基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2008屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第II頁(yè) 共II頁(yè)清華大學(xué)2008屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)明書(shū)書(shū)基于FPPGA的的時(shí)間間間隔測(cè)量量?jī)x的設(shè)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名名：學(xué)號(hào)： 學(xué) 院：專 業(yè)：指導(dǎo)教師師：20122年 6 月摘 要要隨著科技技的飛速速發(fā)展，人們對(duì)對(duì)高精度度的時(shí)間間頻率的的需求越越來(lái)越高高，傳統(tǒng)統(tǒng)可馴鐘鐘系統(tǒng) (自動(dòng)動(dòng)校頻系系統(tǒng))是模擬擬或半數(shù)數(shù)字體制制，其時(shí)時(shí)差測(cè)量量單元采采用高精精度時(shí)間間間隔計(jì)計(jì)數(shù)器，存在成本本高、調(diào)調(diào)試?yán)щy難和不易易建立模模型等缺缺點(diǎn)。微微電子技技術(shù)的發(fā)發(fā)展，推推動(dòng)了可可編程邏邏輯技術(shù)的發(fā)發(fā)展，出出現(xiàn)了價(jià)價(jià)格低廉廉、適合合工程應(yīng)應(yīng)用的現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可編編程邏輯輯器件(FPG

2、GA)，因此采采用FFPGAA 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高精度度時(shí)間間間隔測(cè)量量具有很很大的現(xiàn)現(xiàn)實(shí)意義義。本文詳細(xì)細(xì)分析了了幾種傳傳統(tǒng)時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量方法法，深入入研究了了延遲單單元在 FPGGA 中中的實(shí)現(xiàn)方法法，并對(duì)對(duì)事件延延遲內(nèi)插插法、時(shí)時(shí)鐘延遲遲內(nèi)插法法、以及及差分延延遲內(nèi)插插法三種種時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法的仿真真驗(yàn)證，結(jié)果表表明，基基于差分分延遲線線測(cè)量的的分辨率率最高，消耗硬硬件資源源最少。在此基基礎(chǔ)之上上，在 Altteraa公司CyyclooneIII系列列的EPP2C8QQ2088C8NN芯片中中實(shí)現(xiàn)分分辨率為為43pps的差差分延遲遲鏈，采采用粗細(xì)細(xì)結(jié)合測(cè)測(cè)量的方方案，設(shè)設(shè)計(jì)了一一個(gè)集成成在FFPGA

3、A 內(nèi)的的高精度度時(shí)間間間隔測(cè)量模模塊。設(shè)設(shè)計(jì)主要要包括四四個(gè)部分分：系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)鐘模模塊、粗粗測(cè)量單單元、細(xì)細(xì)測(cè)量單單元、數(shù)數(shù)據(jù)處理理與數(shù)據(jù)據(jù)傳輸模模塊，并并在QuuarttusIII開(kāi)發(fā)發(fā)環(huán)境下下通過(guò)VVeriiloggHDLL語(yǔ)言對(duì)對(duì)模塊進(jìn)進(jìn)行軟件件實(shí)現(xiàn)?；贔PPGA的的時(shí)間間間隔測(cè)量量的精度度達(dá)到2200pps，具具有高精精度、集集成度高高、易于于移植的的特點(diǎn)，是一種種較優(yōu)的的設(shè)計(jì)方方案，有有著很好好的應(yīng)用用前景。關(guān)鍵詞：FPPGA，時(shí)間間間隔測(cè)量量，差分延延遲內(nèi)插插法，延遲線線ABSSTRAACTWithhtheerappiddevveloopmenttofsciiencceandte

4、cchnoologgy,thhedemanddofhiggh-ppreccisiion timmeandd frrequuenccyareeinccreaasinnglyy hiigheer.Thhe ttradditiionaal DisscipplinnedCloock Sysstemm (aadapptivve ffreqquenncy callibrratiion sysstemm) aadoppts analoog oor ssemi-diigittal sysstemm,whiich usee hiigh preecissionntime-iinteervaalcouunteerm

5、eassureetimeparrt.BBut it exiistss shhorttcommingg suuch as:higgh ccostt,laargeimpacctbyenvironmenttalfacctorrs.Devveloppmenttofmicrooeleectrroniccstecchnoologgy,annd pprommoteetheedevveloopmenttofproograammaableeloggictecchnoologgy.Thhereehas bbeenn a loww prricee, ssuittableforrenggineeeriingapppl

6、iccatiions ooffieeldprograammabllegattearrray(FPPGA).Soreaachingg prreciise timme-innterrvall measuure bassed on FPGGAhass thhe ggreaat ppraccticcal siggnifiicannce.Thiss paaperr annalyysiss thhe ccommmonlly mmethhodss off tiime-iinteervaal. Andd thhe eevennt ddelaay iinteerpoolattionn methhod,thee

