時間間隔測量技術(shù)

1、時間間隔測量技術(shù)一 直接計數(shù)法測量原理與直接計數(shù)法測量頻率基本相同, 區(qū)別在于測量時間間隔時, 控制 電子門的閘門時間等于所測的時間間隔。內(nèi)部晶振振通過倍頻或分頻產(chǎn)生時基。 在電子門打開期間, 時基脈沖進(jìn)入計數(shù)條進(jìn)行計數(shù)。設(shè)所計的數(shù)值為 N ,所選的 時期為 0,則所測時間間隔為N =(5-1時間間隔測量的不確定度通常用絕對誤差表示。對上式進(jìn)行微分得dNNd d 00+=第一項(xiàng)是晶振頻率不準(zhǔn)造成的,第二項(xiàng)與測頻時一樣,仍然是 dN =±1。第 一項(xiàng)如用頻率準(zhǔn)確度表示,則有000±=d N d 00±=d (5-2其中:所測時間間隔 d 晶振周期或晶振頻率準(zhǔn)確度 圖

2、 5-1時間間隔測量的直接計數(shù)法由±1計數(shù)引入的測量不確定度稱為測量分辨力。 它等于測量儀所能選用的 最小時基 0。一般最小的時基為 10ns ,最好的也只到 5ns 。小于 10ns 的間隔用其 他方法測量,目前有三種游標(biāo)法、內(nèi)插法和 A/D變換法。二 游標(biāo)法利用長度測量中游標(biāo)卡尺的原理。在圖 5-1中, 1和 2均小于時基 0,故測不出,此時 1和 2可用游標(biāo)法 測量?，F(xiàn)以 1的測量為例,如圖 5-2所示。 圖 5-2游標(biāo)法(1原來的時基 0稱為主時基, 需要產(chǎn)生一個副時基 1,用 1>0, 但兩者之差很 小,即 1-0 0當(dāng)時間間隔起始脈沖 A 到達(dá)時,觸發(fā)副時基發(fā)生器,

3、副時基信號與信號 A 同步,副時基起始脈沖與隨后到來的主時基脈沖間隔即為 1。隨后兩個時基同 時運(yùn)行,由 1>0,相當(dāng)于副時基追趕主時基,每追過一個脈沖,兩者的間隔就 縮短 1-0,當(dāng)兩者間隔為零時,一共追過了 N 個脈沖,則 1=N 1(1-0 。此式 可從圖 5-2中準(zhǔn)確得出。由圖中可得11101N N =+(0111=N (5-32的測量略有些差異,如圖 5-3所示 圖 5-3游標(biāo)法(2按 1的測量原理,此時測得值為 , 即 (012=N 但 =02故(01202=N (5-4目前使用較普遍的美國 HP5370時間間隔計數(shù)器用的就是游標(biāo)法。 基本原理 如圖 5-4所示啟動信號 A

4、通過控制器 1同時觸發(fā)副時基 1發(fā)生器和打開副門 1,計數(shù)器 1開始對時基 1脈沖進(jìn)行計數(shù)。 副時基信號與主時基信號加到符合器 1上, 當(dāng)兩者 符合時,使副門 1關(guān)閉,計數(shù)器 1計的數(shù)為 N 1。同理, 停止信號與 B 通過控制器 2觸發(fā)副時基 2和打開副門 2, 最后計數(shù)器 2計的數(shù)為 N 2。主計數(shù)門由兩個符合器的輸出控制, 第一符合器打開主門, 第二符合器關(guān)閉 主門。主計數(shù)器計的數(shù)為 N 。設(shè) 為欲測的時間間隔,則從圖中所示關(guān)系可得:201T T T +=220011N N N +=一般取 21=,故12100 (N N N +=(5-5此結(jié)果由運(yùn)算器給出在 HP5370中, 0=5ns

5、,由內(nèi)部晶振頻率 10MHz 倍頻到 200MHz 后得到。1由 200MHz 信號通過綜合得到,其關(guān)系為 f 1=1/2572562001×=MHz ,由此 得 ns i 0195. 5。由于三個計數(shù)器的閘門信號與各自輸入的時基信號都是同步的, 故三個計數(shù) 都沒有±1計數(shù)誤差, 誤差的來源是在符合電路上, 兩路信號可能提前一次符合, 也可能落后一次,則引入的誤差為 1-0=5.0195ns-5ns 20ps 。這就是 HP5370計數(shù)器給出的測量時間間隔的分辨力。 圖 5-4游標(biāo)法測時計數(shù)器三 內(nèi)插法內(nèi)插法是利用電容器放電時間比充電時間大很多倍來放大微小間隔。 簡單原 理

