本单位导导出的物物理量频率率的准确确度提出出了越来来越高的的要求，即即对时间间间隔测测量分辨辨率和精精度的要要求不断断提高。高精度短时时间间隔隔测量是是由多学学科、多多技术领领域交叉叉形成的的一门专专业技术术，是高高精度超超声波测测距、激激光脉冲冲测距和和雷达测测距的基基础。在在激光测测距中，主主要是要要测量电电磁波的的发射波波与反射射波之间间时间间间隔，来来确定被被测距离离，测距距精度直直接由时时间间隔隔测量精精度决定定。现在在高

13、精度度时间间间隔测量量已成为为军事通通信、卫卫星定位位等航空空航天和和国防军军事中不不可或缺缺的关键键技术。近近年来，社社会的高高速发展展对时间间间隔测测量的精精度提出出了更高高的要求求。在可可编程逻逻辑器件件(FPPGA)单片上上实现时时间间隔隔测量已已有大量量成功的的例子，相对于传统的设计方法，应用FPGA技术除了具有测量的准确度高和设备的稳定性强等优点外，更有系统集成度高、简单灵活、体积小、易于升级扩展和成本低廉等优点，因此通过编程在 FPGA中实现高精度时间间隔测量具有深远的意义。时统设备是是时间统统一系统统的重要要组成部部分，它它向用户户提供标标准时间间频率信信号，所所以 时统设设备

14、的性性能已关关系到整整个时间间统一系系统各点点的时间间频率同同步精度度和稳定定性，同同时也 关系到到终端用用户获取取的时间间频率信信号的准准确性和和稳定。因因此，时时统对提提高时统统设备的的定 时、校校频性能能的研究究具有重重要意义义，而可可驯钟技技术是时时统设备备实现定定时校频频功能的的主要方方法之一一2。典型型的时统统设备如如图1.1所示示。图 1.11 典型型时统设设备原理理图频率标准是是时统设设备的心心脏，由由于对站站间同步步误差和和时统设设备守时时能力的的要求不不断提高高，对时时统设备备的频率率标准要要求也越越来越高高。以往往时统设设备大多多配置高高稳定石石英晶体体 频率标标准，由由

15、于受准准确度的的限制以以及需要要较长的的开机预预热过程程等问题题影响，在在高精度度求场合合，单一一的石英英晶体频频率标准准已不能能满足要要求，组组合型频频率标准准应运而而生。组组合型频频率标准准将不同同性能优优势的频频率标准准，采用用电子电电路组合合成比单单个频率率标准性性能指标标更 为优良良的频率率标准，即即可驯钟钟技术。例例如，时时统设备备曾采用用铷原子子频率标标准输出出的标准准 频率信信号锁定定高短稳稳石英晶晶体频率率标准，使使其输出出的信号号既有高高频率准准确度，又又有良好好 的短期期频率稳稳定度。组组合型频频率标准准是在现现有频率率标准无无法满足足时统设设备对标标准频率率信 号指标标

16、的全面面要求的的情况下下采用的的，它可可发挥参参加组合合不同频频率标准准在某个个或者某某些指 标方面面的优势势，如石石英晶体体频率标标准在秒秒以下的的频率稳稳定度好好、铯原原子频率率标准准准确度 高、氢氢原子频频率标准准 100s以上上的频率率稳定度度好等。近年来出现现了另一一种组合合形式，即即将频率率标准与与精密校校频接收收机相结结合，利利用接收收到的标标准时间间频率信信号校准准本地频频率标准准的频率率，使本本地频率率保持较较高的准准确度。这这种组合合 形式的的代表为为：GPPS可驯驯石英晶晶振、GGPS可可驯铷钟钟。众所所周知，石石英晶体体频率校校准由于于受 到晶体体老化等等因素的的影响，

17、输输出频率率有较大大的老化化率，重重现性也也较差。铷铷原子频频率标准准的 重现性性是原子子频率标标准中的的最差者者，同时时漂移率率也是最最大的。组组合型频频率标准准接收机机接收GGPS、GLOONASSS、我我国的北北斗、长长波等标标准时间间频率信信号，使使本地频频率标准准的频率率跟踪频频 率时间间频率信信号从而而达到减减小重现现性、同同时减少少老化或或漂移对对频率标标准的影影响33。GPS技术术是目前前使用广广泛的技技术之一一。GPPS技术术提供了了一个在在全球范范围内将将时间同同 步控制制在几纳纳秒内的的手段，运运用GPPS技术术的优良良特性来来控制本本地振荡荡器的可可驯钟技技术也得得到了

