一种新的短时间间隔测量方法

2008年4月 第35卷第2期 西安电子科技大学学报(自然科学版) JOURNAL0FXIDIANUNIVERSITY Apr．2008 VoL35No．2 一种新的短时问间隔测量方法 王 海，周 渭，刘畅生，王水平 (西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071) 摘要：提出了一种基于延迟线技术的短时间间隔测量新方法．利用延迟链产生均匀廷迟的多路参考频 率信号，在由短时闻间隔形成的闸门下对其计数，以计数值的平均数作为参考频率计数值，降低测量误 差1～2个数量级．理论分析表明新方法的短时间问隔测量误差取决于延迟单元延时．实际测量数据表 明，在参考频率为200MHz，延迟单元延时为500ps时测量误差小于500ps，同等条件下测量精度比脉冲 填充法高10倍．相比模拟内差法、时间一电压变换法和游标法等，新方法实现简单、成本低廉，具有良好 的实用性． 关键词：时问测量l延迟线；闸门时同；误差分析；脉冲填充法；FPGA 中图分类号：TM935．13文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2008)02-0267—05 Novelshorttimeintervalmeasurementmethod WANGHai，ZHOUWei，LI【，Chang—sheng，WANGShui—sheng (SchoolofMechano-electronicEngineering，XidianUniv．，Xi’an710071，China) Al瞻tract：Anewmethodforshorttimeintervalmeasurementbasedonthedelaylineprincipleis presented．Byutilizingagroupofdelaylinestogeneratemulti-pathreferencefrequencysignalsdelayed uniformlyinareferencefrequencyperiod，thencountingthemunderthesamegategeneratedbytheshort timeinterval，withtheaverageasthecountofthereferencefrequency，themeasurementerrorcanbe reducedby1～2ordersofmagnitude．Erroranalysisshowsthatitsaccuracyisdeterminedbythedelay timeofthedelayunit．Actualmeasurementdatashowthatwhenthereferencefrequencyis200MHz，the delaytimeofthedelayunitis500ps，itsaccuracyisbetterthan500psandimprovedby10times comparedwiththepulse-fillingmeasurementmethodunderthesamecondition．Comparedwiththe analoginterpolating，time-to-voltageconversionandtimeverniermethod，theproposednewmethodhas thecharacteristicofeasyimplementation，lowCOStandhighfeasibility． KeyWords：timemeasurement!delayline!gatetime；erroranalysis；pulse-fillingmethod!field programmablegatearrays 短时间间隔测量是时间计量、测试领域的重要研究问题之一，高精度的测量方法已有基于模拟时间扩展 的计数法、基于AD变换器的模拟时间一幅度转换法、基于延迟线的时间一数字变换器(TDC)法和基于冲击振 荡器的频率游标法等[1叫]，这些方法都达到了皮秒量级的测量分辨率，但明显的电路设计复杂度和昂贵的造 价限制了其应用．