基于FPGA高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)_圖文

1、西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于FPGA高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)姓名：周增建申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：測試計量技術(shù)及儀器指導(dǎo)教師：周渭20100101摘要摘要時間間隔測量在導(dǎo)航定位、航空航天、通訊、電子儀器、天文、計量、電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著這些領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，對時間間隔測量的精度提出了更高的要求。本文基于脈沖計數(shù)法的基礎(chǔ)上提出了等效脈沖計數(shù)法，等效脈沖計數(shù)法的原理是通過鎖相環(huán)對原始計數(shù)時鐘信號進(jìn)行倍頻和移相后獲得路具有固定相移的計數(shù)時鐘信號，然后用這路計數(shù)時鐘對閘門信號進(jìn)行計數(shù)，相加后得到被測時間間隔閘門信號。然而，在等效脈沖計數(shù)法中，為了獲得這路具有固定相移的信號，

2、往往需要幾個鎖相環(huán)才能完成。因此，為了減少鎖相環(huán)的個數(shù)，針對的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法。改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的原理通過對時間間隔閘門信號進(jìn)行延時，得到個延時依次相差的閘門信號，然后利用鎖相環(huán)對原始計數(shù)時鐘信號進(jìn)行倍頻，對各個閘門信號進(jìn)行計數(shù)，最后相加得到被測信號的時間間隔閘門信號。本文詳細(xì)的介紹了等效脈沖計數(shù)法和改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的軟件以及硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)主要通過硬件描述語言編程實現(xiàn)；硬件實現(xiàn)主要包括及其外圍電路和單片機及其外圍電路的設(shè)計。最后通過實驗證明，基于的改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法相對于等效脈沖計數(shù)法具有一定的優(yōu)勢，而且改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的時間間隔測量系統(tǒng)的分辨率可

3、達(dá)到，測量時間范圍達(dá)到。利用作為核心芯片對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到了簡化電路設(shè)計、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的目的，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展本文的設(shè)計方案還有提升的空間。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列時間間隔測量系統(tǒng)延時計數(shù)器，：，：，：西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做

4、了明確的說明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名：西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。（保密的論文在解密后遵守此規(guī)定）本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名：跡導(dǎo)師簽名：固至渾日期望塑?。海。?！日期挫

5、：。！第一章緒論第一章緒論在所有的物理量中，時間和頻率量具有最高的精度。無論是在導(dǎo)航定位、航空航天、通訊、電子儀器、天文、還是計量、電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域都涉及到大量的頻率和時間信號的測量和應(yīng)用問題。隨著這些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，對頻率和時間測量精度也提出了更高的要求。同時，從時間和空間的關(guān)系出發(fā)，大量空間量的測量和定位問題也會被轉(zhuǎn)換為時間進(jìn)行測量和處理，所以時間間隔測量研究是既具有國際高層次技術(shù)水平發(fā)展的深度又有廣泛市場的重要研究方向。時間的基本定義時間是一個基本的物理量，它的單位是秒（）。在單位時間內(nèi)周期運動重復(fù)的次數(shù)稱為頻率，它的單位是赫茲（）。在中秒是基本單位，赫茲是導(dǎo)出單位。時間的量綱【】和頻

6、率的量綱是倒數(shù)關(guān)系。歷史上都是通過天文觀測和計算的方法獲得準(zhǔn)確的秒。隨著科技的進(jìn)步，時間單位秒的確定也經(jīng)過了世界時、歷書時和原子時的過程。根據(jù)地球自轉(zhuǎn)所形成的晝夜變化，通過天文觀測可以定出的太陽日被稱為視太陽日。將每太陽日均分為等分，可以得到時間單位秒。世界時秒定義為：秒等于平太陽日的分之一。只有時間單位和計時系統(tǒng)（如鐘）還不能完全決定時間，即只能得到時間間隔，而不能得到時刻。也就是說，還需要一個起點。為了統(tǒng)一全世界的時間，經(jīng)年國際子午線會議決定，以通過英國格林威治天文臺的經(jīng)線作為計算全球經(jīng)度的起點（），每隔定一條標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線，在其兩側(cè)各的地區(qū)（時區(qū)）內(nèi)均采用標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線處的地方時，稱為該時區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時

7、（或區(qū)時）。這樣，全球一共分成個時區(qū)。相鄰時區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時相差小時。世界各地的標(biāo)準(zhǔn)時，都?xì)w算到零時區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時（格林威治平太陽時），稱為世界時。時刻的起點為年月日零時。年第十一屆國際計量大會決定采納基于地球公轉(zhuǎn)周期的歷書時秒定義：“秒為年月日歷書時時起算的回歸年的?！睔v書時雖然在理論上是一種均勻時標(biāo)，但是觀測比較困難，而且需要長年累月地進(jìn)行。利用對太陽和月亮的綜合觀測三年的資料才能得到母的精度。年第十三屆國際計量大會通過新的原子秒的定義：“秒是與銫原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷相對應(yīng)的輻射的，個周期的持續(xù)時間”。原子時的時刻起點為年月日零時。國際原子時從年開始發(fā)播，作為統(tǒng)一全世界時標(biāo)的基礎(chǔ)。原子頻標(biāo)

