CN110794668B - 一种基于多通道内插的时间间隔测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉公开了一种基于多通道内插的时间间隔测量装置及方法，具体涉及高分辨率的时间间隔测量技术领域。该基于多通道内插的时间间隔测量装置，包括被测闸门生成单元，被测闸门生成单元上连接计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元，计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元连接同一时钟单元，前误差提取单元连接第一多路分发单元，第一多路分发单元上连接若干前内插单元，后误差提取单元连接第二多路分发单元，第二多路分发单元上连接若干后内插单元，计数单元、前内插单元和后内插单元连接运算单元。该方案采用多通道内插同时测量，再进行平均计算的方法，测量分辨率为原有分辨率的

(N为内插通道数)。

Description

一种基于多通道内插的时间间隔测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高分辨率的时间间隔测量技术领域，具体涉及一种基于多通道内插的时间间隔测量装置及方法。

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，首先根据信号开始和结束状态产生被测闸门，信号开始启动被测闸门，信号结束关闭被测闸门，在被测闸门打开期间，时钟脉冲累计计数，累计的时钟脉冲个数乘以时钟周期，就是信号开始和信号结束之间的时间间隔。信号开始和信号结束也可以是同一个输入信号相邻的两个脉冲信号。

由于输入的被测信号与计数时钟信号没有同步关系，这种方法在原理上存在士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，例如当要求达到士lns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，可提高时间间隔测量分辨率。误差修正原理如图2所示。T为信号开始与信号结束之间的时间间隔；T₀为信号开始以后的第一个时钟脉冲与信号结束以后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔(即时钟计数得出的时间)；T₁为信号开始与之后的第一个时钟脉冲之间的时间间隔误差；T₂为信号结束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

为了准确测量T₁和T₂，发展出了模拟内插法、数字内插法。采用模拟内插法，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。采用数字内插法，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

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种多通道内插同时测量，再进行平均计算的方法进行时间间隔测量，在不增加测量时间的基础上，测量分辨率为原有分辨率的

的基于多通道内插的时间间隔测量装置及方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于多通道内插的时间间隔测量装置，包括被测闸门生成单元，被测闸门生成单元上连接计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元，计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元连接同一时钟单元，前误差提取单元连接第一多路分发单元，第一多路分发单元上连接若干前内插单元，后误差提取单元连接第二多路分发单元，第二多路分发单元上连接若干后内插单元，计数单元、前内插单元和后内插单元连接运算单元。

一种基于多通道内插的时间间隔测量方法，采用如上所述的基于多通道内插的时间间隔测量装置，包括以下步骤：

将信号开始和终止指令送入被测闸门生成单元，得到被测闸门，被测闸门生成单元的输出信号分成三路，第一路进入计数单元；

第二路进入前误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入前误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到前误差闸门，再送入第一多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到前误差数据T₀₁，T₀₂，T_0N，送入运算单元；

第三路进入后误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入后误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到后误差闸门，再送入第二多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到后误差数据T₁₁，T₁₂，T_1N，送入运算单元；

运算单元采用式(1)进行时间间隔计算，

其中，M₀为计数单元的计数，T_clk时钟单元的时钟信号周期；

对各路内插单元进行校准，经校准后，最终运算单元用于时间间隔计算，计算式如式(2)所示：

优选地，

前内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₁，计算第二个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₂，计算前第N个前内插单元100次测量结果平均，记为X_0N，计算出每路前内插单元的校准量，第N个前内插单元校准量Y_0N，

优选地，后内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₁，计算第二个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₂，计算前第N个后内插单元100次测量结果平均，记为X_1N，计算出每路后内插单元的校准量，

第N个后内插N单元校准量Y_1N，

本发明具有如下有益效果：

该测量装置和方法采用多通道内插同时测量，再进行平均计算的方法进行时间间隔测量，可大幅度提高时间间隔测量分辨率，通道数越多，分辨率越高，在不增加测量时间的基础上，测量分辨率为原有分辨率的