18、的的深入研研究和广广泛的使使用。然然而其它它能提高高精度时时间频率率源的系系统(如俄罗罗斯的GLOONASSS、我我国的北北斗以及及长坡等等)都因时时间间隔隔精度的的原因没没能得到到广泛的的应用，相相信随着着我国北北斗系统统的不断断发展和和完善长波授授时台的的改造以以及欧洲洲伽利略略系统的的建成，基基于各种种高精度度时间频频率源的的可驯钟钟必将得得到更深深广的研研究和应应用。图 1.22为GPSS可驯钟钟系统，它它通过 GPSS接收机机得到标标准的 1ps信号号作为参参考标准准，将其其与本地地晶振产产生的11ps信号号同时输输入高分分辨率的的时间间间隔计数数器，进进而得到到时差，再再将这个个时

19、差值值送入主主控制器器(通常是是一个单单片机)进行处处理得到到一个电电压控制制信号，将将高压控控制信号号送给压压控振荡荡器来控控制本地地晶振，通通过这样样的方式式来改善善本地晶晶振的输输出。图122 GPPS可驯驯钟系统统GPS可驯驯钟系统统期望实实现两个个目标：在 GGPS信信号正常常情况下下，利用用 GPPS信号号提高本本地晶振振准确度度和长期期稳定度度；同时时在失去去GPSS信号情情况下还还能提高高本地晶晶振保持持能力。达达到这两两个目的的必须满满足两个个条件：提高稳稳定性必必须对晶晶振噪声声建模，建建模准确确必须提提高测量量精度和和分辨率率。对基基于 FFPGAA 的时时间间隔隔测量的

20、的研究，就就是希望望可以采采用 FFPGAA 取代代高分辨辨率时间间间隔计计数器，便于工工程的应应用。基基于 FFPGAA 的时时间间隔隔测量必必将大大大促进可可驯钟技技术的应应用发展展，从而而提高各各类时统统设备的的应用范范围44。1.2 国国内外发发展现状状随着科学技技术的发发展精密时时间测量量数字化化技术在在自动检检测设备备激光探探测医疗图图形扫描描相位测测量频率测测量等研研究领域域得到广广泛应用用美日欧等国国家均对对时间间间隔测量量技术作作了大量量研究，他他们利用用在集成成电路即即VLSSI( eryy Laage Scaale Inttegrrateed)领领域的优优势，发发展了大大

21、量成熟熟的精确确测量时时间间隔隔的技术术，用IIC方式式实现了了TDCC( TTimee too Diigittal Connverrterr)。美美国PTTTI(Preecissionn Tiime andd Tiime Inttervval)年会决决定每年年对该专专题进行行讨论，美美国国家家科学院院把它作作为评估估国家国国防力量量的重要要标志之之一，并并把它列列为国家家须大力力发展的的科学技技术之一一。相对对来说，我我国对这这方面的的技术研研究还比比较落后后，一方方面国外外对 VVLSII 技术术控制严严格，我我国缺乏乏必要的的技术交交流和支支持，完完全是在在空白的的基础上上进行研研究；另

22、另一方面面我国 VLSSI 方方面的研研究起步步比较晚晚，直到到最近几几年才相相继有专专家进行行这方面面的研究究探索。近几年来，可可编程AASICC技术、CCPLDD和FPGGA迅速速发展，其其中FPPGA的的发展尤尤为显著著，Xiilinnx公司司的Viirteex芯片片,Virrtexx-E芯芯片和VVirttex-II芯芯片，AAlteera公公司的FFPGAA系列芯芯片都已已经达到到了ASSIC的的工艺水水平。这这些芯片片具有很很高的密密度，可可以在较较高速的的片上时时钟下工工作，例例如Viirteex-EE系列芯芯片的片片上时钟钟已经可可以达到到4000MHzz。目前前国外基基于这种

23、种方法进进行时间间间隔测测量的研研究已较较为成熟熟。用FPGAA实现间间隔测量量设计，在在国外论论文中有有大量介介绍，比比较典型型的设计计有两种种， 一种是是Jozzef Kalliszz,Rysszarrd SSzpllet等等人提出出的设计计,他们的设设计采用用的是QQuicckLoogicc 公司司的pAASICC2系列列FPGGA。该该FPGGA是基基于0.65微微米的CCMOSS工艺，采采用逆熔熔丝结构构。在这这系列FFPGAA的内部部,构建差差分延迟迟线(DDifffereentiial DellayLLinee)，得得到LSSB为1000-2000pss 的系系统。另另一中典典型

24、的设设计方式式是Ziieliinskki MM 和 Chhabeerskki DD等人提提出的,他们主主要采用用XILLINXX公司的的Virrtexx系列FPPGA XCVV3000来实现现4。该FPPGA是是五层金金属0.22微微米CMMOS工工艺，采采用基于于RAMM的结构构。该系系统采用用抽头延延迟线法法(Taappeed DDelaay LLinee Meethood)，取取得1000pss的LSBB。瑞典精密PPendduluum公司司，型号号CNTT-900，分辨辨率1000pss；CNNT-991，分分辨率550pss。德国国ACAAM公司司研发的的高精度度时间间间隔测量量芯片