7、cllockk deelayy innterrpollatiion andd thhe iinteerpoolattionn off thhreee diiffereentiial dellaytimeintterppolatiionsoftheesimulaatioonresuultssshoowthaattheediffereentiialdelayylinnebassed ontheehigghesstressoluutioonmeassureementss,aminimumm coonsuumpttionnofharrdwaareressourrcess.Onn thhisbassis

8、,Idessignntorealiizingga43ppsdellaydifferrencceofdiffereentiialdellaybassedonCycclonne IIIserriessofAltteraasEP2CC8Q2008C88N cchipp.Anninttegrrateedhiggh-ppreccisiiontimeinttervvalmeassureementt moduule be dessignned andd embedddedd inn FPPGA.I ddeteerminee thhe sspeccifiic mmeassureementtforrtimein

9、ttervval:dessign bbycruudeandfinnemeasurrementt.Thhemainnmodullesare:Sysstemm cllockkmoduule,coaarseemeassureementtmoddulee,anndfinnemeassureementtuniits,datta pproccesssinggandddattatraansmmisssionnmoddulees.FinnalllyuseetheeVeriiloggHDLL sooftwwareetosimulaate thee enntirre pproggrammin thee Quuar

10、ttus99.0.TheFPGAA-baasedtimeinttervvalmeassureementtacccuraccyof2000ps,witthhigghacccuraacy,hiighinttegrratiion,eeasyy-too-trranssplaantchaaraccterristticss.Ittisabettterrdessignn,hass a goood aappllicaatioon pprosspeccts.Key worrds:FPGGA，Time iinteervaal mmeassureementt，Diffferrenttialldellayintter

11、ppolaatioon ，Dellay linne第 I頁(yè) 共II頁(yè)目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328265851 1.1研究背背景與意意義1 HYPERLINK l _Toc328265852 1.2國(guó)內(nèi)外外發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀3 HYPERLINK l _Toc328265853 1.3論文主主要研究究?jī)?nèi)容6 HYPERLINK l _Toc328265854 2 時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的基本原原理及方方法8 HYPERLINK l _Toc328265855 2.1時(shí)間間間隔測(cè)量量的一般般技術(shù)指指標(biāo)8 HYPERLINK l _Toc328265856 2.1.

12、1準(zhǔn)確度度8 HYPERLINK l _Toc328265857 2.1.2頻率穩(wěn)穩(wěn)定度8 HYPERLINK l _Toc328265858 2.1.3分辨率9 HYPERLINK l _Toc328265859 2.1.4精度9 HYPERLINK l _Toc328265860 2.2直接計(jì)計(jì)數(shù)法9 HYPERLINK l _Toc328265861 2.3時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法10 HYPERLINK l _Toc328265862 2.3.1內(nèi)插基基礎(chǔ) I頁(yè) 共II頁(yè) HYPERLINK l _Toc328265876 4.1實(shí)現(xiàn)方方案 頁(yè) 共36頁(yè)1 緒緒論1.1研究背背景與意意義現(xiàn)代科學(xué)學(xué)

13、技術(shù)的的發(fā)展建建立在精精密測(cè)量量基礎(chǔ)之之上，對(duì)對(duì)時(shí)間間間隔測(cè)量量技術(shù)，尤其是是對(duì)高精度高高分辨率率的時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量技術(shù)術(shù)的研究究具有重重大的意意義，無(wú)無(wú)論是在在通訊、電子儀儀器、導(dǎo)導(dǎo)航定位位、航天天航空、天文，還是計(jì)計(jì)量、電電子技術(shù)術(shù)等領(lǐng)域域都離不不開(kāi)高精精度的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量1。時(shí)間間隔隔測(cè)量以以穩(wěn)定的的周期性性運(yùn)動(dòng)為為基礎(chǔ)，以選定定的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)周期倍倍數(shù)或分分?jǐn)?shù)為時(shí)時(shí)間單位位進(jìn)行測(cè)測(cè)量。人人類對(duì)時(shí)時(shí)間間隔隔的測(cè)量量經(jīng)歷了了圭表、機(jī)械鐘鐘、石英英鐘、原原子鐘等等不同階階段。隨隨著社會(huì)會(huì)生產(chǎn)力力的迅猛猛提高和和科學(xué)技技術(shù)的飛飛速發(fā)展展，人們們對(duì)時(shí)間間由時(shí)間間的基本本單位導(dǎo)導(dǎo)出的物物理量頻率率的準(zhǔn)