8、的建立使人們擺脫了以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時，獲得了高度準(zhǔn)確基于高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)的時間頻率。但是這對于那些與地球自轉(zhuǎn)角位置密切相關(guān)的、適應(yīng)于不均勻的世界時的工作，比如船舶定位、大地測量等來說，則有些不便。也就是出現(xiàn)了準(zhǔn)確的時間間隔和不均勻的時刻之間的矛盾。為了解決這個問題，提出了以“閏秒”作為協(xié)調(diào)的辦法。當(dāng)世界時由于地球自轉(zhuǎn)速度的變化而與國際原子時不一致時，則在適當(dāng)?shù)臅r刻增加一秒（閏秒）或減少一秒（負(fù)閏秒），使兩者的時刻基本一致。這就是協(xié)調(diào)世界時。協(xié)調(diào)世界時的秒長與原子時一致，而時刻則是利用閏秒?yún)f(xié)調(diào)來與世界時一致（兩者的時差控制在±秒以內(nèi)）。這就可以滿足各方面的需要了

9、。協(xié)調(diào)世界時的起點是年月日世界時零時。從年起，世界各國的標(biāo)準(zhǔn)頻率和時號發(fā)播臺都正式播發(fā)協(xié)調(diào)世界時。年國際上確定把協(xié)調(diào)世界時作為國際的法定時間。截止年月底，協(xié)調(diào)世界時己比國際原子時落后了秒。實施閏秒的具體時間，一般是在當(dāng)年的月日或月日的最后一分鐘，由國際時間局綜合世界各國天文臺的觀測結(jié)果來確定，并提前兩個月發(fā)出公告，全球統(tǒng)一行動，要求時間同步到毫秒以內(nèi)，頻率同步到×。以內(nèi)。時間間隔的重要性在日常生活中，精確到分鐘的時間間隔精度【已能滿足人們的普通需要了，但現(xiàn)代導(dǎo)航定位、航空航天、通訊、電子儀器等領(lǐng)域?qū)r間精確度的要求越來越高。的測時誤差會導(dǎo)致航天飛機不能安全返航，秒的測時誤差會導(dǎo)致大海

10、中的艦船偏離航線數(shù)百米。精密時間間隔測量】是高精度超聲波測距、激光脈沖測距和雷達(dá)測距的基礎(chǔ)。在激光測距中，主要是要測量電磁波的發(fā)射波與反射波之間時間間隔，來確定被測距離，測距精度直接由時間間隔測量精度決定。雷達(dá)測距、激光測距和超聲波測距在航天、航空、軍事、冶金等方面都有著廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域中，飛行器通過測量波束往返所需的時間間隔來進(jìn)行高度標(biāo)定和導(dǎo)航等，高精度的時間間隔測量，可以保障飛行器能夠安全飛行；軍事上對打擊目標(biāo)的精確測距是精確打擊的基礎(chǔ)，提高時間間隔測量的分辨率，就意味著有效提高制導(dǎo)、引爆的精確度。在電子測量領(lǐng)域【】中，有許多高精度的測試儀器，如示波器、信號發(fā)生器、邏輯分析儀和半導(dǎo)

11、體器件測試，其核心部分就是時間間隔測試裝置。例如半導(dǎo)體器件測試儀，其主要測試功能就是半導(dǎo)體的延時特性的測試，使得時間間隔測量裝置達(dá)到要求。電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性是最近幾年來來受到電力工程界廣泛關(guān)注的課題。失去頻率穩(wěn)定性，會發(fā)生電壓崩潰。如果能夠精確、快速地測量時間間隔，就能夠?qū)崟r地測量出瞬時頻率，為電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的控制提供及時正確的依據(jù)。第一章緒論時間間隔的測量方法傳統(tǒng)的時間間隔測量方法包括：脈沖計數(shù)法、模擬內(nèi)插法、時間幅度轉(zhuǎn)換法、長度游標(biāo)法、量化時延法等。脈沖計數(shù)法脈沖計數(shù)法是時間間隔測量技術(shù)中最基本的方法。脈沖計數(shù)法的測量原理是利用計數(shù)時鐘去填充被測時間間隔，通過對時鐘信號的計數(shù)來量化被測

12、時間間隔。具體工作原理如圖所示。廠起始信號終止信號廠一時間間隔卜一瓦一廠廠廠廠廠廠圖脈沖計數(shù)法的測量原理波形圖圖中，用時鐘信號驅(qū)動計數(shù)器對被測信號進(jìn)行計數(shù)。設(shè)時鐘頻率為五，周期為，計數(shù)器的值為，則被測信號的時間間隔為；式（一）這種方法的原理比較簡單，但要實現(xiàn)的分辨率，其計數(shù)頻率要達(dá)到，信號達(dá)到微波段。這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路中不易實現(xiàn)。因此，目前該方法只能達(dá)到級的精度，當(dāng)然，這種方法的優(yōu)點是容易實現(xiàn)?；诟叻直媛识虝r間間隔測量的研究與實現(xiàn)模擬內(nèi)插法時間間墮妊二二二二二二二二二二??；二二二二二二二二二二二刊卜一磊一：一恤一卜內(nèi)插哩塑廣幾：互盟互計