25、TTDC-GP11，可提提供两通通道2550pss或单通通道 1125pps分辨辨率的时时间间隔隔测量，小小量程测测量范围围为3nns77.6s，可可用2个个通道，大大量程测测量范围围为600ns-2000ms ,ACCAM公公司的TTDC系系列是以以用CMMOS处处理器实实现的数数字化传传播时间间的应用用。采用用半导体体过程，TTDC实实际分辨辨率在330pss-3000pss之间。在我国，基基于 FFPGAA 实现现的间隔隔测量设设计也有有了优秀秀的研究究成果，刘刘莉利用用 FPPGA 设计的的游标时时间内插插器测时时分辨率率可达到到1nss5；周渭渭在频率率和时间间间隔测测量方面面做了

26、非常深深入的研研究工作作，在时时间内插插方面，采采用量化化时延技技术获得得了4000pss的测时时分辨率率；辛明明采用一一定长度度的导线线作为延延迟单元元，用量量化时延延技术获获取了llns的的测时分分辨率；中国科科技大学学的宋健健、安琪琪等采用用FPGGA设计计的时间间内插器器测量分分辨率可可达到1100pps。国国产DLL07-2022电子测测试仪，可可在多种种传感器器的配合合下测量量导爆管管、C44燃速和和爆速等等。100MHzz石英晶晶体振荡荡器，显显示6位位LEDD，时基基精度110MHHz+-30pppm，测测量范围围0-999999.9uus，工工作温度度0-440摄氏氏度，相相

27、对湿度度80%，计时时分辨率率0.11us。下面再介绍绍下时间间间隔测测量的研研究方法法：（1）传统统的时间间间隔测测量方法法包括：直接计数法法直接计数法法是时间间间隔测测量技术术中最基基本的方方法。直直接计数数法是基基于脉冲冲的一种种计数测测量方法法，又称称为脉冲冲计数法法。计数数法中的的脉冲是是指参考考时钟信信号，参参考时钟钟信号是是直接计计数法测测时的时时间基准准。直接接计数法法的测量量原理是是基于同同量纲物物理量的的比对，即即用时基基信号去去填充被被测时间间间隔，通通过对时时基信号号的脉冲冲计数来来量化被被测时间间间隔。优点：原理理简单，容容易实现现。缺点：精度度只能达达到nss级。模

28、拟内插法法将输入信号号起始的的触发脉脉冲与第第一个计计数脉冲冲之间的的时间间间隔和输输入信号号停止的的触发脉脉冲与最最后一个个计数脉脉冲之间间的时间间间隔分分别扩展展10000倍，然然后通过过脉冲计计数器测测出单位位周期的的脉冲个个数，并并通过数数据处理理计数出出实际时时间间隔隔。优点：提高高测试精精度。时间幅度转转换法在电子测量量中对一个个物理量量的测量量可以将将该物理理量转换换为其它它物理量量通过测测量转换换后的物物理量间间接测量量原物理理量在时间间内插技技术中为了获获取小于于时基周周期的测测 时分辨辨率可先将将时间间间隔转换换为其它它模拟量量再转换换为数字字量这种方方法又称称时间幅幅度转

29、换换技术。即即利用恒恒定的电电流对电电容进行行充电，将将时间转转换为电电压，然然后采用用高速的的A/DD进行转转换，对对该电压压数字化化并记录录下当时时的电压压值。整整个充放放电过程程就是把把微小时时间间隔隔成倍数数增大的的过程，这这种测量量方法使使用了RRC等模模拟电路路被称为为模拟内内插测时时法由于充充放电过过程中电电压随时时间的变变化率不不同这种测测量方法法又称双双斜式时时间内插插，测量量精度与与充放电电电容的的稳定性性有很大大关系。优点：实现现很高的的测量分分辨率，转转换时间间短，等等于A/D转换换的时间间。缺点：转换换的非线线性误差差比较大大、制作作工艺较较复杂。长度游标法法测量原理

30、是是依靠两两个可启启动振荡荡器来实实现的，理理论上能能够同时时实现高高分辨率率和大量量程测量量，但是是由于设设计上的的困难，其其分辨率率往往只只能在较较短的时时间内保保持。因因此，长长度游标标法通常常结合插插值法来来测量。游游标法测测量的高高分辨率率是由两两个可启启动振荡荡器的高高稳定度度与高可可靠性保保证的。优点：高分分辨率。缺点：不能能适用于于较长的的时间间间隔测量量中。5）量化时时延法利用器件本本身的延延时特性性，使事事件信号号通过这这一系列列的延时时单元，依依靠延时时单元的的延时稳稳定性，并并在计算算机的控控制下对对延时单单元的状状态进行行高速采采集和数数据处理理，从而而实现对对短时间