14、確確度提出出了越來(lái)來(lái)越高的的要求，即對(duì)時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量分分辨率和和精度的的要求不不斷提高高。高精度短短時(shí)間間間隔測(cè)量量是由多多學(xué)科、多技術(shù)術(shù)領(lǐng)域交交叉形成成的一門(mén)門(mén)專業(yè)技技術(shù)，是是高精度度超聲波波測(cè)距、激光脈脈沖測(cè)距距和雷達(dá)達(dá)測(cè)距的的基礎(chǔ)。在激光光測(cè)距中中，主要要是要測(cè)測(cè)量電磁磁波的發(fā)發(fā)射波與與反射波波之間時(shí)時(shí)間間隔隔，來(lái)確確定被測(cè)測(cè)距離，測(cè)距精精度直接接由時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量精度度決定?，F(xiàn)在高高精度時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量已已成為軍軍事通信信、衛(wèi)星星定位等等航空航航天和國(guó)國(guó)防軍事事中不可可或缺的的關(guān)鍵技技術(shù)。近近年來(lái)，社會(huì)的的高速發(fā)發(fā)展對(duì)時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的精度提提出了更更高的要要求。在在可編程程邏輯器

15、器件(FFPGAA)單片片上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)時(shí)間間間隔測(cè)量量已有大大量成功功的例子子，相對(duì)對(duì)于傳統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)方法，應(yīng)用FFPGAA技術(shù)除除了具有有測(cè)量的的準(zhǔn)確度度高和設(shè)設(shè)備的穩(wěn)穩(wěn)定性強(qiáng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)外，更更有系統(tǒng)統(tǒng)集成度度高、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單靈活活、體積積小、易易于升級(jí)級(jí)擴(kuò)展和和成本低低廉等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，因因此通過(guò)過(guò)編程在在 FPPGA中中實(shí)現(xiàn)高高精度時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量具具有深遠(yuǎn)遠(yuǎn)的意義義。時(shí)統(tǒng)設(shè)備備是時(shí)間間統(tǒng)一系系統(tǒng)的重重要組成成部分，它向用用戶提供供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)時(shí)間頻率率信號(hào)，所以時(shí)統(tǒng)設(shè)設(shè)備的性性能已關(guān)關(guān)系到整整個(gè)時(shí)間間統(tǒng)一系系統(tǒng)各點(diǎn)點(diǎn)的時(shí)間間頻率同同步精度度和穩(wěn)定定性，同同時(shí)也關(guān)系到到終端用用戶獲取取的時(shí)間間頻率信信號(hào)的準(zhǔn)準(zhǔn)

16、確性和和穩(wěn)定。因此，時(shí)統(tǒng)對(duì)對(duì)提高時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備備的定時(shí)、校校頻性能能的研究究具有重重要意義義，而可可馴鐘技技術(shù)是時(shí)時(shí)統(tǒng)設(shè)備備實(shí)現(xiàn)定定時(shí)校頻頻功能的的主要方方法之一一2。典型型的時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備如如圖1.1所示示。圖 1.1典典型時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備原原理圖頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)是時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備的的心臟，由于對(duì)對(duì)站間同同步誤差差和時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備守守時(shí)能力力的要求求不斷提提高，對(duì)對(duì)時(shí)統(tǒng)設(shè)設(shè)備的頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)要求也也越來(lái)越越高。以以往時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備大大多配置置高穩(wěn)定定石英晶晶體頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，由由于受準(zhǔn)準(zhǔn)確度的的限制以以及需要要較長(zhǎng)的的開(kāi)機(jī)預(yù)預(yù)熱過(guò)程程等問(wèn)題題影響，在高精精度求場(chǎng)場(chǎng)合，單單一的石石英晶體體頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)已不不能滿足足要求，組合型型頻率標(biāo)

17、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)運(yùn)而生。組合型型頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)將不不同性能能優(yōu)勢(shì)的的頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，采采用電子子電路組組合成比比單個(gè)頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)性能指指標(biāo)更為優(yōu)良良的頻率率標(biāo)準(zhǔn)，即可馴馴鐘技術(shù)術(shù)。例如如，時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備曾曾采用銣銣原子頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)輸出的的標(biāo)準(zhǔn)頻率信信號(hào)鎖定定高短穩(wěn)穩(wěn)石英晶晶體頻率率標(biāo)準(zhǔn)，使其輸輸出的信信號(hào)既有有高頻率率準(zhǔn)確度度，又有有良好的短期期頻率穩(wěn)穩(wěn)定度。組合型型頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是在在現(xiàn)有頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)無(wú)法滿滿足時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備對(duì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻頻率信號(hào)指標(biāo)標(biāo)的全面面要求的的情況下下采用的的，它可可發(fā)揮參參加組合合不同頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)在某個(gè)個(gè)或者某某些指標(biāo)方面面的優(yōu)勢(shì)勢(shì)，如石石英晶體體頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)在秒秒以下的的頻率穩(wěn)穩(wěn)定度好好、銫原原子