13、數(shù)：出凹圖內(nèi)插法原理波形圖如圖所示，輸入信號的時間間隔為互，在測量互時，計數(shù)器將在對正時間內(nèi)通過閘門的鐘脈沖計數(shù)。由于輸入信號與時鐘信號之間存在相位差，因此，計數(shù)器測量的時間為瓦而不是，這將會產(chǎn)生±個時鐘周期的誤差。互一互式（）內(nèi)插法就在于測定互和疋這兩個短時間間隔，以降低±個時鐘周期的誤差。設(shè)法將輸入信號起始的觸發(fā)脈沖與第一個計數(shù)脈沖之間的時間間隔擴展倍，得到。，然后在正×的時間間隔通過鐘脈沖計數(shù)。同理，對疋也擴展倍計數(shù)。由于將短的時間擴展了倍，因此用鐘脈沖計數(shù)測量時的分辨率由提高到。這樣只要測出、互和疋的時間，就可以算出正。將正雜矗。，瓦若岳。代入式（）得到：

14、念一旦卜（蓋一羔）川。瑚一）×式（）中，。為計數(shù)時鐘的周期，為對擴展倍后的計數(shù)值，為對擴展倍后的計數(shù)值。由該式可知，應(yīng)用內(nèi)插法以后，設(shè)備的測時分辨率提高了倍，這樣±誤差降低到原來的?？紤]到瓦和疋都有誤差，因此總的誤差降低到原來的。第一章緒論時間幅度轉(zhuǎn)換法這種方法的思想是利用恒定的電流對電容進(jìn)行充電，將時間轉(zhuǎn)換為電壓。然后采用高速的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對該電壓數(shù)字化。轉(zhuǎn)換完成后，電容再迅速放電，以減少死區(qū)時間。具體利用了一個線性斜坡電壓產(chǎn)生器，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖信號到來時，起動一個斜坡發(fā)生器，當(dāng)此后的第一個量化時鐘脈沖到來時，使采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)以保持斜坡發(fā)生器此時的電壓值，然后再做模

15、數(shù)轉(zhuǎn)換，記錄下此刻的電壓值，設(shè)定斜坡發(fā)生器在一個時鐘周期時間內(nèi)電壓的變化量為圪。，假設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為，則滿幅時所對應(yīng)的電壓也為圪。，在量化誤差時間間隔內(nèi)的輸出為，則對應(yīng)的時間正的值應(yīng)該為：互等兀式（）該方法存在的誤差來源主要包括在以下兩個方面：第一，的轉(zhuǎn)換誤差導(dǎo)致電壓測量值存在誤差；第二，線性斜坡電壓發(fā)生器的非線性誤差導(dǎo)致的測量誤差。該方法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測量分辨率，轉(zhuǎn)換時間短，等于轉(zhuǎn)換的時間。缺點是轉(zhuǎn)換的非線性誤差比較大，而且制作工藝較復(fù)雜。長度游標(biāo)法長度游標(biāo)法由于它的工作原理類似于游標(biāo)卡尺而得名。理論上長度游標(biāo)法能夠同時實現(xiàn)高分辨率和大量程測量，但是由于設(shè)計上的困難，其分辨率往往

16、只能在較短的時間內(nèi)保持。因此，長度游標(biāo)法通常結(jié)合插值法來測量，與模擬內(nèi)插法和時間幅度轉(zhuǎn)換法類似，先利用直接計數(shù)器進(jìn)行粗測，然后再采用游標(biāo)法進(jìn)行高分辨率測量。長度游標(biāo)法的測量原理是依靠兩個可啟動振蕩器來實現(xiàn)的，利用時間間隔的開始時刻開啟一個周期為互的振蕩器，用結(jié)束時刻開啟另一個周期為疋的振蕩器，而且正稍大于乃。然后對這兩個振蕩器分別計數(shù)，直到這兩個振蕩器輸出的頻率信號相位重合。則周期為正的振蕩器計數(shù)表示的時間和周期為疋的振蕩器計數(shù)表示的時間之差就是被測的時間間隔信號。游標(biāo)法測量的高分辨率是由兩個可啟動振蕩器的高穩(wěn)定度與高可靠性保證的，在比較長的時間間隔測量中，這種方法比較難以實現(xiàn)。另外高精度的重

17、合檢測電路也顯得非常重要。量化時延法利用器件本身的延時特性，使事件信號通過這一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩(wěn)定性，并在計算機的控制下對延時單元的狀態(tài)進(jìn)行高速采集和數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)對短時間間隔的精確測量。其測量原理波形如圖所示?；诟叻直媛识虝r間間隔測量的研究與實現(xiàn)開始信號結(jié)束信號圖量化法的測量原理波形圖圖中，在結(jié)束信號到來時刻，延時狀態(tài)被采樣并保存。根據(jù)開始信號所通過的延時單元數(shù)目，就能夠得到待測的時間間隔。疋式（）式（）中正為被測時間間隔，為其所通過的延時單元個數(shù)，為單個延時單元的延遲時間。在這種方法中存在±一個延時單元的延遲時間的誤差。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在很多大型物理實驗中，

