大型物理實(shí)驗(yàn)、國(guó)防和工業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)時(shí)間間隔測(cè)量精度需求通常達(dá)到百皮秒甚至十皮秒量級(jí),并對(duì)多通道同步測(cè)量提出了新的要求。利用FPGA（field-programmable gate array）使用靈活的特性,研制了一種基于FPGA和TDC（time-to-digital conversion）芯片的高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器,使用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的配置模塊、UART接口、SPI接口等完成測(cè)量。利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心鐘房產(chǎn)生的10MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)作為參考時(shí)鐘,1PPS時(shí)間信號(hào)作為測(cè)試信號(hào),搭建平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本計(jì)數(shù)器測(cè)量精度優(yōu)于60ps,量程可達(dá)1.6s,可實(shí)現(xiàn)4通道同時(shí)測(cè)量,同時(shí)具備脈寬測(cè)量功能。該計(jì)數(shù)器采用模塊化設(shè)計(jì),可作為嵌入式設(shè)備使用。 

【文章來源】：時(shí)間頻率學(xué)報(bào). 2019,42(01)CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

圖１時(shí)間間隔測(cè)量的基本原理

ΔＴ＝ＴＮ＋Ｔｉ１－Ｔｉ２。（１）當(dāng)“開始”有信號(hào)到來時(shí)，系統(tǒng)開啟參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，開始測(cè)量，參考時(shí)鐘周期開始計(jì)數(shù)�！敖Y(jié)束”信號(hào)到來時(shí)，停止計(jì)數(shù)。此時(shí)可以由公式（２）來計(jì)算“粗計(jì)數(shù)”時(shí)間間隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“細(xì)測(cè)量”的測(cè)量原理如圖２所示，本文介紹的“細(xì)測(cè)量”方法為抽頭延遲線法。通過計(jì)算脈沖經(jīng)過的延遲單元個(gè)數(shù)來進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量［１３］�？梢杂霉剑ǎ常﹣碛�(jì)算，其中ｍ為經(jīng)過延遲單元個(gè)數(shù)，Δτ為每個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）圖２“細(xì)測(cè)量”測(cè)量原理１．２本系統(tǒng)測(cè)量原理系統(tǒng)測(cè)量的原理如圖３所示，假設(shè)待測(cè)脈沖從通道１和２輸入，假設(shè)通道１中信號(hào)先于通道２中信號(hào)到來，測(cè)量?jī)赏ǖ垒斎胄盘?hào)之間的時(shí)間間隔［１５］。圖３系統(tǒng)測(cè)量原理本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，輸出兩個(gè)結(jié)果參數(shù)，可分別作為“粗”計(jì)數(shù)結(jié)果和“細(xì)”測(cè)量結(jié)果［１６］。上電后即開始參考時(shí)鐘數(shù)Ｎ的計(jì)數(shù)，并作為結(jié)果參數(shù)之一，即“粗”計(jì)數(shù)結(jié)果輸出；當(dāng)通道１中有待測(cè)脈沖到來時(shí)，先將此時(shí)的參考時(shí)鐘數(shù)Ｎ１鎖存，然后對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，得到測(cè)量值Ｔｒｅｆ１，同時(shí)測(cè)量該脈沖與它前一個(gè)參考時(shí)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔Δｔ１，將兩者的比值鎖存并作為另一個(gè)結(jié)果參數(shù)ｔｉ，即“細(xì)”測(cè)量結(jié)果輸出，最后進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)所配置參考時(shí)鐘分頻系數(shù)，按照公式（４）進(jìn)行計(jì)算，式中ＬＳ

。此時(shí)可以由公式（２）來計(jì)算“粗計(jì)數(shù)”時(shí)間間隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“細(xì)測(cè)量”的測(cè)量原理如圖２所示，本文介紹的“細(xì)測(cè)量”方法為抽頭延遲線法。通過計(jì)算脈沖經(jīng)過的延遲單元個(gè)數(shù)來進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量［１３］�？梢杂霉剑ǎ常﹣碛�(jì)算，其中ｍ為經(jīng)過延遲單元個(gè)數(shù)，Δτ為每個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）圖２“細(xì)測(cè)量”測(cè)量原理１．２本系統(tǒng)測(cè)量原理系統(tǒng)測(cè)量的原理如圖３所示，假設(shè)待測(cè)脈沖從通道１和２輸入，假設(shè)通道１中信號(hào)先于通道２中信號(hào)到來，測(cè)量?jī)赏ǖ垒斎胄盘?hào)之間的時(shí)間間隔［１５］。圖３系統(tǒng)測(cè)量原理本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，輸出兩個(gè)結(jié)果參數(shù)，可分別作為“粗”計(jì)數(shù)結(jié)果和“細(xì)”測(cè)量結(jié)果［１６］。上電后即開始參考時(shí)鐘數(shù)Ｎ的計(jì)數(shù)，并作為結(jié)果參數(shù)之一，即“粗”計(jì)數(shù)結(jié)果輸出；當(dāng)通道１中有待測(cè)脈沖到來時(shí)，先將此時(shí)的參考時(shí)鐘數(shù)Ｎ１鎖存，然后對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，得到測(cè)量值Ｔｒｅｆ１，同時(shí)測(cè)量該脈沖與它前一個(gè)參考時(shí)鐘脈沖之間的時(shí)間間隔Δｔ１，將兩者的比值鎖存并作為另一個(gè)結(jié)果參數(shù)ｔｉ，即“細(xì)”測(cè)量結(jié)果輸出，最后進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)所配置參考時(shí)鐘分頻系數(shù)，按照公式（４）進(jìn)行計(jì)算，式中ＬＳＢ為分頻系數(shù)，測(cè)量前已設(shè)置好。根據(jù)公式（５）計(jì)算該脈沖到來的系統(tǒng)時(shí)刻Ｔｓｙｓ１，其中Ｔ為參考脈沖周期［１７］。通道２中另一個(gè)待測(cè)脈沖到來時(shí)利用同樣的方

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3268616