18、頻率率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)準(zhǔn)確度高、氫氫原子頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 100s以上上的頻率率穩(wěn)定度度好等。近年來(lái)出出現(xiàn)了另另一種組組合形式式，即將將頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)與精精密校頻頻接收機(jī)機(jī)相結(jié)合合，利用用接收到到的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)時(shí)間頻頻率信號(hào)號(hào)校準(zhǔn)本本地頻率率標(biāo)準(zhǔn)的的頻率，使本地地頻率保保持較高高的準(zhǔn)確確度。這這種組合合形式的的代表為為：GPPS可馴馴石英晶晶振、GGPS可可馴銣鐘鐘。眾所所周知，石英晶晶體頻率率校準(zhǔn)由由于受到晶體體老化等等因素的的影響，輸出頻頻率有較較大的老老化率，重現(xiàn)性性也較差差。銣原原子頻率率標(biāo)準(zhǔn)的的重現(xiàn)性性是原子子頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中的的最差者者，同時(shí)時(shí)漂移率率也是最最大的。組合型型頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)接收收機(jī)接收收GPSS、G

19、LOONASSS、我我國(guó)的北北斗、長(zhǎng)長(zhǎng)波等標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間頻率信信號(hào)，使使本地頻頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的頻率率跟蹤頻頻率時(shí)間間頻率信信號(hào)從而而達(dá)到減減小重現(xiàn)現(xiàn)性、同同時(shí)減少少老化或或漂移對(duì)對(duì)頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的影影響33。GPS技技術(shù)是目目前使用用廣泛的的技術(shù)之之一。GGPS技技術(shù)提供供了一個(gè)個(gè)在全球球范圍內(nèi)內(nèi)將時(shí)間間同步控制制在幾納納秒內(nèi)的的手段，運(yùn)用GGPS技技術(shù)的優(yōu)優(yōu)良特性性來(lái)控制制本地振振蕩器的的可馴鐘鐘技術(shù)也也得到了了的深入入研究和和廣泛的的使用。然而其其它能提提高精度度時(shí)間頻頻率源的的系統(tǒng)(如俄羅羅斯的GLOONASSS、我我國(guó)的北北斗以及及長(zhǎng)坡等等)都因時(shí)時(shí)間間隔隔精度的的原因沒(méi)沒(méi)能得到到廣泛的的應(yīng)用，

20、相信隨隨著我國(guó)國(guó)北斗系系統(tǒng)的不不斷發(fā)展展和完善善、長(zhǎng)波授授時(shí)臺(tái)的的改造以以及歐洲洲伽利略略系統(tǒng)的的建成，基于各各種高精精度時(shí)間間頻率源源的可馴馴鐘必將將得到更更深廣的的研究和和應(yīng)用。圖 1.2為GPSS可馴鐘鐘系統(tǒng)，它通過(guò)過(guò) GPPS接收收機(jī)得到到標(biāo)準(zhǔn)的的1ps信號(hào)號(hào)作為參參考標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，將其其與本地地晶振產(chǎn)產(chǎn)生的11ps信號(hào)號(hào)同時(shí)輸輸入高分分辨率的的時(shí)間間間隔計(jì)數(shù)數(shù)器，進(jìn)進(jìn)而得到到時(shí)差，再將這這個(gè)時(shí)差差值送入入主控制制器(通常是是一個(gè)單單片機(jī))進(jìn)行處處理得到到一個(gè)電電壓控制制信號(hào)，將高壓壓控制信信號(hào)送給給壓控振振蕩器來(lái)來(lái)控制本本地晶振振，通過(guò)過(guò)這樣的的方式來(lái)來(lái)改善本本地晶振振的輸出出。圖1.2

21、GGPS可可馴鐘系系統(tǒng)GPS可可馴鐘系系統(tǒng)期望望實(shí)現(xiàn)兩兩個(gè)目標(biāo)標(biāo)：在 GPSS信號(hào)正正常情況況下，利利用GGPS信信號(hào)提高高本地晶晶振準(zhǔn)確確度和長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定定度；同同時(shí)在失失去GPPS信號(hào)號(hào)情況下下還能提提高本地地晶振保保持能力力。達(dá)到到這兩個(gè)個(gè)目的必必須滿足足兩個(gè)條條件：提提高穩(wěn)定定性必須須對(duì)晶振振噪聲建建模，建建模準(zhǔn)確確必須提提高測(cè)量量精度和和分辨率率。對(duì)基基于FFPGAA 的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的研究，就是希希望可以以采用 FPGGA 取取代高分分辨率時(shí)時(shí)間間隔隔計(jì)數(shù)器器，便于工工程的應(yīng)應(yīng)用。基基于FFPGAA 的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量必必將大大大促進(jìn)可可馴鐘技技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用發(fā)展展，從而而提高各各類