附图说明

图1为时间间隔测量原理框图；

图2为时间间隔测量误差框图；

图3为时间间隔测量框图；

图4为校准框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图3和图4，一种基于多通道内插的时间间隔测量装置，包括被测闸门生成单元，被测闸门生成单元上连接计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元，计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元连接同一时钟单元，前误差提取单元连接第一多路分发单元，第一多路分发单元上连接若干前内插单元，后误差提取单元连接第二多路分发单元，第二多路分发单元上连接若干后内插单元，计数单元、前内插单元和后内插单元连接运算单元。

一种基于多通道内插的时间间隔测量方法，采用如上所述的基于多通道内插的时间间隔测量装置，包括以下步骤：

将信号开始和终止指令送入被测闸门生成单元，得到被测闸门，即为所需测的时间间隔，被测闸门生成单元的输出信号分成三路，第一路进入计数单元；

第二路进入前误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入前误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到前误差闸门，再送入第一多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到前误差数据T₀₁，T₀₂，T_0N，送入运算单元；

第三路进入后误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入后误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到后误差闸门，再送入第二多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到后误差数据T₁₁，T₁₂，T_1N，送入运算单元；

运算单元采用式(1)进行时间间隔计算，

其中，M₀为计数单元的计数，T_clk时钟单元的时钟信号周期；

对各路内插单元进行校准，经校准后，

前内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₁，计算第二个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₂，计算前第N个前内插单元100次测量结果平均，记为X_0N，计算出每路前内插单元的校准量，

前内插1单元校准量Y₀₁，

前内插2单元校准量Y₀₂，

第N个前内插单元校准量Y_0N，

后内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₁，计算第二个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₂，计算前第N个后内插单元100次测量结果平均，记为X_1N，计算出每路后内插单元的校准量，

后内插1单元校准量Y₁₁，

后内插2单元校准量Y₀₂，

第N个后内插N单元校准量Y_1N，

最终运算单元用于时间间隔计算，计算式如式(2)所示：

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于多通道内插的时间间隔测量方法，采用基于多通道内插的时间间隔测量装置，所述基于多通道内插的时间间隔测量装置包括被测闸门生成单元，被测闸门生成单元上连接计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元，计数单元、前误差提取单元和后误差提取单元连接同一时钟单元，前误差提取单元连接第一多路分发单元，第一多路分发单元上连接若干前内插单元，后误差提取单元连接第二多路分发单元，第二多路分发单元上连接若干后内插单元，计数单元、前内插单元和后内插单元连接运算单元；其特征在于，包括以下步骤：

将信号开始和终止指令送入被测闸门生成单元，得到被测闸门，被测闸门生成单元的输出信号分成三路，第一路进入计数单元；

第二路进入前误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入前误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到前误差闸门，再送入第一多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到前误差数据T₀₁，T₀₂……T_0N，送入运算单元；

第三路进入后误差提取单元，同时时钟单元的信号也送入后误差提取单元，采用边沿触发提取可以得到后误差闸门，再送入第二多路分发单元，分为N路，每路分别进行内插处理，得到后误差数据T₁₁，T₁₂……T_1N，送入运算单元；

运算单元采用式(1)进行时间间隔计算，

其中，M₀为计数单元的计数，T_clk时钟单元的时钟信号周期；

对各路内插单元进行校准，经校准后，最终运算单元用于时间间隔计算，计算式如式(2)所示：

前内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₁，计算第二个前内插单元100次测量结果平均，记为X₀₂，计算前第N个前内插单元100次测量结果平均，记为X_0N，计算出每路前内插单元的校准量，

第N个前内插单元校准量Y_0N，

后内插单元校准过程为：

将时钟作为被测信号送入被测闸门生成单元，进行100次时间间隔测量，计算第一个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₁，计算第二个后内插单元100次测量结果平均，记为X₁₂，计算前第N个后内插单元100次测量结果平均，记为X_1N，计算出每路后内插单元的校准量，

第N个后内插N单元校准量Y_1N，

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