而普通短时间间隔测量仪器采用脉冲填充法，成本较低，但测量误差还在纳秒量级，已不能 满足激光测距、卫星导航定位、粒子飞行探测、频率基准等方面的要求．针对以上5种方法的优缺点，笔者提 出一种基于延迟线技术的短时间间隔测量方法．由被测短时间间隔产生计数闸门，利用延迟链将参考频率顺 序延迟，形成参考频率的多路延时信号，然后在同一计数闸门下对多路信号计数，将计数值的算术平均值作 为参考频率的计数值，计算得到短时间间隔．与前四种方法相比，新方法实现结构简单、成本低廉，易于大规 模推广应用．与最后一种方法相比，使短时间间隔测量误差降低了1～2个数量级． 收疆日期：2007-05—10 基金项目：国家自然基金资助(10703004，60571060) 作者筒介：王海(1976一)，男，西安电子科技大学讲师，博士，E-mail：wanghai(鸯mail．xidian．edu．cn． 万方数据 268 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第35卷 短时问问■ 计敷胃门 参考颤率 图1脉冲填克法的测量原理图 1脉冲填充法的短时问问隔测量原理 图1是脉冲填充法的短时间间隔测量原理图．计数闸门r同步于短时间间隔s的起始和结束倌号，参考 频率f在闸门r上的计数值为N，，短时间间隔s的计算公式为 s—N，／^． (1) 由于对f的实际计数时间是T而不是r，因此产生量化误差 As=T—r=屯一t1， (2) 式中t。和t。是服从在[o，1／厂r)上均匀分布的随机变量，由此可得测量误差 一1／^<厶<1／f， (3) 式(3)忽略了由短时间间隔产生计数闸门时的触发误差和参考频率的时基误差，原因是触发误差和时基误差 与量化误差相比是微小误差．本文中主要讨论量化误差对短时间间隔测量误差的影响．由式(3)可知脉冲填 充法的测量分辨率为1／f，测量误差为1／，r，其精度取决于参考频率f．由于过高的参考频率会造成电路实 现的困难，一般情况下小于200MHz，因此该方法的测量分辨率和测量误差一般都大于5n5． 2基于延迟线技术的短时间间隔测量方法 基于延迟线技术的短时间间隔测量方法是在脉冲填充法的基础上发展起来的，其思路是：利用一个由延 迟单元构成的延迟链，将参考频率顺序延迟n--1次，产生规律性相位顺延的行个参考频率信号，然后在同一 计数闸门下对其分别计数，得到咒个计数值N州，以它们的算术平均值作为参考频率计数值，利用式(4)计算 短时间间隔．图2是咒=8时新方法的测量原理图． 1三 f s一二>：N州／．厂，． (4) 计数胃门广————一⋯—————1● -参考顿事]l厂]厂]⋯厂]厂]厂]广1厂] 置迟1广]i厂]厂]⋯广]厂]厂]一厂 置退2』1．j]—厂L⋯厂L几广L巾广 置迟3 日厂]厂]⋯厂]厂]厂]门广 葺迟．．．4乙几一rL⋯r]广Lr]r]广 置迟5]门厂]厂]⋯厂]厂]厂]i厂] 菇迟6]l厂]厂]厂]⋯厂]．厂]厂]i厂] 置迟7]i厂]厂]厂]⋯厂]厂]厂]i厂] i f 图2新方法的测量原理图 图2中每一个延迟参考频率信号比前一个信号滞后一个延迟时间，以次延迟之后，参考频率刚好延迟了 万方数据 第2期 王海等：一种新的短时间同隔测量方法 269 一个周期．于是行一1延迟后形成的竹一1个参考频率信号和原来的 参考频率信号形成了参考频率信号在一个周期内的均匀移相信 号．图3是疗----8时参考频率信号和延迟频率信号的相位分布图． 