18、時間間隔測量作為一種重要的鑒別和探測手段，對測量的精度要求非常嚴(yán)格。如何提高時間測量的精度成為物理學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。比較典型的時間間隔測量儀器有、等，其中具有的時間分辨率，測量精度，具有的單次測量時間分辨率。在國內(nèi)的論文【謂中，典型的有中國科學(xué)院高能物理研究所在北京正負(fù)電子對撞機和北京譜儀中應(yīng)用了西歐粒子物理研究中心（）研制的高精度時間間隔測量芯片，用于測量核心探測器主漂移室中對撞時刻和電離電子到達(dá)陽極絲時刻之間的時間間隔，這是亞領(lǐng)域內(nèi)精確的時間測量。該芯片有個通道，種可選的精度模式，當(dāng)其工作在低分辨精度模式時，時間分辨率約為；當(dāng)其工作在中分辨精度模式時，時間分辨率約為；當(dāng)其工作在高分辨精度

19、模式第一章緒論時，時間分辨率約為；當(dāng)其工作在甚高分辨精度模式時，時間分辨率約為。不論從時間分辨還是多通道功能上，該芯片都是目前同類產(chǎn)品中的佼佼者。德國公司研發(fā)的高精度時間間隔測量芯片，可提供兩通道或單通道分辨率的時間間隔測量，小量程測量范圍為，可用個通道，大量程測量范圍為。用實現(xiàn)時間間隔測量，在國外論文【】中，比較典型的包括兩個設(shè)計：一個是，等人的研究。他們采用的是公司的系列。該是基于微米的工藝，采用逆熔絲結(jié)構(gòu)。在的內(nèi)部，構(gòu)建差分延遲線（），得到分辨率為的系統(tǒng)。另一個例子是和等人，采用公司的系列實現(xiàn)的。該是五層金屬微米工藝，采用基于的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用抽頭延遲線法（），取得的分辨率。論文的工作以

20、及安排一、主要工作本文基于脈沖計數(shù)法的基礎(chǔ)上提出了等效脈沖計數(shù)法，等效脈沖計數(shù)法的原理是通過鎖相環(huán)對原始計數(shù)時鐘信號進(jìn)行倍頻和移相后獲得路具有固定相移的計數(shù)時鐘信號，然后用這路計數(shù)時鐘對閘門信號進(jìn)行計數(shù)，相加后得到被測時間間隔閘門信號。然而，在等效脈沖計數(shù)法中，為了獲得這路具有固定相移的信號，往往需要幾個鎖相環(huán)才能完成。因此，為了減少鎖相環(huán)的個數(shù)，針對的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法。改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的原理通過對時間間隔閘門信號進(jìn)行延時，得到個延時依次相差的閘門信號，然后利用鎖相環(huán)對原始計數(shù)時鐘信號進(jìn)行倍頻，對各個閘門信號進(jìn)行計數(shù)，最后相加得到被測信號的時間間隔閘門信號

21、。改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法和等效脈沖計數(shù)法的主要區(qū)別在于：改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法是通過對閘門信號進(jìn)行相移，而等效脈沖計數(shù)法是通過對鎖相環(huán)倍頻后的信號進(jìn)行相移。因此，改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法只需要一個鎖相環(huán)就能實現(xiàn)短時間間隔測量，而等效脈沖計數(shù)法需要幾個鎖相環(huán)。本文詳細(xì)的介紹了等效脈沖計數(shù)法和改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的軟件以及硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)主要通過硬件描述語言編程實現(xiàn)；硬件實現(xiàn)主要包括及其外圍電路和單片機及其外圍電路的設(shè)計。最后通過實驗證明，基于的改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法相對于等效脈沖計數(shù)法具有一定的優(yōu)勢，而且改進(jìn)等效脈沖基于高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)計數(shù)法的時間間隔測量系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到，測量時間范圍達(dá)到。二

22、、內(nèi)容安排第一章：主要介紹了時間間隔測量的必要性，同時對傳統(tǒng)的各種時間間隔測量方法進(jìn)行介紹。第二章：主要描述了短時間間隔測量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。第三章：主要描述了短時間間隔測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計及實現(xiàn)。第四章：主要描述了短時間間隔測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)。第五章：對測量系統(tǒng)的實驗結(jié)果進(jìn)行分析。第六章：總結(jié)以及后續(xù)工作的展望。小結(jié)本章主要描述了短時間間隔的重要性及其傳統(tǒng)的各種測量方法，然后對本論文的主要研究工作以及本文的內(nèi)容安排進(jìn)行了闡述。下一章主要描述了短時間間隔測量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案可編程邏輯器件的簡述近年來，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展引，在某些方面，已