6、如圖 5-5所示 圖 5-5內(nèi)插法原理閘門時間為 T ,時基為 0,在 T 時間內(nèi)計數(shù)器計了 N 個時基脈沖, 1和 2均 小于 0,需用充電法測量,現(xiàn)就 1的測量方法簡述如下。計數(shù)器閘門打開的時刻(圖中 a 點(diǎn) 打開充電器,給電容器 c 充電,在閘門 打開之后第一個時基脈沖到達(dá)時刻(圖中 c 點(diǎn)關(guān)閉充電器,同時打開放電器。 電容器充得的電壓為 V 0,對應(yīng)的充電時間為 t 1-t 0=1。電容器上的電壓放到零時 為止,放電時間為 112999=t t ,則1100001i N =N i 的±計數(shù)誤差引入的 1的誤差為 10001=d ,使測量分辨力提高了 1000倍。 同理,可測

7、3, 302=T 。在閘門時間關(guān)閉時刻。 (圖中 b 點(diǎn),第二個電容器開始充電，閘門關(guān)閉后到來的第一個時基脈沖（圖中 d 點(diǎn)）使充電結(jié)束， 同 時令第二個電容器放電，充電與放電時間比仍為 1999，于是可計算出3。內(nèi)插 法的關(guān)鍵是電容器及充放電元件要選的準(zhǔn)確可靠， 同時要有穩(wěn)定的恒流源給電容 器充電。 四 A/D 變換法 A/D 變換即模擬數(shù)字變換器，與內(nèi)插法一樣，在欲測量的微小間隔內(nèi)給電容 器充電，然后把已充得的電壓變成二進(jìn)制編碼的數(shù)字量，數(shù)字量跟電壓成線性關(guān) 系， 而電壓又限充電時間成線性關(guān)系， 從而得出與欲測時間成線性關(guān)系的數(shù)字量， 用計算機(jī)讀取數(shù)字量再計算出所對應(yīng)的時間間隔。如圖 5-

8、6 所示。 圖 5-6 A/D 變換法 假設(shè)主計數(shù)器測量時用的時基為0， 0 期內(nèi)電容器充電到最大電壓 Vm， 在 A/D 變換器輸出的最大值為 Dm。 則：電容器上單位電壓對應(yīng)的時間間隔為 tC = Dm 的最小一位對應(yīng)的電壓為 kD = 0 Vm Vm Dm 由此可得 A/D 輸出值的個位變化，一個數(shù)值對應(yīng)的時間為 k = 0 Dm 上述結(jié)果必須滿足這些量之間為線性關(guān)系。而實(shí)際上，無論是電容器上的充 電電壓與充電時間的關(guān)系還是 A/D 變換器輸出與輸入的關(guān)系并不能在整個量程 內(nèi)都保持線性關(guān)系。故在實(shí)用時只利用線性關(guān)系的一段。 例如， 美國的 STANFORD 公司最近幾年制造的， 在我國已

9、大量使用的 SR620 6 時間間隔計數(shù)器用的時基， 0 = 1 = 11.111ns ，當(dāng)充電時間為 0 時，電容器 90 MHz 充到的電壓為 Vm =3.33v，A/D 變換器為 12 位，即輸出最大值為 212 =4096。電容 器由 0 到 0 間隔內(nèi)充電電壓為線性，而 A/D 變換器中有三分之二部分為線性。 則可算出 A/D 變換器可用的最大值為 Dm = 4096 × A/D 輸出值的最小間隔為 2 = 2731 3 K = 0 11.111ns = 4 ps Dm 2731 這就是該儀器給出的測量分辨力。 由此推出電容器上電壓的最小間隔為 Vm 3.33V ×4 = × 4 ps = 1.2mv 0 11111 ps 這就意味電容器的充電電壓有 1.2mV 的變化，輸出就有 4ps 的變化，或者說 要得到穩(wěn)定的時間間隔為 4ps 的分辨力，電壓的變化必須小于 1mV，實(shí)際上很 難做到，一方面電容器是利用恒流源充電，而恒流源的穩(wěn)定性達(dá)不到千分之幾， 另一方面儀器內(nèi)又存在噪聲，故儀器實(shí)