【摘要】：在測量領(lǐng)域中,時間間隔的測量有著極其廣泛的應(yīng)用,例如對距離、電容、溫度等物理量的測量,最終都可以通過某種方法轉(zhuǎn)化為對時間間隔的測量。從而,如果實現(xiàn)對時間間隔更高精度的測量,就可以實現(xiàn)對距離、電容、溫度等物理量更高精度的測量,因此,多數(shù)領(lǐng)域?qū)r間間隔測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間間隔測量,還需要應(yīng)用多通道時間間隔測量技術(shù),例如在高能物理、導(dǎo)航定位、激光測距等諸多科學(xué)研究和工程應(yīng)用等領(lǐng)域,多通道時間間隔測量技術(shù)能夠簡化操作、提高試驗的效率與準(zhǔn)確度,因此,高精度、多通道的時間間隔測量技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。盡管目前對多通道時間間隔計數(shù)器的研究已經(jīng)取得了較大成就,但市場上成熟的測量設(shè)備仍然較少。因此,多通道時間間隔計數(shù)器的研究仍具有很大的市場價值和研究意義。本文基于FPGA和TDC-GP22芯片設(shè)計并實現(xiàn)了多通道時間間隔計數(shù)器,主要研究內(nèi)容和成果如下:1.對現(xiàn)階段常用的時間間隔測量方法進(jìn)行了分析研究。從分辨率、量程和硬件實現(xiàn)等方面進(jìn)行了研究,確定了“粗測”+“細(xì)測”的實現(xiàn)方法——基于FPGA芯片使用脈沖填充法進(jìn)行“粗測”,基于TDC-GP22芯片進(jìn)行“細(xì)測”,兩者相結(jié)合實現(xiàn)高分辨率、大量程和多通道的時間間隔測量。2.編寫及仿真了多通道時間間隔計數(shù)器中FPGA的算法程序,并設(shè)計了上位機(jī)軟件。對多通道時間計數(shù)器中FPGA所需要完成的任務(wù)進(jìn)行了代碼實現(xiàn),通過ModelSim對程序進(jìn)行了遍歷性測試,證明了程序設(shè)計的可行性和正確性�；贚abWindows/CVI平臺設(shè)計了上位機(jī)軟件,實現(xiàn)對測量結(jié)果的顯示、存儲和分析等功能,優(yōu)化了多通道時間間隔計數(shù)器與用戶之間的交互性。3.搭建了測試平臺,對多通道時間間隔計數(shù)器進(jìn)行了功能的驗證和性能的分析。通過測試平臺,對儀器進(jìn)行了整機(jī)測試,驗證了功能完好性。并對儀器測量誤差的來源進(jìn)行了分析和校準(zhǔn),重點(diǎn)研究了時基性能對測量的影響。當(dāng)使用板載晶振提供工作時鐘時,計數(shù)器測量的準(zhǔn)確度會隨著待測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,計數(shù)器測量準(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】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時中心)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH724
【圖文】：

2.1 時間間隔測量方法常用的時間間隔測量方法根據(jù)測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、多相時鐘采樣法、抽頭延遲線法和游標(biāo)法，模擬法包含時間電壓轉(zhuǎn)換法和時間間隔延展法，以下將詳細(xì)介紹各時間間隔測量方法的基本原理。2.1.1 數(shù)字法 脈沖填充法脈沖填充法又稱脈沖計數(shù)法，是時間間隔測量方法中最簡單的一種，利用周期為 T 的時鐘信號填充待測時間間隔，根據(jù)填充的脈沖個數(shù)即可算出待測時間間隔的長度。具體實現(xiàn)方法如圖 2.1 所示。

精度的設(shè)計目標(biāo)，則需要用更高頻率的時鐘來實現(xiàn)（李孝輝 等，2010）80。如想要實現(xiàn) 100ps 的測量精度，則需要使用 10GHz 的時鐘驅(qū)動計數(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現(xiàn)高精度時間間隔計數(shù)器設(shè)計是不可取的。 多相時鐘采樣法多相時鐘采樣法可以認(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，相位均勻分布的時鐘信號分別作為 N 個計數(shù)器的驅(qū)動時鐘，這 N計數(shù)器同時測量待測時間間隔，可得到 N 個測量結(jié)果，取 N 個測量結(jié)果的平值為最終測量結(jié)果，利用該方法，可將測量分辨率從脈沖填充法上的 T 提升為/N。開始脈沖

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

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本文編號：2795210