23、經(jīng)完全可以取代。為了獲得更短的開發(fā)時間，犧牲一部分性能。它所特有的可重構(gòu)性不僅增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性，同時也大大減小了系統(tǒng)的規(guī)模，非常具有研究和開發(fā)的潛力。在當(dāng)今這個數(shù)字化的時代，數(shù)字集成電路在不斷地進(jìn)行自我更新。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（，幾萬門以上）以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路（）芯片，而且希望的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件（），其中應(yīng)

24、用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列（）和復(fù)雜可編程邏輯器件（）。的發(fā)展早期的可編程邏輯器件主要包括可編程只讀存貯器（）、紫外線可擦除只讀存貯器（）和電可擦除只讀存貯器（的）三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。隨后，出現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（），它的應(yīng)用和發(fā)展不僅簡化了電路設(shè)計，降低了開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了革命性的變化。器件的雛形在是世紀(jì)年代中期出現(xiàn)的可編程邏輯陣列（），由可編程的與陣列和可編程的或陣列構(gòu)成，陣列的規(guī)模相對比較小，編程也比較瑣碎。后來出現(xiàn)了可編程陣列邏輯（），是由可編程的與陣列和固定的或陣列構(gòu)成，并采用熔

25、絲編程方式，而且它的設(shè)計比較靈活，器件速度快，因而成為第一個得到普遍應(yīng)用的器件。世紀(jì)年代初，美國公司發(fā)明了通用陣列邏輯（）。器件采用了工藝，具有可擦除、可編程、可長期保持?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)點，使用非常靈活，因此得到了更為廣泛的應(yīng)用。之后，器件進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期，不斷地向著高速度、大規(guī)模、基于高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)低功耗的方向發(fā)展。世紀(jì)年代，公司推出了一種新型的可編程的邏輯器件（），它采用和工藝制成，設(shè)計更加靈活，集成度也更高，但它的內(nèi)部連線功能稍微弱了一些。年，美國公司推出了一種采用單元型結(jié)構(gòu)的新型現(xiàn)場可編程門陣列（）。它采用、工藝制作，在結(jié)構(gòu)上和陣列型有所不同，它的內(nèi)部由許多相互獨立

26、的可編程邏輯單元組成，各邏輯單元之間可以靈活地相互連接，具有速度快、密度高、編程靈活、可重新配置等優(yōu)點，當(dāng)今，成為當(dāng)前主流的器件之一。（），即復(fù)雜可編程邏輯器件，是由改進(jìn)而來，采用工藝制作而成，與相比，對邏輯宏單元和單元也有重大的改進(jìn)，同時增加了內(nèi)部連線，使得它的性能更好、使用更方便。尤其是在公司發(fā)明了在系統(tǒng)編程（）技術(shù)之后，相繼出現(xiàn)了一系列具備功能的器件，是當(dāng)今另一主流的器件。的基本結(jié)構(gòu)】是在的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一種新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用工藝，也有一些采用工藝或反熔線（）工藝等。的基本組成部分主要有基本可編程邏輯單元、可編程輸入輸出單元、豐富的布線資源、嵌入式塊、底層嵌入功能單

27、元和內(nèi)嵌專用硬核【等。各部分簡介如下：基本可編程邏輯單元基本可編程邏輯單元是可編程邏輯的主體，可以通過改變其內(nèi)部連接與配置，完成不同的邏輯功能。的基本可編程邏輯單元由查找表（，）和寄存器（）組成的。的查找表一般為輸入，查找表主要完成純組合邏輯的功能。內(nèi)部寄存器非常靈活，既可以通過配置作為帶同步異步復(fù)位和置位、時鐘使能的觸發(fā)器（，），也可以通過配置成為鎖存器（）。通常是依賴寄存器完成同步時序邏輯設(shè)計。一般的基本可編程單元的配置是由一個寄存器和一個查找表組成，但是不同廠商的寄存器和查找表的結(jié)構(gòu)存在有一定的差別，而且寄存器和查找表的組合模式也有所不同。大多數(shù)的每一個邏輯單元（，）基本上是由一個和一個

28、組成，并由個組合，構(gòu)成具有更大功能的單元一邏輯陳列塊（，），中除了外，還包含間的進(jìn)位鏈、控制信號、級聯(lián)鏈、局部互聯(lián)線資源、寄存器級聯(lián)鏈等連線與控制資源。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案器件選型和規(guī)模估算是學(xué)習(xí)底層配置單元的和比率的一個重要意義。這是由于內(nèi)部除了基本可編程邏輯單元外，還有包含有嵌入式的、或者是，專用的等，這些模塊也能等效出一定規(guī)模的系統(tǒng)門，因此簡單科學(xué)的方法是用器件的或數(shù)量來衡量。可編程輸入輸出單元輸入輸出（）單元簡稱口，它是芯片與外界電路的接口，主要完成不同電氣下對輸入輸出信號的驅(qū)動與匹配。為了能夠使得有更靈活的應(yīng)用，目前大部分的單元都被設(shè)計成可編程模式，通過軟件配置，可以靈活適應(yīng)不同