22、時(shí)統(tǒng)統(tǒng)設(shè)備的的應(yīng)用范范圍44。1.2國(guó)內(nèi)外外發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀隨著科學(xué)學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，精密時(shí)時(shí)間測(cè)量量數(shù)字化化技術(shù)在在自動(dòng)檢檢測(cè)設(shè)備備、激光探探測(cè)、醫(yī)療圖圖形掃描描、相位測(cè)測(cè)量、頻率測(cè)測(cè)量等研研究領(lǐng)域域得到廣廣泛應(yīng)用用。美、日、歐等國(guó)國(guó)家均對(duì)對(duì)時(shí)間間間隔測(cè)量量技術(shù)作作了大量量研究，他們利利用在集集成電路路即VLLSI( Veryy Laarge ScaaleInttegrrateed)領(lǐng)領(lǐng)域的優(yōu)優(yōu)勢(shì)，發(fā)發(fā)展了大大量成熟熟的精確確測(cè)量時(shí)時(shí)間間隔隔的技術(shù)術(shù)，用IIC方式式實(shí)現(xiàn)了了TDCC( TTimee too Diigittal Connverrterr)。美美國(guó)PTTTI(Preecissionn T

23、iime andd Tiime Inttervval)年會(huì)決決定每年年對(duì)該專專題進(jìn)行行討論，美國(guó)國(guó)國(guó)家科學(xué)學(xué)院把它它作為評(píng)評(píng)估國(guó)家家國(guó)防力力量的重重要標(biāo)志志之一，并把它它列為國(guó)國(guó)家須大大力發(fā)展展的科學(xué)學(xué)技術(shù)之之一。相相對(duì)來(lái)說(shuō)說(shuō)，我國(guó)國(guó)對(duì)這方方面的技技術(shù)研究究還比較較落后，一方面面國(guó)外對(duì)對(duì) VLLSI技術(shù)控控制嚴(yán)格格，我國(guó)國(guó)缺乏必必要的技技術(shù)交流流和支持持，完全全是在空空白的基基礎(chǔ)上進(jìn)進(jìn)行研究究；另一一方面我我國(guó)VVLSII 方面面的研究究起步比比較晚，直到最最近幾年年才相繼繼有專家家進(jìn)行這這方面的的研究探探索。近幾年來(lái)來(lái)，可編編程ASSIC技技術(shù)、CCPLDD和FPGGA迅速速發(fā)展，其中FFP

24、GAA的發(fā)展展尤為顯顯著，XXiliinx公公司的VVirttex芯芯片,Virrtexx-E芯芯片和VVirttex-II芯芯片，AAlteera公公司的FFPGAA系列芯芯片都已已經(jīng)達(dá)到到了ASSIC的的工藝水水平。這這些芯片片具有很很高的密密度，可可以在較較高速的的片上時(shí)時(shí)鐘下工工作，例例如Viirteex-EE系列芯芯片的片片上時(shí)鐘鐘已經(jīng)可可以達(dá)到到4000MHzz。目前前國(guó)外基基于這種種方法進(jìn)進(jìn)行時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量的研研究已較較為成熟熟。用FPGGA實(shí)現(xiàn)現(xiàn)間隔測(cè)測(cè)量設(shè)計(jì)計(jì)，在國(guó)國(guó)外論文文中有大大量介紹紹，比較較典型的的設(shè)計(jì)有有兩種，一種是是Jozzef Kalliszz,Rysszar

25、rd SSzpllet等等人提出出的設(shè)計(jì)計(jì),他們的設(shè)設(shè)計(jì)采用用的是QQuicckLoogicc 公司司的pAASICC2系列列FPGGA。該該FPGGA是基基于0.65微微米的CCMOSS工藝，采用逆逆熔絲結(jié)結(jié)構(gòu)。在在這系列列FPGGA的內(nèi)內(nèi)部,構(gòu)建差差分延遲遲線(DDifffereentiial DellayLLinee)，得得到LSSB為1000-2000pss 的系系統(tǒng)。另另一中典典型的設(shè)設(shè)計(jì)方式式是Ziieliinskki MM 和 Chhabeerskki DD等人提提出的,他們主主要采用用XILLINXX公司的的Virrtexx系列FPPGA XCVV3000來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)4。該FPPG

