高精度时间间隔测量方法

高精度时间间隔测量方法综述孙杰潘继飞（解放军电子工程学院，安徽合肥，230037）摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换MethodsofHighPrecisionTime-IntervalMeasurementSUNJie,PANJi-fei（ElectronicEngineeringInstituteofPLA,HeFei230037,China）Abstract:Technologyoftime-intervalmeasurementhasbeenappliedinmanyfields.Howtoimproveitsprecisionisanemergentquestion.Onthebasesofanalyzingelectroniccounter’sprincipleanderror,thispaperputsemphasisuponintroducinghighprecisiontime-intervalmeasurementsallovertheworld.Allthesemethodsaimatelectroniccounter’sprincipleerror,andobtainspecialeffect.Lastly,theprogressdirectionandapplicationforegroundofhighprecisiontime-intervalmeasurementmethodsarepredicted.KeyWords:timeinterval;principleerror;interpolating;time-to-digitalconversion;time-to-amplitudeconversion0引言时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。1电子计数法1.1测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1所示：图1电子计数法测量时间间隔基本原理量化时钟频率为0f，对应的周期001fT，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数NM,，1T，2T为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔xT为：210TTTMNTx（1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数NM,，因此其测量的脉冲时间间隔为：0'TMNTx（2）比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21TT，其最大值为一个量化时钟周期0T，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到：00'..TMNTMNTx（3）比较表达式（3）（2）：00''TTMNMNTTxx（4）根据电子计数法原理，1MN，0'TTMNx，因此：00'0'TTTTTxx（5）00'TTTx即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00TT，可以看出待测脉冲间隔xT越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。根据以上分析得出电子计数法具有以下特点：[1]测量范围广，容易实现，且能够作到实时处理。[2]存在时标误差与原理误差，限制了其测量精度。电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法，参考文献[1][2][3]都有一定的说明，有兴趣的读者可以参阅。1.2误差克服途径……………………………………………时间间隔TxNT1T2待测脉冲量化时钟M时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准；量化误差的克服有许多方法，也是国内外研究的热点，可以将其分为以下三类。第一类：提高量化时钟的频率，这带来的问题是时钟频率越高对电路的要求越高，并且相应的芯片也很难选择。例如，当要求1ns的测量精度时，时钟频率需要提高到1GHz，此时一般的计数器芯片很难正常工作，同时也会带来电路板的布线、材料选择以及加工等诸多问题，因此，不是一个巧妙的方法。第二类：对量化误差T1和T2进行扩展，后进行二次量化，实践证明该解决途径是切实可行的，并且获得了长足的发展，取得了大量的研究成果，但是二次量化仍然存在原理误差。第三类：对量化误差T1和T2进行转换，通过测量其它物理量，比如幅度、相位而达到测量时间的目的，该类方法从根本上解决原理误差对测量精度的影响。以下所讨论的测量方法都是在电子计数法的基础上发展起来的，这些方法的目的都是克服电子计数法的原理误差。2模拟内插法电子计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间测量方法，其原理误差为一个量化时钟周期，如果能够克服其原理误差，那么其时间测量精度将会得到很大的提高，从这个角度入手，近年来，国内外研究了许多新的测量方法，模拟内插法是其中的一种。该方法是在模拟法与电子计数法的基础上发展而来的，其测量对象针对电子计数法中的T1和T2，即完成T1和T2的二次测量。在介绍模拟内插法之前，首先介绍模拟法，其测量原理如图2所示：图2模拟法测量脉冲时间间隔原理图在待测脉冲间隔xT期间对电容进行充电，充电电流大小为1I；然后以一个小电流kII12进行放电[4]。此方法的优点是测量精度理论上非常高，可达皮秒量级；但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电容充放电性能受温度的影响非常大，对测量系统的温度特性要求就非常苛刻；非常稳定的恒流源也是一个技术难题。