为了满足均匀移相的要求，延迟单元i的延迟时间D。要求满 足下式： D‘=1／(nf，)，i=1，⋯，靠一1， (5) D；为一常数，记为D．由式(4)和式(2)可得新方法的测量误差 公式： 厶2去蚤厶t一去蚤(tz．i--t1．i)'(6) 式中△毛为第t一1延迟参考频率的量化误差． 设已知t。．。，t¨，由式(5)和图2可得 延迟2 _K 廷：i且 久 ／ ＼0‘． ’髟轧／＼延迟5＼—／ 延迟一 延迟6 图3 开=8时参考和延迟 频率信号的相位分布图 参考频率 ftl．f=frood((￡1．1+(i一1)D)，1／厂，)， ，。 【t2．{=frood((￡2．1+(i一1)D)，1／f)． 式中，mod(z，y)是实数求余运算，返Ex／y的余数．z，Y和返回值均为零或正实数． 将t¨(i一1，⋯，咒)按从小到大顺序排列，这n个数构成公差为D的等差数列，数列的第1项(最小项)重 新记为t。．1’t¨一定满足0≤t¨晶体的时间特性和能量特性.同时作出了五个晶体的时间分辨率(FWHM)与恒比甄别器(CFD)原成形延 迟线长度的关系曲线,并且由此选择出最佳的延迟线长度,以便在现有的符合装置下获得最佳的时间分辨率,两块BaF<,2>晶体分别耦合在两个XP2020Q光电 倍增管上,用<'60>Co源测量,获得1.0Mev以上的时间分辨率为160ps.第二部分,作者建立了一套X-γ-γ三重符合时间测量系统,用于测量由电子俘获 (EC)衰变产生的丰中子核素衰变的能级寿命.作者采用<'152>Eu源来校验这套装置,实验表明它能够产生很好的结果.第三部分提出了一种新的计算能级寿 命的方法——矩心无漂移法.正向状态下的正反向符合时间谱的重心之差为2τ.从而在测量寿命时,只需要测量正反向状态下的时间谱,数据处理时,不再 需要瞬发时间谱,也不需要考虑瞬发时间谱的重心随能量的变化. 3.会

议论文

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王砚方 记录多次击中的高分辨时间数字变换器 1984 记录多次击中的高分辨时间数字变换器，是作者在美国为漂移室而设计的，其精度为0．5ns，时间分辨率为1．0ns，量程为40．96μs，双脉冲分辨 率为14ns，死时间为14ns，多次击中次数为16次，读出时间为3．2us。该文叙述了该变换器的框图和工作原理，最小周期计数，时钟信号控制，D锁存器 及地址计数器的选择，时钟计数器二程式等。（王太和摘） 4.学位论文 葛军 频率捷变时间测量技术的研究 1996 该论文的工作,一方面是对频率捷变时间测量方法的研究,另一方面是对其中的检相法和延迟线鉴频器法形成完整的测试系统,并进行了大量的实验 ,而且全部过程实现了自动化测量.该文主要解决了检相法频率捷变时间的自动化测量和延迟线鉴频器法频率捷变时间的自动化测量. 5.期刊论文 胡春海.韩非.HU Chun-hai.HAN Fei 高分辨力超声波飞行时间测量系统 -传感器技术2005,24(8) 从超声波飞行时间测量的传统方法入手,分析了这种方法不能提高测量分辨力的原因,阐述了提高测量分辨力的途径和方法;简要介绍了提高测量分辨 力关键技术--时间内插法测量飞行时间的工作原理;给出了具体的实施

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--复杂可编程逻辑器件(CPLD)结合无源延迟线实现内插测量,实验验证结果表 明:通过时间内插技术完成的飞行时间测量,消除了计数法中整时钟周期误差,大幅度提高了测量分辨力,降低了硬件成本,提高了系统稳定性,具有推广价 值. 6.