31、间间隔的的精确测测量。（2）改进进的测量量方法等效脉冲计计数法,是基于于数字移移相技术术的脉冲冲计数法法的一种种改进方方法。通通过锁相相环对原原始输入入时钟信信号 CCLK 倍频和和移相后后得到CCLK00、CLLK1、CCLK22、CLLK3，44个时钟钟信号，频频率相同同，相位位依次相相差455，用这这四路时时钟信号号的上升升沿驱动动四个相相同的计计数器对对时间间间隔闸门门信号ggatee进行计计数，同同时利用用这四路路时钟信信号的下下降沿驱驱动另四四个相同同的计数数器对时时间间隔隔闸门信信号gaate进进行计数数6。1.3 论论文主要要研究内内容本文在时间间间隔测测量的理理论基础础上，对

32、对时间延延迟内插插法展开开研究，由由仿真结结果得出出了差分分延迟内内插法的的优越性性，并在在 FPPGA 中实现现了差分分延迟，提提出了集集成于FFPGAA内的设设计方案案，在 FPGGA 中中实现了了测量方方案的模模块化设设计，最最后进行行了整个个系统的的实验测测试。测测试结果果表明：设计的的时间间间隔测量量模块的的分辨率率约为 43pps，精精度达到到 2000pss。本文创新点点如下：(1) 提出了了用FPPGA实实现精密密时间间间隔测量量代替高高精度时时间间隔隔计数器器。(2) 提出了了通过FFPGAA实现了了差分延延迟内插插法，得得到差分分延迟链链的分辨辨率为443pss。(3) 设

33、计了了基于FFPGAA的时间间间隔测测量模块块，最终终设计的的时间间间隔测量量模块的的精度可可达到2200pps。2 时间间间隔测测量的基基本原理理及方法法测量是利用用数学方方法和物物理手段段获得被被测量物物以标准准单位表表示的数数值的过过程是人类类对自然然界中客客观事物物取得定定量认识识的过程程对物理理量的直直接测量量实际上上是一个个比对过过程这个比比对过程程通常是是将被测测物理量量和一个个具有标标称值的的物理量量进行比比对这两个个物理量量具有同同一量纲纲此时具具有标称称值的物物理量起起到的就就是标尺尺的作用用测量的的结果就就是得到到被测物物理量与与标尺的的倍数关关系时间间间隔直接接测量方方

34、法主要要有直接接计数法法和延迟迟时间内内插法，间间接测量量方法主主要有时时间电压压变换(TDCC)、游标标时间内内插法和和脉冲宽宽度压缩缩时间内内插法7。2.1 时时间间隔隔测量的的一般技技术指标标2.1.11准确度度频率源的频频率准确确度，定定义为它它的时间间频率值值与其频频率标称称值或定定义值的的相对偏偏差。当确定定了一个个频率源源的准确确度时，除除初始频频率标准准外，都都需要有有一个可可以作为为“参 考”的的频率标标准。例例如：铷铷原子频频标，高高稳定度度石英晶晶体振荡荡器等。目目前能够够作为这这种参考考的频率率源有：铯束频频标、氢氢激射器器频标、无无线电标标准时间间和频率率广播信信号，

35、以以及任何何一个准准确度已已知的频频率源。测测量一个个频率源源的准确确度时，会会受到以以下因素素影响：(1)参考考标准的的准确度度和稳定定度。(2)被测测标准的的稳定度度。(3)测量量方法和和测量设设备。鉴鉴于以上上因素的的影响在实际际测量时时一般要要求参考考标准的的准确度度要比被被测标准准频率高高一个数数量级，设设备测量量误差要要比被测测标准准准确度小小一个数数量级或或少1/3。本本论文提提出的设设计中目目标精度度是百皮皮秒，采采用的参参考频标标是原子子钟输出出的10MM 信号号(度10-1)。2.1.22频率稳稳定度频率稳定度度是衡量量频率源源的一项项最重要要的指标标是频率率源所给给频率值

36、值不稳定定成份的的 定量描描述稳定度度表示信信号在给给定时间间段内频频率偏差差或时间间偏差的的统计特特性估计计即频 率偏差差或相位位偏差相相对于平平均频率率偏差或或平均相相位偏差差的波动动其时域域描述为为单位时时 间间隔隔内频率率平均值值的随机机起伏程程度。在统计学上上用方差差表示频频率稳定定度由于闪闪烁噪声声对频率率源的影影响经典方方差在表表征频率率稳定度度上有严严重的缺缺陷，因因此频率率稳定度度的数学学表征目目前一致致采用的的是Alllann方 差(阿仑方方差)。2.1.33分辨率分辨率是衡衡量时间间间隔测测量的主主要性能能指标之之一是系统统可以分分辨的最最小时间间间隔 的能量量。通常常用

