[发明专利]采用混合内插级联结构的时间间隔测量系统及测量方法

说明书

本发明提供了一种采用混合内插级联结构的时间间隔测量系统及测量方法，包括主门生成及误差提取单元、时钟单元、粗测单元、第一模拟内插单元、第二模拟内插单元、第一数字内插单元、第二数字内插单元和运算单元，主门生成及误差提取单元分别与时钟单元、粗测单元、第一模拟内插单元和第二模拟内插单元相连，第一模拟内插单元与第一数字内插单元相连，第二模拟内插单元与第二数字内插单元相连，粗测单元、第一数字内插单元和第二数字内插单元均与运算单元相连，时钟单元还分别与粗测单元、第一数字内插单元和第二数字内插单元相连。本发明采用模拟内插和数字内插的级联结构，充分发挥两种内插的技术优势，可大幅提升时间间隔测量分辨率。

技术领域

本发明涉及时间间隔测量领域，具体涉及一种采用混合内插级联结构的时间间隔测量系统及测量方法。

背景技术

时间间隔测量是指测量两个事件发生时刻之间的时间差，其测量原理如图1所示。在进行时间间隔测量时，主门由开始事件和结束事件控制，开始事件打开主门，停止事件关闭主门，在主门打开期间，时钟脉冲累计计数，累计的时钟脉冲个数乘以时钟周期，就是开始事件和停止事件之间的时间间隔。开始事件和结束事件也可以是同一个输入信号相邻的两个脉冲信号。

由于输入的被测事件与电子计数器时钟信号没有同步关系，因此主门信号和时钟信号不同步，这种方法在原理上存在±1个时钟周期的测量误差。通过提高时钟频率可以减小测量误差，例如当要求达到±1ns的测量分辨率时，时钟频率需要提高到1GHz，此时会大大增加时序同步、器件性能、电路板布局布线等方面的要求，实现非常困难。

采用时间间隔误差修正技术，可进一步提高时间间隔测量分辨率。误差修正原理如图2所示。T为开始事件与结束事件之间的时间间隔；T₀为开始事件以后的第一个时钟脉冲与停止事件以后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔；T₁为开始事件与之后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔误差；T₂为停止事件与之后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔误差。

在直接计数的基础上，把时间间隔误差T₁和T₂以更高的分辨率测量出来，可进一步提升时间间隔T的测量分辨率。推导可得待测的时间间隔如下式所示。

T＝T₀+T₁-T₂ (1)

为了准确测量T₁和T₂，发展出了模拟内插法、延迟线内插法、游标法、时间-幅度转换法等方法。

单独采用模拟内插技术，提升分辨率的主要措施是提高时钟频率和提高模拟内插扩展倍数，在现有的主流模拟内插分辨率的基础上，提高时钟频率会大大增加时序同步、器件性能、电路板布局布线等方面的要求，实现困难；提高模拟扩展倍数，会面临漏电流导致的非线性以及测量速度变慢等问题，实现困难。

单独采用数字内插技术，提升分辨率的主要措施是提高单个延时单元的分辨率。在现有的主流数字内插分辨率的基础上，进一步提高单个延时单元的分辨率，对延时线的长度、时序同步、数据锁存及延时校准等环节的要求均非常严苛，实现非常困难。

发明内容

针对现有的时间间隔测量方法存在的测量结果不准确的问题，本发明的第一目的是提供了一种采用混合内插级联结构的时间间隔测量系统。

本发明采用以下的技术方案：