学位论文 朱翔 基于频率-时间转换原理的精密时序控制系统的研究 2008 精密的时序控制系统在高能物理实验中的定时系统和时间测量中经常用到，以往的数字系统多用延迟线和延迟芯片来产生时序控制所需的时间间隔 ，但其时间间隔长度、分辨和抖动等指标往往不能同时满足需求，特别是在大时间尺度上的精密时序控制，即在产生大范围时间间隔的基础上仍能达到 高分辨和低抖动是一个难题。 针对这一问题，本文在参考了J.Kalisz等人的论文Asimple，precise，andlowjitterdelay/gategenerator的基础上，研究了新的基于频率-时间转 换原理的精密时序控制系统。本系统实现了大时间间隔(μs-s量级)，高分辨(5-10ps)和低抖动(25ps)的时序控制。 第一章为引言，主要介绍了精密时序控制系统的应用前景和目前常用的产生时间间隔的方法(延迟线和延迟芯片)。说明目前常用的方法不能同时满 足大尺度和高分辨、低抖动的要求。 第二章介绍了精密时序控制系统的原理，引用了J.Kalisz等人的设计思路，并提出了新的精密时序控制系统的设计思路。 第三章是本文的重点，这一章详细阐述了时序控制系统的具体设计方案，包括时钟电路模块、时序控制电路模块、接口电路模块等各个部分。另外 ，本章还介绍了高速数字电路中常用的阻抗控制、传输线匹配等技术，以及一些常用的PCB设计技术。 第四章介绍了时序控制系统的一些测试结果，包括系统时钟性能的测试，系统功能的验证和性能的测试。 第五章是展望，本文研究的精密时序控制系统基本达到了理想目标，但可以改进的地方还有不少，本章提出了一些改进的方法。 7.期刊论文 霍玉晶.陈千颂.潘志文.HUO Yujing.CHEN Qiansong.PAN Zhiwen 脉冲激光雷达的时间间隔测量综述 - 激光与红外2001,31(3) 文中阐述了脉冲激光雷达测距的原理,并综述了其核心技术&& 脉冲飞行时间测量技术及其最新进展.详细介绍了数字插入测量法的原理与其三种不同 的插入方法:延迟线法、模拟插入法和差频测相法,以及它们各自的测量精度与应用领域. 8.学位论文 王云霞 新型漏声表面波生物传感器的初步研制与应用 2006 目的：1.制备检测和参比双延迟线型漏声表面波传感器，采用相位、频率及延迟时间等多种检测方法，并比较各方法之间的优缺点。 2.探索并优化液相中Na+浓度、pH值等多种因素对漏声表面波生物传感器液相检测系统的影响。 3.利用扫描隧道显微镜观察传感器裸金膜表面、探针固定、核酸杂交过程中生物分子与金颗粒之间的微观变化。 4.通过实验研究，初步构建出新型漏声表面波生物传感器液相检测系统。 方法：1.利用精细微加工方法制备双延迟线型漏声表面波传感器，并自行开发研制自激式振荡电路，labview相位、频率记录分析软件，将它们与网 络分析仪、频谱分析仪及计算机联用以构建LSAW生物传感器检测系统。 2.分别以相位、频率两个指标检测传感器液相检测反应的一致性。 3.探索不同pH值和不同Na+离子浓度对传感器的影响，探讨双通道传感器受外界条件影响的一致性及最佳反应条件的摸索。 4.用巯基末端修饰共价结合法将人乳头瘤病毒的探针固定在漏声表面波生物传感器的金膜表面，并观察其与靶序列杂交的反应，采用相位、频率和 延迟时间作为检测方法，并比较不同方法的优缺点。 5.在同一传感器的金膜表面固定相同浓度的探针并与已知浓度的互补靶序列进行核酸杂交，实验条件相同，传感器再生使用10次。每次实验结束后 分别用piranha液、1MHCL和1MNaOH等溶液清洗传感器反应区域，探讨漏声表面波基因传感器的再生性。 6.利用扫描隧道显微镜观察探针固定时传感器裸金表面、固定不同浓度巯基化探针、单纯加入靶序列以及巯基化探针和靶序列杂交后的金膜表面结 构的微观变化。 结果：1.选择Y方向切割36°旋转、X方向传播的LiTaO3晶体，正面抛光、背面打毛处理。在其上表面光刻两个单相单向换能器 (SinglePhaseUnidirectionalTransducer，SPUDT)，构成低损耗延迟线型传感器，传感器结构采用单基片双路延迟线结构。 