待测脉冲信号Tx电容充放电波形待扩展时间间隔扩展后的时间间隔量化时钟Tx为了克服模拟法在大测量范围条件下测量精度低的问题，引入了模拟内插法，其测量原理如图3所示。图3模拟内插法测量脉冲时间间隔原理图模拟内插法要对三段时间进行测量，即Ts、T1和T2，其中0NTTs，采用电子计数法得到，T1和T2的测量是关键。模拟内插法的思路是对小于量化单位的时间零头T1和T2进行扩展，然后对扩展后的时间进行再次时钟计数。T1和T2的测量采用电容充放电技术，在T1期间，采用恒流源1I对电容C充电，T1结束以后采用恒流源kII12对电容放电，直到起始电平位置，然后保持此电平。由充放电电荷相等的原理可得：CTICTI'1211（6）进一步化简得到1'1kTT，即电容放电时间为充电时间的k倍，然后采用量化时钟对放电时间进行计时，得到计时脉冲的个数为1N，则可以得到kTNT011，同理得到kTNT022，结合ST的大小得到：021210TkNNNTTNTTx（7）该方法虽然在计算T1和T2时仍存在量化误差，但是其相对大小可以缩小k倍，假设1000k，那么计数器的分辨率提高了三个数量级。例如，量化时钟的频率为10MHz，1000k，则电子计数器的分辨率不会超过100ns，采用模拟内插技术之后，其分辨率提高到0.1ns，相当于10GHz量化时钟的分辨力。模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技术实现的基础是对T1和T2的扩展，在较T1和T2长k倍的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性，所以k值实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数k的准确值也难以得到，所以模拟内插技术要将测时精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。模拟内插技术虽然对时钟频率要求不高，但是由于采用模拟电路，当待测信号的频率较高的情况下非待测脉冲信号量化时钟0fTxTs电容充放电波形待扩展时间间隔T1T2扩展后的时间间隔kT1kT2量化时钟常容易受到噪声的干扰，当要求连续测量时，电路反应速度也是一个大问题。模拟内插法的误差来源总结如下：[1]原理误差。在将模拟量1kT转换成数字量01TN的过程中产生的，其大小为kT0，该误差是测量原理误差，无法克服。[2]时间扩展的非线性（主要误差未源）。由于时间扩展采用的都是模拟器件，因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。[3]随机误差，如触发误差。[4]时钟的稳定度带来的误差。采用模拟内插原理制成的时间间隔计数器产品的主要代表是HP公司的HP5360A型计数器，该计数器的电容放电时间比充电时间长1000倍，即1000k，计数器的时钟频率为10MHz，其分辨率已经达到了0.1ns。3延迟线内插法国外将这种测量方法称为TDC（time-to-digitalconverter）方法，并且进行了大量的研究，该方法与模拟内插法一样，是对T1和T2进行再次测量。当脉冲信号到达时启动延迟线，延迟线的延迟时间为1，2，当时钟信号到来时，输出延迟单元的数目1N，则可以得到111NT，采用同样的方法能够得到222NT。TDC方法得到脉冲时间间隔为：22110210..NNTNTTTNTx（8）延迟线内插法的测量原理如图4所示：图4延迟线内插法测量脉冲时间间隔原理图延迟线方法的突出优点是结构简单，可实现单片集成，在单片FPGA上实现。其缺点是测量精度受限于LSB（为百皮秒量级）。其误差来源主要包括以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间，减少量化误差带来的是延迟单元的增加，设备量的庞大。二是延迟线集成非线性，由于在集成过程中不可能做结束信号开始信号延迟1延迟2延迟n-1延迟n……到各个延迟单无完全一致，导致各个延迟单元的延迟时间不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平均法、矢量法等。三是随机变化，由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起。四是时间抖动，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。参考文献[6][7]对TDC方法的误差分析非常透彻。基于TDC方法，参考文献[7]给出了一种测量范围在0~43s，测量分辨力为200ps的内插时间间隔计数器。该计数器在一片FPGA上实现，计数器包含两个6bit的时间-数字转换器（TDC），主计数器的时钟频率为100MHz，因此TDC的量化误差LSB大约为200ps，该计数器还能够用于频率测量。文中还采用了计算机软件对TDC的非线性误差进行校正，使得计数器的测量精度提高到0.65LSB。参考文献[8]给出了一种基于TDC方法开发出的时间间隔计数器，该计数器在一片FPGA上实现，由于采用了最新的延迟线设计以及超强功能FPGA，延迟单元达到了128个，使得该计数器的测量分辨力达到了100ps，最差情况下的测量结果为170ps，对非线性误差进行补偿之后的测量分辨力达到了70ps，该计数器的测量范围为0-43s，计数器芯片的最大功耗为260mw。图5为该计数器的原理结构简图。图5基于TDC方法研制成功的某时间间隔计数器原理结构框图4游标法游标法的测量思路也是针对电子计数法中的T1和T2，其测量原理与游标卡尺测量长度的原理相同。使用两种频率的时钟信号：主时钟频率01f和游标时钟02f。设定0201ff，且非常接近，时钟周期差值01020TTT很小，测量原理参考文献[9][10]有具体说明，这里给出结论：022011TNTTNT（9）定义扩展系数：010201001TTTTTK（10）则：INTERPOLATORANDTIME_CODINGDELAYLINES