37、LSBB(Leeastt Siigiiantt Biit2.1.44精度精度又称为为确定度度，即实实际测量量结果的的偏差，精精度以下下几部分分组成：(1) 量化误误差：量量化误差差是系统统在时间间数字化化过程中中产生的的误差。(2) 非线性性由于模模数转换换过程中中恒流源源的不稳稳定性和和延迟线线电长度度的不均均匀性， 非线性必然存在。(3) 抖动：器件内内部噪声声、外部部时钟信信号相位位不稳定定、电源源纹波都都会引起起系统的抖 动。随随着时间间间隔测测量精度度要求的的不断提提高，抖抖动成为为了主要要的误差差来源8。2.2 直直接计数数法直接计数法法是时间间间隔测测量技术术中最基基本的方方法直

38、接计计数法是是基于脉脉冲的一一种计数数测量方方法又称为为脉冲计计数法计数法法中的脉脉冲是指指参考时时钟信号号参考时时钟信号号是直接接计数法法测时的的时间基基准直接计计数法的的测量原原理是基基于同量量纲物理理量的比比对即用时时基信号号去填充充被测时时间间隔隔通过对对时基信信号的脉脉冲计数数来量化化被测时时间间隔隔为了提提高脉冲冲计数法法的测时时分辨率率需要提提高时基基信号的的频率目前获取高高频的时时基信号号已经不不是难题题，将锁锁相环(PLLL)技术结结合高稳稳定度晶晶体振荡荡器就可可以产生生高稳定定度的高高频时基基信号。但但时基频频率提高高给脉冲冲计数法法中计数数器的设设计带来来了新的的挑战。

39、考核计数器速度的参数是最大计数频率，当计数器的时钟信号频率高于最大计数频率时计数器将无法正常工作计数器的位宽限制了计数器的最大计数频率随着位数的增多计数器的最大计数频率呈现降低的趋势计数器的位宽决定脉冲计数法的测量范围(即量程)，计数器的宽度每增加一位，测量范围就能够扩大一倍。在采用脉冲计数法测量时间间隔的过程中，测量分辨率和量程之间存在矛盾9。2.3 时时间内插插法在时间间隔隔的测量量过程中中，直接接计数法法的分辨辨率远远远不能满满足测量量要求，人人们不断断探索的的其它方方法的过过程中发发现，时时间内插插方法是是提高时时间分辨辨率的有有效方法法。时间间内插是是在低分分辨时基基的基础础上，获获

40、取高精精度的一一种测时时技术。早早期的时时间内插插是采用用抽头同同轴电缆缆来实现现的，由由于电缆缆体积太太大，很很难实现现一致性性很好的的精确时时间延迟迟，电缆缆延迟线线逐渐被被淘汰。随随着半导导体工业业的不断断发展和和技术的的进步，出出现了越越来越多多的时间间内插方方法，主主要有：模拟内内插法、游游标内插插法，延延迟内插插法等10。2.3.11 内插基基础在时间内插插技术中中，延迟迟线技术术最为基基础。在在ASIIC设计计中，用用基本的的CMOOS门作作为时间间内插单单元，是是一种最最简单直直接的方方法。现现代CMMOS工工艺的门门延迟在在1000ps的的量级，因因此时间间测量的的精度就就可

41、以提提高到1100pps量级级。时间间内插的的测量分分辨率比比时基周周期小，如如图2.1所示示，T00是被测测事件信信号上升升沿与时时基信号号上升沿沿之间的的时间间间隔，TT1是事事件信号号下降沿沿与时基基信号上上升沿之之间的时时间间隔隔，T00和T1是时时间内插插的测量量对象。通通过时间间内插，可可以将TT0和T1这些些小于时时基周期期的微小小时间间间隔进一一步量化化。图22.1的的下半部部分是TT0和T1的放放大示意意图，箭箭头代表表进一步步量化的的刻度。图211 时内插原原理示意意图在一些情况况下时间内内插测量量对象是是事件信信号上升升沿与前前面时基基上升沿沿之间的的时间 间隔时基信信号

42、周期期是已知知的固定定值时就算对对两种不不同测量量对象进进行测量量也可以以达到同同样的内内插效果果。2.3.22 模拟内内插法在电子测量量中对一个个物理量量的测量量可以将将该物理理量转换换为其它它物理量量通过测测量转换换后的物物理量间间接测量量原物理理量在时间间内插技技术中为了获获取小于于时基周周期的测测时分辨辨率可先将将时间间间隔转换换为其它它模拟量量再转换换为数字字量这种方方法又称称时间幅幅度转换换技术。综综合诸多多电子元元器件的的特性，可可以发现现电容与与时间的的关系较较为密切切。式 2.1 是一个个RC充放放电电路路中电容容两端电电压的表表达式。 Vt)=01e/) （2.1）式2.1