29、電氣標(biāo)準(zhǔn)與物理特性；可以調(diào)整輸出驅(qū)動電流的大??；可以調(diào)整匹配阻抗特性等。一般來說，常見的電器標(biāo)準(zhǔn)有、和等。隨著工藝的飛速發(fā)展，可編程單元支持的頻率越來越高，有的甚至可以支持高達(dá)的數(shù)據(jù)速率。豐富的布線資源布線資源與內(nèi)部所有單元相連接，連線的長度和工藝決定信號在連線上的傳輸速度和驅(qū)動能力。布線資源的劃分，一些用以完成器件內(nèi)部的全局時鐘和全局復(fù)位置位的布線稱為全局性的專用布線資源；用以完成基本邏輯單元間的邏輯互連與布線稱為短線資源；用以完成器件間的一些高速信號和一些第二全局時鐘信號（也可以稱為信號）的布線稱為長線資源；另外，在邏輯單元內(nèi)部還有各種布線資源和專用時鐘、復(fù)位等控制信號線。在實現(xiàn)的過程中，

30、一設(shè)計者不需要直接選擇布線資源，而由布局布線器根據(jù)輸入邏輯網(wǎng)表的約束條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動選擇可用的布線資源連通所用的底層單元模塊，因此設(shè)計者通常都忽略布線資源。其實布線資源的優(yōu)化與使用與實現(xiàn)結(jié)果有著直接的關(guān)系。嵌入式塊目前基本上都有內(nèi)嵌模塊（）。內(nèi)部嵌入了可編程模塊，拓展了的應(yīng)用范圍以及使用靈活性。內(nèi)嵌模塊可以通過靈活配置為單端口（，）、偽雙端口（）、雙端口（，）、（）、（）等常用的存儲結(jié)構(gòu)。中沒有專用的硬件資源，實現(xiàn)是通過對賦予初值，并保持該初值。所謂，是指內(nèi)容地址存儲器。寫入的數(shù)據(jù)會跟其內(nèi)部存儲的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最后返回與端口數(shù)據(jù)相同的地址。而是一種根據(jù)地址讀寫數(shù)據(jù)的存儲單元；與相反，它

31、返回的是與數(shù)據(jù)相匹配的地址。是“先進(jìn)先出隊列式存儲結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)、等存儲結(jié)構(gòu)都是基基于高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)于嵌入式塊單元，并根據(jù)需求生成相應(yīng)的粘合邏輯（）完成地址和片選等邏輯。除了塊，和的還可以靈活地將配置成、等存儲結(jié)構(gòu)。底層嵌入功能單元底層嵌入功能單元的概念比較籠統(tǒng)，這里主要指的是那些通用程度較高的嵌入式功能模塊，如（）、（）、等。隨著的發(fā)展，這些模塊越來越多地被嵌入到中，來滿足不同場合需求。目前大多數(shù)的內(nèi)部都集成了或者硬件電路，用以完成時鐘的高精度、低抖動的分頻、倍頻、占空比調(diào)整、移相等功能。目前，高端的產(chǎn)品所集成的和功能越來越復(fù)雜，精度越來越高（一般在的數(shù)量級）。芯片集成的是，

32、芯片集成的是，新型的同時集成了與以適應(yīng)不同的需求。芯片的模塊分為快速（）和增強型（）等?，F(xiàn)在的高端產(chǎn)品將包含或等軟處理核，從而將由傳統(tǒng)的硬件設(shè)計逐步過渡為系統(tǒng)級設(shè)計平臺。內(nèi)嵌專用硬核內(nèi)嵌專用硬核與“底層嵌入單元是有區(qū)別的，這里的硬核主要是指那些通用性相對比較弱，并不是所有器件都包含硬核（）。通常稱和為通用邏輯器件，是用以區(qū)分于專用集成電路（）。其實有兩個陣營：一方面是通用性較強的，價格適中的，目標(biāo)市場范圍很廣；另一方面是針對性較強，價格較高的，目標(biāo)市場明確。前者主要是指低成本，后者主要是指高端通信市場的可編程邏輯器件。例如，的對應(yīng)器件族是和；的器件族內(nèi)部集成了以（串并收發(fā)單元）；器件的專用的比

33、重更大，有兩類器件族支持功能，分別是系列和現(xiàn)場可編程系統(tǒng)芯片（，）。等效脈沖計數(shù)法的測量原理在緒論中介紹的幾種傳統(tǒng)時間間隔測量的方法中，脈沖計數(shù)法的實現(xiàn)比較簡單，但是存在±個字的誤差，隨著計數(shù)時鐘頻率的提高，這個誤差會減少，然而，如果單純的只是增加計數(shù)時鐘的頻率，要實現(xiàn)的分辨率，則計數(shù)時鐘至少達(dá)到以上的頻率，這在實際的電路中會很難保證電路的穩(wěn)定性。因此，本文在脈沖計數(shù)法的基礎(chǔ)上，提出了等效脈沖計數(shù)法的時間間隔測量方法。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案等效脈沖計數(shù)法的測量原理本文提出的等效脈沖計數(shù)法的測量原理是基于數(shù)字移相技術(shù)。所謂移相是指對于兩路同頻信號，以其中一路為參考信號，另一路相對于該

