[发明专利]一种高分辨率的时间间隔测量方法

说明书

本发明提供了一种高分辨率的时间间隔测量方法，包括步骤：1)利用RC微分电路构成的高通滤波器，通过电容充放电实现对待测间隔触发跳变沿的边沿拓展；2)通过高速ADC对跳变沿的触发点处进行数据采集；3)用FPGA作为存储器接收ADC数据采集过程中输出的数据；4)利用ADC同时实现采样和计数功能；5)将FPGA存储的数据输出至MCU进行处理；6)利用边沿拟合算法，对输出的数字量进行拟合，得到跳变沿的触发点处电压和时间的函数关系，计算测量中的计数误差。本发明省去了计数器，简化了电路，实现了宽范围的时间间隔测量。高速ADC采集本质上相当于用采样时钟作脉冲填充，再通过拟合算法，其测量精度可以达到内插的效果。

技术领域

本发明属于时间间隔测量技术领域，尤其适用于宽范围高准确度的时间间隔测量，具体是一种高分辨率的时间间隔测量方法。

背景技术

时间是自然界中最重要的基本物理量之一，是描述事物运动特性的基础。时间间隔的测量与比对主要解决频率标准及时间保持中的时间频率测量问题，是原子时间尺度保持与应用的的关键。目前，高精度的时间间隔测量方法是以直接计数法为基础结合相关扩展方法，如模拟内插法、抽头延迟法、游标法、双游标延迟法、时间-幅度转换法等，这些高精度的测量方法都是为了减少直接计数法下产生的±1个字的计数误差。直接计数法是测量时间间隔最简单常用的方法，其电路设计简单、测量范围大，可以在相对简单的电路中实现测量功能，但该测量方法的测量分辨率和测量误差严重依赖于参考时钟的频率，且存在±1个字的计数误差，使得该方法难以实现很高的测量分辨率，存在较大误差，并且当参考频率高于计数器的最大工作时钟时，计数器将无法工作，因此主要用于时间间隔测量要求不高的场合；模拟内插法是基于窄脉冲扩展计数，从而将时间放大的方式来提高测量分辨率，但其转换时间过长、难以集成、非线性不易控制，不适合于对测量速度要求较高的场合；抽头延迟法通过空间来换取时间，测量分辨率和测量误差主要取决于延迟单元的延迟时间，在实际设计中，可用作延迟单元的线缆、延迟器件、逻辑门等的延迟时间一般在纳秒级别，存在±1延迟单元误差、量程较小，且在时间和空间上很难保持其延迟时间均匀一致；游标法主要依赖于两个高稳定度、高精度振荡器之间的频率差来决定测量分辨率，技术复杂、重合点检测困难、成本较高；双游标延迟法使用两个延时时间不同的延时单元，利用其时间差值作为相对延时差，尽管该方法没有计数模块，但长期稳定度不高、测量范围有限；时间-幅度转换法虽能使得测量精度达到较高量级、测量范围宽且原理误差小，但难以捕捉到相位重合点，且对加工工艺要求较高、制作成本也较昂贵。本发明正是在保证测量宽范围的前提下，不使用计数模块，采用直接的高速ADC采集电路和对数据有效点的处理来提高测量分辨率，并能消除测量中±1个字的计数误差，制作成本较低、实现门槛也不高，有较高的实际推广价值。

发明内容

为了克服现有技术中时间间隔测量方法的不足，本发明提供了一种边沿拓展数字化时间间隔测量方法，即通过触发边沿扩展电路，利用16位的高速ADC对数据有效点进行采集实现时间间隔测量的方法，该方法能消除±1计数误差，实现高准确度宽范围的时间间隔测量。

本发明的技术方案是：一种高分辨率的时间间隔测量方法，包括如下步骤：

步骤1：利用RC微分电路构成的高通滤波器，通过电容充放电实现对待测间隔触发跳变沿的边沿拓展；

步骤2：通过高速ADC对跳变沿的触发点处进行数据采集；

步骤3：用FPGA作为存储器接收高速ADC数据采集过程中输出的数据；

步骤4：利用高速ADC同时实现采样和计数功能；

步骤5：将FPGA存储的数据输出至MCU进行处理；

步骤6：利用边沿拟合算法，对输出的数字量进行拟合，得到跳变沿的触发点处电压和时间的函数关系，从而计算出测量中的计数误差。

步骤1-步骤2中，待测信号触发沿的跳变点位于信号上升沿或者下降沿的线性区。