43、1中充放放电电压压V(tt)是时时间的函函数，式式2.1将被测测微小时时间间隔隔和电压压变量建建立了映映射关系系通过对对电压精精确测量量可以间间接测量量微小时时间间隔隔电压的的精确测测量又可可以转换换为对另另一个较较长的时时间间隔隔测量在具体体电路实实现中采用两两个标准准恒流源源两 个电流流源的电电流值相相差很大大分别作作为充放放电电流流通过电电容充放放电过程程实现微微小时间间 间隔测测量。整整个充放放电过程程就是把把微小时时间间隔隔成倍数数增大的的过程，这这种测量量方法使使用了 RC 等模拟拟电路被称为为模拟内内插测时时法由于充充放电过过程中电电压随时时间的变变化率不不同这 种测量量方法又又

44、称双斜斜式时间间内插，测测量精度度与充放放电电容容的稳定定性有很很大关系系。2.3.33 游标内内插法游标内插测测时的方方法来源源于游标标卡尺工工作原理理，在游游标内插插的方法法中使用用两个频频率相差差很小的的时钟，一一个作为为主时钟钟，另一一个为从从时钟即即游标时时钟。游游标法的的测量原原理(如图2.2游标标法测量量原理示示意图)是依靠靠两个可可启动振振荡器来来实现的的，在时时间间隔隔的开始始时刻开开启一个个周期为为T1的振振荡器，在在结束时时刻开启启另一个个周期为为T2的振振荡器，而而且T11稍大T22。然后后对这两两个振荡荡器分别别计数，直直到这两两个振荡荡器输出出 的频率率信号相相位重

45、合合。此时时周期为为T1的振振荡器计计数表示示的时间间和周期期为T22的振荡荡器计数数 表示的的时间之之差就是是被测的的时间间间隔信号号。游标标法测量量的高分分辨率是是由两个个可启动动振荡器器的高稳稳定度与与高可靠靠性保证证的，但但是在对对较长时时间的时时间间隔隔测量中中，这种种方法比比较实现现。图222 游标测量原原理示意意图理论上游标标法能够够同时实实现高分分辨率和和大量程程测量但是由由于设计计上的困困难其分辨辨率往往往只能在在较短的的时间内内保持因此游标法法通常结结合插值值法来测测量与模拟拟内插法法和时间间幅度转转换法类类似先利用用直接计计数器进进行粗测测然后再再采用游游标法进进行高分分

46、辨 率测量量。游标标法优点点在于能能准确地地测出少少于一个个延迟单单元的时时间，使使得测量量精度得得以提高高。 但随着着测量精精度的提提高使用的的器件数数量将增增多测量误误差将增增大测量精精度主要要依赖于于延迟链链的稳定定度，测测量范围围有限。2.3.44 延迟内内插法延迟时间内内插技术术，也称称时钟移移相法。所所谓移相相是指对对于两路路同频信信号T，以其其中一路路为参考考信号，另另一路相相对于该该参考信信号做超超前或滞滞后的移移动形成成相位差差。时钟钟移相有有许多种种方法，其其中数字字移相可可采用延延迟实现现，用延延迟时间间的长短短来决定定两个时时钟信号号间的相相位差。在在数字移移相的具具体

47、电路路中，如如果延迟迟时间选选择合适适，采用用多少级级延迟，就就可以有有多少个个同频时时钟。如如果这些些延迟单单元的延延迟相等等，并且且延迟总总和等于于时钟周周期T，那么么测量分分辨率就就等于延延迟单元元的延迟迟，每个个延迟单单元输出出信号与与输入信信号同频频，在相相位上延延迟了22/T，触触发器为为记录装装置，QQi(00iN )为锁存存输出，触触发器输输出为温温度计(theermoometter)码。图图2.4中中的开始始信号为为事件信信号，结结束信号号为时基基信号。这这种内插插技术转转换率较较高，适适用于实实时测量量系统。延延迟时间间内插技技术是通通过延迟迟单元，将将一个时时钟周期期内的

48、时时间间隔隔进一步步量化这种延延迟内插插技术又又为量化化时延法法。图 2.33 延迟迟内插技技术示意意图延迟单元的的延迟特特性决定定了内插插测量的的分辨率率在延迟迟内插技技术中由许多多延迟相相等的延延迟单元元级联在在一起形形成一个个延迟链链由于时时间具有有单向流流逝的特特点人们很很难将逝逝去的时时间间隔隔无失真真地进行行再现延迟内内插技术术就是通通过延迟迟单元滞滞延了被被测时间间间隔的的流逝过过程，通通过延迟迟链中位于不不同空间间位置的的延迟单单元来表表征时间间间隔的的细微量量化。从从某种意意义上讲讲，延迟迟内插技技术是通通过空间间来换取取时间的的一种技技术手段段。目前延迟迟内插技技术是提提高