34、參考信號做超前或滯后的移動形成相位差。等效脈沖計數(shù)法的原理框圖如圖所示，其測量原理波形圖如圖所示。原時時閘門圖等效脈沖計數(shù)法的原理框圖起始信號：燦錯廠閘篙罌！二二二二二習(xí)閘門信號一叫似。廠廠廠廠廠廠廠廠上上上廠廠廠廠咄廠廠廠：廠電七：等效時鐘們門門門門門門門門門門門們門門門門門門門門門門門門門門門門門門門門門，基：高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)如圖、所示，時間間隔閘門信號與起始信號和終止信號信號同步，通過鎖相環(huán)對原始輸入時鐘信號倍頻和移相后得到、，個時鐘信號，頻率相同，相位依次相差，用這四路時鐘信號的上升沿驅(qū)動四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)，同時利用這四路時鐘信號的下降沿驅(qū)動另

35、四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)。設(shè)倍頻和相移后計數(shù)時鐘頻率為正，周期為，時鐘信號的個數(shù)為，各個計數(shù)器的計數(shù)值分別為，則被測的時間間隔為：工去善聊心丟如）×疋式（）式（）中，令：÷×疋，則：瓦，×疋式（）式（）中，。為等效脈沖計數(shù)法的等效計數(shù)時鐘周期，宦的倒數(shù)正為等效計數(shù)時鐘頻率。從以上的分析可以看出，原始計數(shù)時鐘周期為瓦，頻率為，通過相移后得到的計數(shù)時鐘的個數(shù)為，則其等效計數(shù)時鐘周期為÷×，等效計數(shù)時鐘頻率為蛻。等效脈沖計數(shù)法的各個時鐘之間是有相關(guān)性的，雖然是將次計數(shù)結(jié)果相加后平均，但其量化誤差不同于計數(shù)平均法；而計數(shù)平均

36、法的丹次計數(shù)過程沒有相關(guān)性，總閘門時間誤差會隨著計數(shù)次數(shù)的增加而增加?！钡刃}沖計數(shù)法的量化誤差分析下面通過對脈沖計數(shù)法和等效脈沖計數(shù)法的量化誤差進(jìn)行分析，并說明等效脈沖計數(shù)法能夠減小量化誤差。脈沖計數(shù)法的量化誤差分析第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案起始信號終止信號，廠終止信號，！一時間間隔卜一二飛廠廠廠廠廠；、廠叫卜一卜卜一叫圖脈沖計數(shù)法的時間間隔測量原理波形如圖，在脈沖計數(shù)法的時間間隔測量原理中，計數(shù)時鐘頻率為正，周期為，在時間閘門上的計數(shù)值為，則短時間間隔的計算公式為：×式（）由于對疋的實際計數(shù)時間是不是，因此產(chǎn)生量化誤差為：一，式（）式（）中，。和：是在，疋】上服從均勻分布的隨機變量

37、，由此可得測量誤差為：一乏瓦式（）式（）中忽略了由短時間間隔產(chǎn)生計數(shù)閘門時的觸發(fā)誤差和計數(shù)時鐘頻率的時基誤差，這是由于觸發(fā)誤差和時基與量化誤差相比是微小誤差。由式（）可知脈沖填充法的測量分辨率為疋，測量誤差為瓦，其精度同樣取決于計數(shù)時鐘的頻率以。等效脈沖計數(shù)法的量化誤差分析等效脈沖計數(shù)法的短時間間隔測量方法是在脈沖計數(shù)法的基礎(chǔ)上提出的，所以在脈沖計數(shù)法的基礎(chǔ)上討論該方法的量化誤差分析。由式（）和式（）可得等效脈沖計數(shù)法的測量誤差公式為：竹私智式（）式（）中，為移相后計數(shù)時鐘的個數(shù)，正為第個延遲參考頻率的量化誤差。因此等效脈沖計數(shù)法的測量誤差為：基于高分辨率短時間間隔測量的研究與實現(xiàn)蘭疋土。式（

38、）比較式（）和式（），在計數(shù)時鐘頻率相同的情況下，等效脈沖計數(shù)法的測量誤差和測量分辨率都為脈沖計數(shù)法的÷，這是由于傳統(tǒng)的脈沖計數(shù)法只用上升沿進(jìn)行計數(shù)，而等效脈沖計數(shù)法既用上升沿也用下降沿進(jìn)行計數(shù)，因此，當(dāng)進(jìn)行次相移以后，得到的分辨率就是傳統(tǒng)脈沖計數(shù)法的÷。其測量結(jié)果相當(dāng)于脈沖填充法在其他條件不變的情況下將計數(shù)頻率值提高刀倍的測量結(jié)果。等效脈沖計數(shù)法雖然將次測量的計數(shù)值進(jìn)行平均，但并不等同于一般的計數(shù)平均法。計數(shù)平均法連續(xù)或隨機取個計數(shù)值后進(jìn)行平均，但是計算得到的短時間間隔值不會有任何測量精度上的提高。因為這次計數(shù)過程沒有任何相關(guān)性，次測量的總時間間隔誤差會隨著測量次數(shù)的增加