2.自行研制的双通道振荡电路，在液相中起振非常容易，其相位/频率稳定度达到实用要求，双通道传感器在气相和液相中很稳定，两通道的一致性 很好。 3.基频是100MHz、金膜电极厚度在40nm的LSAW传感器芯片最有利于核酸杂交检测。 4.自行研发的labview相位、频率记录分析软件具有自行设置各初始参数，实时记录相位/频率变化，具有自动绘制相位/频率变化趋势图及分析结果 等多项功能，采集、分析后的数据自动输入到计算机。 5.双通道LSAW传感器相位检测时，两个通道变化量的相对差值比较一致；对延迟时间测量时，结果也类似。 6.两通道声发出的表面波信号的相位差值随溶液离子浓度、pH值的增大而发生明显的变化。当pH7.6、Na+浓度0.2M时是传感器进行核酸杂交的最佳 反应条件。 7.相位和频率两种检测方法较好，尤其是鉴频方法检测双通道LSAW传感器的灵敏度约是压电石英谐振式体波传感器的20倍。 8.使用传感器进行最后一次核酸杂交引起的相位变化值和平衡时间均与第一次相比，变异系数较小，说明LSAW传感器再生性较好。 9.扫描隧道显微镜下可以看到裸金膜表面金原子排列有序，而固定上1.0μM、2.0μM探针后，可见金膜表面探针分子在视野内分布的密度逐步增加 ，间距缩小。金膜表面只覆盖1.0μM靶序列时，金原子依然排列有序，但与裸金膜及固定探针时有所不同。固定1.0μM探针后与1.0μM靶序列杂交时 ，扫描图像可见寡核酸分子密度更为密集，分子明显延长，分布较为均匀。 结论：1.传感器的检测系统制备成双延迟线型结构，即在同一块LiTaO3晶体上同时镀制检测、参比两路延迟线，其中参比延迟线是为了减低非特异 性物质的吸附。LiTaO3晶体为Y方向切割36°旋转、X方向传播LSAW。每个通道由一个漏声表面波延迟线振荡器构成，叉指换能器的设计采用的是两个单 相单向换能器(SPUDT)结构，收发叉指换能器之间是反应区域。 2.高频集成运算放大器通过延迟线型谐振器共同构成正反馈回路，进而产生高频振荡信号，双通道振荡电路的设计和优化使LSAW传感器能够在液相 中更稳定地工作。 3.利用LabVIEW软件进行人机界面和仪器控制及数据处理等后台程序的编制，然后通过GPIB仪器控制卡向网络分析仪传送命令同时从仪器获取测试数 据并记录在计算机上，同时以图形曲线的方式显示在显示器上。 4.将上述组件组合在一起所构建出双通道LSAW传感器液相检测系统，为后续实验搭建了坚实的技术平台，相信也可以为临床上病原微生物的检测以 及多种疾病的早期诊断提供一种与常规检测方法完全不同的新方法。 5.最适合用于双通道LSAW基因传感器的基频是100MHz、金膜电极厚度为40nm。 6.成功设计出了双通道LSAW传感器，并证实两个通道对外界反应的一致性很好。 7.不同离子浓度、pH值溶液中传感器换能器发出的电信号相位的变化也各不相同。将检测通道变化的相位减去参比通道变化的相位，就是传感器除 去非特异性吸附后的相位值，即两路延迟线换能器发出的电信号相位差值的变化随离子浓度、pH值的升高而不断变化。当pH7.6、Na+浓度0.2M时是传感 器进行核酸杂交的最佳反应条件。 8.在加入靶序列进行核酸杂交时，检测通道和参比通道具有明显不同的相位/频率响应，由于检测通道反应区域的表面固定了特异性的HPV探针，可 与加入的靶序列特异性结合，发生核酸杂交反应，相位发生明显的变化；而参比通道加入的是非特异性的PBS缓冲液，与靶序列不可能发生特异性的碱基 互补结合，所以相位没有发生明显的改变。因此，将两通道的相位/频率相减，即两个通道之间的△p/△f才是真正反映因质量的吸附而引起的相位/频率 的改变，通过这种差值检测技术可以有效的去除外界环境的干扰。 9.LSAW传感器再生性较好，采用piranha液、1MHCL和1MNaOH等三种溶液连续洗脱，可以将传感器反应区域固定的所有物质洗脱掉，包括探针、靶序 列以及杂交后的寡核酸分子。