49、测时时分辨率率的主要要技术是如今今国内外外微电子子和电子子测量领领域的研研究热点点研究方方向主要要有延迟迟单元的的设计工工艺延迟单单元延迟迟的非均均匀性评评估及非非均匀性性的补偿偿和误差差修正等等。2.3.55 差分延延迟内插插法差分延迟内内插法将将被测量量时间间间隔的开开始信号号和停止止信号分分别通过过两路延延迟链，其其 中开始始信号通通过的延延迟链中中每个延延迟单元元的量化化延迟时时间应略略大于停停止信号号通过的的延 迟链中中每个延延迟单元元的量化化延迟时时间。由由于这个个原因，两两路信号号经过各各自的量量化延迟迟电 路过程程中，在在某一时时刻会出出现理论论上的重重合点CC。根据据发生重重

50、合时所所经过的的延迟级级数可以以计算出出被测量量的时间间间隔。差分延迟线线结构是是由两组组延迟单单元构成成，其中中一组延延迟单元元的延迟迟时间为为1，另一一组延迟迟单元的的延迟时时间为2，每一一对延迟迟单元之之间搭配配一个触触发器。与与基本延延迟线结结构相同同，延迟迟单元是是电平触触发，而而触发器器是边沿沿触发。采采用这种种差分延延迟线结结构，最最终系统统分辨率率为： =1 2 (2.2)其中1 略大于2 。采用用差分延延迟得到到的输出出结果，与与基本延延迟线结结构的结结果相同同，是一一个类似似于温度度计结构构的输出出，即一一连串 1后加一一连串 0，在1和0跳变时时说明出出现重合合点。3 基

51、于于GAA 的时间间内插法法的研究究微电子技术术的飞速速发展给时间间间隔测测量带来来了新的的革命尤其是是可编程程逻辑设设计技术术的出现现国内外外学者利利用可编编程逻辑辑设计技技术不断的的改进测测量方法法使对时时间间隔隔的测量量朝着高高速率高高精度的的方向发发展基于延延迟时间间内插的的时间间间隔测量量法在可可编程 逻辑设设计的基基础上得得到了很很好的实实现和应应用近年来来在可编编程逻辑辑器件(FPGGA)单单片上实实现时间间间隔测测量已有有大量成成功的例例子，同同时，可可编程逻逻辑器件件P)与IC相比，具具有开发发周期短短，灵活活性强的的特点，因因此通过过编程在在FPGGA中实实现高精精度时间间

52、间隔测测量具有有深远的的意义11。3.1 可可编程逻逻辑器件件简述随着微电子子设计技技术与工工艺的迅迅猛发展展创造了了数字化化时代数字集集成电路路不断的的 自我更更新，它它由电子子管、晶晶体管、中中小规模集成成电路、超超大规模模集成电电路(VVLSIIC)逐步发展展到今天天的有特特定功能能的专用用集成电电路(AASICC)ASIIC的出出现降低低了产品品的生产产成本，提提高了系系统的可可靠性，缩缩小了设设计的物物理尺寸寸，推动动了社会会的数字字化进程程。但是是IC因其设设计周期期长改版投投资大灵活性性差等缺缺陷制约约着它的的应用范范围硬件工工程师希希望 有一种种更灵活活的设计计方法这种灵灵活的

53、方方法可以以根据需需要在实验验室就能能设计可以随随时更改改大规模模数字逻逻辑，随随时研制制自己的的IC并马上上投入使使用，这这是提出出可编程程逻辑 器件的的思想。可编程逻辑辑器件随随着微电电子制造造工艺的的发展取取得了很很大的进进步今天的的可编程程逻辑 器件已已经发展展为可以以完成超超大规模模的复杂杂组合逻逻辑与时时序逻辑辑的复杂杂可编程程器件(CPPLD)和现场场可编程程逻辑门门阵列(G)新一代代的FPGGA 甚甚至集成成了中央央处理器器(CPPU)或或(DSSP)内核，在在一片FAA上进行行软硬件件协同设设计，为为实现片片上可编编程系统统(SOOP，SysstemmOn Proograam

54、ablee Chhip)提供了了强大的的硬件支支持112。现场可编程程门阵列列P)及复杂杂可编程程逻辑器器件(CPPLD)的出现现，让方方便快捷捷的实 现时间间间隔测测量成为为可能。基基于DC的高精精度时间间间隔测测量方法法，就是是利用信信号在介介质中传输输稳定这这一特点点进行设设计的。这这种方法法在时频频测控领领域有着着广泛的的用途，可可应用于于激光定定位系统统、数字字集成电电路动态态参数的的检测装装置等高高精度测测量。基基于TDDC的高高精度时时间间隔隔测量系系统与其其它时频频测量系系统相比比具有电电路结构构简单、运运算量少少、体积积小等优优点。3.1.11 FPPGA 的发展展可编程逻辑