26、A是是五層金金屬0.22微微米CMMOS工工藝，采采用基于于RAMM的結(jié)構(gòu)構(gòu)。該系系統(tǒng)采用用抽頭延延遲線法法(Taappeed DDelaay LLinee Meethood)，取得1100pps的LSBB。瑞典精密密Penndullum公公司，型型號(hào)CNNT-990，分分辨率1100pps；CCNT-91，分辨率率50pps。德德國(guó)ACCAM公公司研發(fā)發(fā)的高精精度時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量芯片片TDCC-GPP1，可可提供兩兩通道2250pps或單單通道 1255ps分分辨率的的時(shí)間間間隔測(cè)量量，小量量程測(cè)量量范圍為為3nss7.6s，可可用2個(gè)個(gè)通道，大量程程測(cè)量范范圍為660nss-2000mss

27、 ,AACAMM公司的的TDCC系列是是以用CCMOSS處理器器實(shí)現(xiàn)的的數(shù)字化化傳播時(shí)時(shí)間的應(yīng)應(yīng)用。采采用半導(dǎo)導(dǎo)體過(guò)程程，TDDC實(shí)際際分辨率率在300ps-3000ps之之間。在我國(guó)，基于 FPGGA 實(shí)實(shí)現(xiàn)的間間隔測(cè)量量設(shè)計(jì)也也有了優(yōu)優(yōu)秀的研研究成果果，劉莉莉利用 FPGGA 設(shè)設(shè)計(jì)的游游標(biāo)時(shí)間間內(nèi)插器器測(cè)時(shí)分分辨率可可達(dá)到11ns5；周渭在在頻率和和時(shí)間間間隔測(cè)量量方面做做了非常深深入的研研究工作作，在時(shí)時(shí)間內(nèi)插插方面，采用量量化時(shí)延延技術(shù)獲獲得了4400pps的測(cè)測(cè)時(shí)分辨辨率；辛辛明采用用一定長(zhǎng)長(zhǎng)度的導(dǎo)導(dǎo)線作為為延遲單單元，用用量化時(shí)時(shí)延技術(shù)術(shù)獲取了了lnss的測(cè)時(shí)時(shí)分辨率率；中國(guó)國(guó)科

28、技大大學(xué)的宋宋健、安安琪等采采用FPPGA設(shè)設(shè)計(jì)的時(shí)時(shí)間內(nèi)插插器測(cè)量量分辨率率可達(dá)到到1000ps。國(guó)產(chǎn)DDL077-2002電子子測(cè)試儀儀，可在在多種傳傳感器的的配合下下測(cè)量導(dǎo)導(dǎo)爆管、C4燃燃速和爆爆速等。10MMHz石石英晶體體振蕩器器，顯示示6位LLED，時(shí)基精精度100MHzz+-330pppm，測(cè)測(cè)量范圍圍0-999999.9uus，工工作溫度度0-440攝氏氏度，相相對(duì)濕度度80%，計(jì)時(shí)時(shí)分辨率率0.11us。下面再介介紹下時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的研究方方法：（1）傳傳統(tǒng)的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量方方法包括括：直接計(jì)數(shù)數(shù)法直接計(jì)數(shù)數(shù)法是時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量技技術(shù)中最最基本的的方法。直接計(jì)計(jì)數(shù)法是是

29、基于脈脈沖的一一種計(jì)數(shù)數(shù)測(cè)量方方法，又又稱為脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)法。計(jì)計(jì)數(shù)法中中的脈沖沖是指參參考時(shí)鐘鐘信號(hào)，參考時(shí)時(shí)鐘信號(hào)號(hào)是直接接計(jì)數(shù)法法測(cè)時(shí)的的時(shí)間基基準(zhǔn)。直直接計(jì)數(shù)數(shù)法的測(cè)測(cè)量原理理是基于于同量綱綱物理量量的比對(duì)對(duì)，即用用時(shí)基信信號(hào)去填填充被測(cè)測(cè)時(shí)間間間隔，通通過(guò)對(duì)時(shí)時(shí)基信號(hào)號(hào)的脈沖沖計(jì)數(shù)來(lái)來(lái)量化被被測(cè)時(shí)間間間隔。優(yōu)點(diǎn)：原原理簡(jiǎn)單單，容易易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：精精度只能能達(dá)到nns級(jí)。模擬內(nèi)插插法將輸入信信號(hào)起始始的觸發(fā)發(fā)脈沖與與第一個(gè)個(gè)計(jì)數(shù)脈脈沖之間間的時(shí)間間間隔和和輸入信信號(hào)停止止的觸發(fā)發(fā)脈沖與與最后一一個(gè)計(jì)數(shù)數(shù)脈沖之之間的時(shí)時(shí)間間隔隔分別擴(kuò)擴(kuò)展10000倍倍，然后后通過(guò)脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)器測(cè)出出單位周