由于LSAW传感器的叉指换能器由硅橡胶密封，以保护叉指换能器电极，因此清洗的过程都不会对传感器造成损伤。 10.扫描隧道显微镜可以形象直观的对传感器金膜表面、探针分子固定以及核酸杂交进行直接观察，结果进一步证实了我们的实验结论的正确性。 9.期刊论文 孟浩.付继华.王中宇.MENG Hao.FU Ji-hua.WANG Zhong-yu 远距离低盲区脉冲激光测距的实验系统 - 激光杂志2008,29(2) 测距能力和测距盲区是脉冲激光测距系统中亟待解决的一对矛盾.本文介绍了远距离低盲区脉冲激光测距实验系统的基本组成和工作原理.通过对各 种脉冲飞行时间测量方法的比较,确定采用延迟线数字插入法完成脉冲飞行时间的测量,从而保证系统的精度、测程和分辨率.同时,对测距盲区产生的原 因进行了分析,提出了引入自动功率调节模块降低测距盲区的方法.系统利用雪崩光电二极管APD作为光电接收器件,采用软硬件结合的智能温度补偿方案 对APD进行温度补偿. 10.学位论文 程璐 可编程高精度脉冲延迟系统的设计与实现 2009 在科学研究、通讯、电子和一些自动控制系统中经常需要一个精确延时的数字脉冲信号，用作其它系统的测试信号或控制用的时序。目前，国内的 脉冲延迟系统对延迟时间的分辨力一般是微秒级，随着精密电子技术与微电子技术的高速发展，以及脉冲延迟的应用领域的扩展，例如激光同步等，对 延迟分辨力的要求愈来愈严格，现有的延迟控制系统已经不能再满足实际要求，而国外对此技术应用的报价相当昂贵。本文设计了一款精密的可编程脉 冲延迟系统，将延迟的分辨力提高到纳秒级，在部分场合中替代国外技术，降低系统成本。
　　 本文在

总结

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了现存方案优缺点的基础上，采用了数字电路和模拟电路相结合的方案，将脉冲信号经过数字电路的脉冲计数的大范围、低分辨力延时输出 后再经由可编程延迟线芯片进行高分辨力延时，系统延迟分辨力达到0.15纳秒。系统由嵌入式微机系统、计数脉冲和同步脉冲发生电路、数字延迟电路 、模拟延迟电路组成。嵌入式微机系统、计数脉冲和同步脉冲发生电路、和若干组数字延迟电路、模拟延迟电路组成主单元，主单元有计数脉冲和基准 脉冲输出端子；嵌入式微机系统和若干组数字延迟电路、模拟延迟电路组成扩展单元，扩展单元有计数脉冲和同步脉冲输入端子，接受主单元输出的计 数脉冲和同步脉冲为数字延时电路所用。
　　 本文介绍了提高系统稳定性和精度的多种方法，例如，采用单稳态触发器扩展脉冲，消除电路的冒险；同步脉冲发生电路和数字延迟电路共用一个计数 脉冲源使电路同步；采用高精度时间测量芯片组成闭环系统，修正干扰、抖动等所带来的系统误差；采用查表法修正电路非线性。同时，为了提高系统 集成度、节约开发成本和空间，系统用VHDL语言编程，在FPGA内实现了数字延迟电路的设计，仿真结果显示可以达到系统要求。
　　 本文阐述的高精度可编程延迟输出信号在激光同步系统上实现了可靠的运行，整个延时系统成本低且利用率高，维护简便，可替代国内外的昂贵的同类 产品，具有广泛的应用前景和使用价值。 引证文献(2条) 1.李小明 基于时空关系的超高分辨率时间间隔测量方法[期刊论文]-计量学报 2010(2) 2.杜保强.周渭 基于延时复用技术的短时间间隔测量方法[期刊论文]-天津大学学报 2010(1) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xadzkjdx200802016.aspx 授权使用：浙江工业大学图书馆(wfzjgydx)，授权号：c986ad58-6b9d-450c-a16e-9dfe0134e602 下载时间：2010年9月27日