55、辑器件是是大规模模集成电电路技术术发展的的产物是一种种半定制制的集成成电路结合计算算机软件件可以快快速方便地地构建数数字系统统广义上上讲可编程程逻辑器器件是指指一切通通过软件件手段更更改配置器器件内部部连接结结构和逻逻辑单元元完成既既定设计计功能的的数字集集成电路路。早期的可编编程逻辑辑器件主主要包括括可编程程只读存存贮器(PROOM紫外线线可擦除除只读存存贮 器器(EPPROMM)和电电可擦除除只读存存贮器(EEPPROMM)三种种由于结结构的限限制它们只只能完成成简 单单的数字字逻辑功功能随后出现了了一种结结构上稍稍复杂的的可编程程芯片即可编编程逻辑辑器件 (PLLD)它的应应用和发发展不

56、仅仅简化了了电路设设计降低了了开发成成本提高了了系统的的可靠性性，而且且给数字字系统的的设计带带来了革革命性的的变化目前常常用的可可编程逻逻辑器件件主要有有简单的的 逻辑辑阵列(AL/GALL)、复复杂可编编程逻辑辑器件(CPLLD)和现场场可编程程逻辑阵阵列FA)等三大类类13。本论文文采用的的是PA芯片。3.1.22 FPPGA 的结构构及工作作原理FPGA是是在LD的基础础上发展展起来的的新型高高性能可可编程逻逻辑器件件，它一一般采用用AM 工艺，也也有一些些专用器器件采用用Flaash工工艺或反反熔线(Antti-FFue)工艺艺14GA的基本本组成部部分有可可编程输输入/输出单单元、

57、基基本可编编程逻辑辑单元、嵌嵌入式块块M、丰富富的布线线资源、底底层嵌入入功能单单元和内内嵌专用用硬核等等，如图图3.11所示。图311 简的FPGGA 结结构原理理图本论文选取取的是 Altteraa公司的的FPGGA芯片片因此下下面主要要以Altteraa的GA芯片为为例介绍绍GA的基本本结构和和工作原原理。3.1.33FPGGA设计基基础(1) 开发平平台本文时间间间隔测量量的研究究是基于于Alttra司的FPGG，使用用的开发发软件QQuarrtussII是是Altteraa公司开开发的综综合性 PLDD开发软软件15，这款款软件不不但支持持MAXX器件和MAXX III系列LD也支持

58、持最新的的GA器件如Cycclonne，ycllonee IIICycclonne IIII和和traatixx等大规模模GA器件。Alterra司于20009年发发布的QQuarrtuss II 90全面支支持Allterra的收收发器FFPA和 HarrdCoopy ASIIC系列产产品，可可以完成成Altteraa CPLL、FPA和HarrdCoopy ASIIC全系系列产品品的开发发。最新新版支持持Altteraa新近发发布的StraatixxIVV GT和ArrriaII GX FPGGA。包包含 LPMM/MeegaFFuncctioon宏功功能模块块库，使使用户可可以充分分利用

59、成熟的的模块，简简化了设设计的复复杂性、加加快了设设计速度度。对第第二方 A工具的的良好支支持也使使用户可可以在设设计流程程的各个个阶段使使用熟悉悉的第二二方A工具。另外Quuarttus II通和DSPPBuiildeer工具具与Mattlabb/Siiuliink相相结合可以方方便地实实 现各种种P应用系系统。支支持Alttra的片片上可编编程系统统(SOOPC)开发，集集系统级级设计、嵌嵌入式软软件开发发、可编编程逻辑辑设计于于一体，是是一种综综合性的的开发平平台116。(2) FFPGAA的开发发语言目前，国内内外硬件件描述语语言的种种类十分分繁多，各各大DA公司、科科研单位位甚至高高

60、等学校校都拥有有自己的的硬件描描述语言言在这些些硬件描描述语言言中有些硬硬件描述述语言已已经成为为 IEEEE标准准，但是是大多数数的硬件件描述语语言还仅仅仅是一一种工业标准准。目前前在我国国广泛应应用的硬硬件描述述语言主主要有：EL语言、AHDDL语言言、eriiloggHDLL语言和VHDDL语言言，其中中eriilgHDDL语言言和DL语言最最为流行行。Desiggn VVeriilogg HDLL语言最最早是由由GDAA公司设设计师PPhillMooorbyy在19883年开发发出来的的。PhhilMMoorrby成功设设计了VVeriilogg-XLL仿真器器并于119866年提出出