30、周期的脈脈沖個(gè)數(shù)數(shù)，并通通過(guò)數(shù)據(jù)據(jù)處理計(jì)計(jì)數(shù)出實(shí)實(shí)際時(shí)間間間隔。優(yōu)點(diǎn)：提提高測(cè)試試精度。時(shí)間幅度度轉(zhuǎn)換法法在電子測(cè)測(cè)量中，對(duì)一個(gè)個(gè)物理量量的測(cè)量量，可以將將該物理理量轉(zhuǎn)換換為其它它物理量量，通過(guò)測(cè)測(cè)量轉(zhuǎn)換換后的物物理量間間接測(cè)量量原物理理量。在時(shí)間間內(nèi)插技技術(shù)中，為了獲獲取小于于時(shí)基周周期的測(cè)測(cè)時(shí)分辨辨率，可先將將時(shí)間間間隔轉(zhuǎn)換換為其它它模擬量量，再轉(zhuǎn)換換為數(shù)字字量，這種方方法又稱稱時(shí)間幅幅度轉(zhuǎn)換換技術(shù)。即利用用恒定的的電流對(duì)對(duì)電容進(jìn)進(jìn)行充電電，將時(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)換換為電壓壓，然后后采用高高速的AA/D進(jìn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換換，對(duì)該該電壓數(shù)數(shù)字化并并記錄下下當(dāng)時(shí)的的電壓值值。整個(gè)個(gè)充放電電過(guò)程就就是把微微小時(shí)間間

31、間隔成成倍數(shù)增增大的過(guò)過(guò)程，這這種測(cè)量量方法使使用了RRC等模模擬電路路，被稱為為模擬內(nèi)內(nèi)插測(cè)時(shí)時(shí)法。由于充充放電過(guò)過(guò)程中電電壓隨時(shí)時(shí)間的變變化率不不同，這種測(cè)測(cè)量方法法又稱雙雙斜式時(shí)時(shí)間內(nèi)插插，測(cè)量量精度與與充放電電電容的的穩(wěn)定性性有很大大關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)實(shí)現(xiàn)很高高的測(cè)量量分辨率率，轉(zhuǎn)換換時(shí)間短短，等于于A/DD轉(zhuǎn)換的的時(shí)間。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的非非線性誤誤差比較較大、制制作工藝藝較復(fù)雜雜。長(zhǎng)度游標(biāo)標(biāo)法測(cè)量原理理是依靠靠?jī)蓚€(gè)可可啟動(dòng)振振蕩器來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的的，理論論上能夠夠同時(shí)實(shí)實(shí)現(xiàn)高分分辨率和和大量程程測(cè)量，但是由由于設(shè)計(jì)計(jì)上的困困難，其其分辨率率往往只只能在較較短的時(shí)時(shí)間內(nèi)保保持。因因此，長(zhǎng)長(zhǎng)度游標(biāo)標(biāo)

32、法通常常結(jié)合插插值法來(lái)來(lái)測(cè)量。游標(biāo)法法測(cè)量的的高分辨辨率是由由兩個(gè)可可啟動(dòng)振振蕩器的的高穩(wěn)定定度與高高可靠性性保證的的。優(yōu)點(diǎn)：高高分辨率率。缺點(diǎn)：不不能適用用于較長(zhǎng)長(zhǎng)的時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量中。5）量化化時(shí)延法法利用器件件本身的的延時(shí)特特性，使使事件信信號(hào)通過(guò)過(guò)這一系系列的延延時(shí)單元元，依靠靠延時(shí)單單元的延延時(shí)穩(wěn)定定性，并并在計(jì)算算機(jī)的控控制下對(duì)對(duì)延時(shí)單單元的狀狀態(tài)進(jìn)行行高速采采集和數(shù)數(shù)據(jù)處理理，從而而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)短時(shí)間間間隔的的精確測(cè)測(cè)量。（2）改改進(jìn)的測(cè)測(cè)量方法法等效脈沖沖計(jì)數(shù)法法,是基基于數(shù)字字移相技技術(shù)的脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)法的一一種改進(jìn)進(jìn)方法。通過(guò)鎖鎖相環(huán)對(duì)對(duì)原始輸輸入時(shí)鐘鐘信號(hào) CLKK 倍頻頻和移