39、而增加，不會改善測量誤差和測量分辨率。若需進(jìn)一步提高這種方法的測量分辨率，可以通過以下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：第一：提高晶振頻率，尋求速度更快的芯片，晶振頻率越高，測量誤差越小。第二：增加的鎖相環(huán)個數(shù)，繼續(xù)對輸入時鐘進(jìn)行移相，把每路時鐘相移設(shè)置成，用他們驅(qū)動個計數(shù)器，從而將測量精度又能夠提高一半。然而，在一般的中，一個鎖相環(huán)只能夠?qū)崿F(xiàn)兩路倍頻和相移，在等效脈沖計數(shù)法中，而為了獲得路具有相對相移的時鐘信號，往往需要幾個鎖相環(huán)對原始輸入時鐘信號進(jìn)行倍頻和相移，這導(dǎo)致所需要選用的更加高級，則所設(shè)計的短時間間隔測量儀器價格將變得昂貴。等效脈沖計數(shù)法改進(jìn)方法的探討從節(jié)的分析中，要增加等效脈沖計數(shù)法的測量分辨率

40、，要么增加晶振頻率，要么增加鎖相環(huán)的個數(shù)。但是，在實際的電路中，如果晶振頻率的增加，則會導(dǎo)致芯片的速度跟不上。如果要增加鎖相環(huán)的個數(shù)，則需要選用更加高級的芯片，這會增加成本。為了能夠在保證成本的基礎(chǔ)上，又能提高時間間隔的測量分辨率，本文對等效脈沖計數(shù)法的一些改進(jìn)方法進(jìn)行探討。第一種等效脈沖計數(shù)法的改進(jìn)從節(jié)的分析中得出，在實現(xiàn)等效脈沖計數(shù)法中可以通過增加鎖相環(huán)的個數(shù)提高測量分辨率，但是增加鎖相環(huán)則需要選用更加高級的芯片。為了減少第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計方案鎖相環(huán)的個數(shù)，本文設(shè)計了利用器件延時來代替鎖相環(huán)的實現(xiàn)相移，其原理框圖如圖所示。原始輸入時鐘時間間隔閘圖第一種改進(jìn)等效脈沖計數(shù)法的原理框圖圖中，先

41、通過鎖相環(huán)對原始輸入時鐘信號進(jìn)行倍頻，然后利用器件延時對倍頻后得到的時鐘信號進(jìn)行延時，對倍頻后的時鐘信號進(jìn)行次器件延時之后得到時鐘信號，相位依次相差，用這四路時鐘信號的上升沿驅(qū)動四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)，同時利用這四路時鐘信號的下降沿驅(qū)動另四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測時間間隔閘門的值。同理，其被測信號的時間間隔閘門信號的值為：去聊×疋言（腳聊肌聊朋聊）×厶（，”）×疋式（）式（）中，為各個計數(shù)器的計數(shù)值，。為倍頻后得到的時鐘信號的周期，為時鐘信號的個數(shù)，。為等效時鐘周期。在這種等效脈沖計數(shù)法的改進(jìn)中，只需

42、要一個鎖相環(huán)對原始輸入信號進(jìn)行倍頻，然后通過器件延時實現(xiàn)相移功能，能夠減少鎖相環(huán)個數(shù)。在延時的分析中發(fā)現(xiàn)，雖然每個器件的延時時間是固定的，但是，經(jīng)過大量的布局布線的實驗，很難使得時鐘信號到達(dá)與其所連接的計數(shù)器的延時相等。因此，這種改進(jìn)在中難以實現(xiàn)?；诟叻直媛识虝r間間隔測量的研究與實現(xiàn)第二種等效脈沖計數(shù)法的改進(jìn)本文的第二種改進(jìn)方法是利用內(nèi)部的導(dǎo)線延時，也就是通過對各個計數(shù)器進(jìn)行布局，利用鎖相環(huán)的輸出到達(dá)各個計數(shù)器的延時不同當(dāng)作相移，其原理圖如圖所示。原始輸入時鐘時間間隔閘圖第二種改進(jìn)等效計數(shù)法的原理框圖圖中，先通過鎖相環(huán)對原始時鐘信號進(jìn)行倍頻，然后利用導(dǎo)線延時對倍頻后得到的時鐘信號進(jìn)行延時，對倍頻后的時鐘信號進(jìn)行次導(dǎo)線延時之后得到時鐘信號，頻率相同，相位依次相差（延時為時鐘信號的相差），用這四路時鐘信號的上升沿驅(qū)動四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)，同時利用這四路時鐘信號的下降沿驅(qū)動另四個相同的計數(shù)器對時間間隔閘門信號進(jìn)行計數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測時間間隔閘門的值。同理，其被測信號的時間間隔的值為：瓦去孫×疋式（）式（）中，為各個計數(shù)器的計數(shù)值，為時鐘信號的個數(shù)，為倍頻后得到的時鐘信號的周期。在這種等效脈沖計數(shù)法的改進(jìn)中，只需要一個鎖相環(huán)對原始輸入信