【摘要】：在測(cè)量領(lǐng)域中,時(shí)間間隔的測(cè)量有著極其廣泛的應(yīng)用,例如對(duì)距離、電容、溫度等物理量的測(cè)量,最終都可以通過某種方法轉(zhuǎn)化為對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量。從而,如果實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間間隔更高精度的測(cè)量,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離、電容、溫度等物理量更高精度的測(cè)量,因此,多數(shù)領(lǐng)域?qū)r(shí)間間隔測(cè)量提出了高精度的要求。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的領(lǐng)域不僅需要高精度的時(shí)間間隔測(cè)量,還需要應(yīng)用多通道時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù),例如在高能物理、導(dǎo)航定位、激光測(cè)距等諸多科學(xué)研究和工程應(yīng)用等領(lǐng)域,多通道時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)能夠簡(jiǎn)化操作、提高試驗(yàn)的效率與準(zhǔn)確度,因此,高精度、多通道的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。盡管目前對(duì)多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的研究已經(jīng)取得了較大成就,但市場(chǎng)上成熟的測(cè)量設(shè)備仍然較少。因此,多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的研究仍具有很大的市場(chǎng)價(jià)值和研究意義。本文基于FPGA和TDC-GP22芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器,主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1.對(duì)現(xiàn)階段常用的時(shí)間間隔測(cè)量方法進(jìn)行了分析研究。從分辨率、量程和硬件實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了研究,確定了“粗測(cè)”+“細(xì)測(cè)”的實(shí)現(xiàn)方法——基于FPGA芯片使用脈沖填充法進(jìn)行“粗測(cè)”,基于TDC-GP22芯片進(jìn)行“細(xì)測(cè)”,兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高分辨率、大量程和多通道的時(shí)間間隔測(cè)量。2.編寫及仿真了多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器中FPGA的算法程序,并設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件。對(duì)多通道時(shí)間計(jì)數(shù)器中FPGA所需要完成的任務(wù)進(jìn)行了代碼實(shí)現(xiàn),通過ModelSim對(duì)程序進(jìn)行了遍歷性測(cè)試,證明了程序設(shè)計(jì)的可行性和正確性�；贚abWindows/CVI平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的顯示、存儲(chǔ)和分析等功能,優(yōu)化了多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器與用戶之間的交互性。3.搭建了測(cè)試平臺(tái),對(duì)多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行了功能的驗(yàn)證和性能的分析。通過測(cè)試平臺(tái),對(duì)儀器進(jìn)行了整機(jī)測(cè)試,驗(yàn)證了功能完好性。并對(duì)儀器測(cè)量誤差的來源進(jìn)行了分析和校準(zhǔn),重點(diǎn)研究了時(shí)基性能對(duì)測(cè)量的影響。當(dāng)使用板載晶振提供工作時(shí)鐘時(shí),計(jì)數(shù)器測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)隨著待測(cè)間隔的增加而逐漸變差,穩(wěn)定度較好,優(yōu)于75ps@100s;使用UTC(NTSC)主鐘馴服晶振后,計(jì)數(shù)器測(cè)量準(zhǔn)確度始終保持在500ps以內(nèi),短期穩(wěn)定度優(yōu)于150ps@100s,長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于150ps@12h,通道一致性保持在200ps以內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH724
【圖文】：

2.1 時(shí)間間隔測(cè)量方法常用的時(shí)間間隔測(cè)量方法根據(jù)測(cè)量原理大致分為兩類：數(shù)字法和模擬法。數(shù)字法包含脈沖填充法、多相時(shí)鐘采樣法、抽頭延遲線法和游標(biāo)法，模擬法包含時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換法和時(shí)間間隔延展法，以下將詳細(xì)介紹各時(shí)間間隔測(cè)量方法的基本原理。2.1.1 數(shù)字法 脈沖填充法脈沖填充法又稱脈沖計(jì)數(shù)法，是時(shí)間間隔測(cè)量方法中最簡(jiǎn)單的一種，利用周期為 T 的時(shí)鐘信號(hào)填充待測(cè)時(shí)間間隔，根據(jù)填充的脈沖個(gè)數(shù)即可算出待測(cè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖 2.1 所示。

精度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則需要用更高頻率的時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)（李孝輝 等，2010）80。如想要實(shí)現(xiàn) 100ps 的測(cè)量精度，則需要使用 10GHz 的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器，不僅成高，穩(wěn)定性也比較差。因此，通過脈沖填充法想要實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)是不可取的。 多相時(shí)鐘采樣法多相時(shí)鐘采樣法可以認(rèn)為是在脈沖填充法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，其原理為：利用 N周期為 T，相位均勻分布的時(shí)鐘信號(hào)分別作為 N 個(gè)計(jì)數(shù)器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，這 N計(jì)數(shù)器同時(shí)測(cè)量待測(cè)時(shí)間間隔，可得到 N 個(gè)測(cè)量結(jié)果，取 N 個(gè)測(cè)量結(jié)果的平值為最終測(cè)量結(jié)果，利用該方法，可將測(cè)量分辨率從脈沖填充法上的 T 提升為/N。開始脈沖

從而無法實(shí)現(xiàn)較高精度。 抽頭延遲線法抽頭延遲線是一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的時(shí)間間隔測(cè)量方法，其原理如圖2.3所示。將多個(gè)具有固定時(shí)延的延遲單元（鎖存器、緩沖器等）組成線性結(jié)構(gòu)，每個(gè)延遲單元后面引出一個(gè)抽頭輸入到觸發(fā)器陣列中。在第一個(gè)延遲單元的輸入端輸入開始信號(hào)，使其在延遲線中進(jìn)行傳播，停止脈沖到來時(shí)，延遲線各抽頭數(shù)據(jù)由觸發(fā)器陣列鎖存，通過計(jì)算鎖存結(jié)果中 1 的個(gè)數(shù)（有的延遲線結(jié)構(gòu)中是計(jì)算 0 的個(gè)數(shù)）就可得到開始脈沖傳播過的延遲單元個(gè)數(shù)，從而得到待測(cè)間隔的長(zhǎng)度，以達(dá)到時(shí)間間隔測(cè)量的目的（吳嗣 等，2016）。圖 2.3 抽頭延遲線法實(shí)現(xiàn)原理Figure 2.3 Implementation principle of tapped delay line method該測(cè)量方法的分辨率取決于抽頭延遲線中延遲單元的時(shí)延大小，利用該方法很容易實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于百皮秒量級(jí)的時(shí)間間隔測(cè)量。但同時(shí)，該測(cè)量方法的測(cè)量范圍取決于抽頭延遲線中延遲單元的個(gè)數(shù)

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本文編號(hào)：2795210