33、相相后得到到CLKK0、CCLK11、CLLK2、CLKK3，44個(gè)時(shí)鐘鐘信號(hào)，頻率相相同，相相位依次次相差445，用這這四路時(shí)時(shí)鐘信號(hào)號(hào)的上升升沿驅(qū)動(dòng)動(dòng)四個(gè)相相同的計(jì)計(jì)數(shù)器對(duì)對(duì)時(shí)間間間隔閘門(mén)門(mén)信號(hào)ggatee進(jìn)行計(jì)計(jì)數(shù)，同同時(shí)利用用這四路路時(shí)鐘信信號(hào)的下下降沿驅(qū)驅(qū)動(dòng)另四四個(gè)相同同的計(jì)數(shù)數(shù)器對(duì)時(shí)時(shí)間間隔隔閘門(mén)信信號(hào)gaate進(jìn)進(jìn)行計(jì)數(shù)數(shù)6。1.3論文主主要研究究?jī)?nèi)容本文在時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的理論基基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)間間延遲內(nèi)內(nèi)插法展展開(kāi)研究究，由仿仿真結(jié)果果得出了了差分延延遲內(nèi)插插法的優(yōu)優(yōu)越性，并在 FPGGA 中中實(shí)現(xiàn)了了差分延延遲，提提出了集集成于FFPGAA內(nèi)的設(shè)設(shè)計(jì)方案案，在 FPGGA 中

34、中實(shí)現(xiàn)了了測(cè)量方方案的模模塊化設(shè)設(shè)計(jì)，最最后進(jìn)行行了整個(gè)個(gè)系統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)試。測(cè)測(cè)試結(jié)果果表明：設(shè)計(jì)的的時(shí)間間間隔測(cè)量量模塊的的分辨率率約為 43pps，精精度達(dá)到到 2000pss。本文創(chuàng)新新點(diǎn)如下下：(1)提出出了用FFPGAA實(shí)現(xiàn)精精密時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量代替替高精度度時(shí)間間間隔計(jì)數(shù)數(shù)器。(2)提出出了通過(guò)過(guò)FPGGA實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了差分分延遲內(nèi)內(nèi)插法，得到差差分延遲遲鏈的分分辨率為為43pps。(3)設(shè)計(jì)計(jì)了基于于FPGGA的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量模模塊，最最終設(shè)計(jì)計(jì)的時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量模塊塊的精度度可達(dá)到到2000ps。2 時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的基本原原理及方方法測(cè)量是利利用數(shù)學(xué)學(xué)方法和和物理手手段獲得得

35、被測(cè)量量物以標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)單位位表示的的數(shù)值的的過(guò)程，是人類類對(duì)自然然界中客客觀事物物取得定定量認(rèn)識(shí)識(shí)的過(guò)程程。對(duì)物理理量的直直接測(cè)量量，實(shí)際上上是一個(gè)個(gè)比對(duì)過(guò)過(guò)程。這個(gè)比比對(duì)過(guò)程程通常是是將被測(cè)測(cè)物理量量和一個(gè)個(gè)具有標(biāo)標(biāo)稱值的的物理量量進(jìn)行比比對(duì)，這兩個(gè)個(gè)物理量量具有同同一量綱綱，此時(shí)具具有標(biāo)稱稱值的物物理量起起到的就就是標(biāo)尺尺的作用用，測(cè)量的的結(jié)果就就是得到到被測(cè)物物理量與與標(biāo)尺的的倍數(shù)關(guān)關(guān)系。時(shí)間間間隔直接接測(cè)量方方法主要要有直接接計(jì)數(shù)法法和延遲遲時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法，間接測(cè)測(cè)量方法法主要有有時(shí)間電電壓變換換(TDDC)、游標(biāo)標(biāo)時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法和和脈沖寬寬度壓縮縮時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法7。2.1時(shí)間間間隔測(cè)量量的一般

36、般技術(shù)指指標(biāo)2.1.1準(zhǔn)確度度頻率源的的頻率準(zhǔn)準(zhǔn)確度，定義為為它的時(shí)時(shí)間頻率率值與其其頻率標(biāo)標(biāo)稱值或或定義值值的相對(duì)對(duì)偏差。當(dāng)確定定了一個(gè)個(gè)頻率源源的準(zhǔn)確確度時(shí)，除初始始頻率標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)外，都需要要有一個(gè)個(gè)可以作作為“參參 考”的頻率率標(biāo)準(zhǔn)。例如：銣原子子頻標(biāo)，高穩(wěn)定定度石英英晶體振振蕩器等等。目前前能夠作作為這種種參考的的頻率源源有：銫銫束頻標(biāo)標(biāo)、氫激激射器頻頻標(biāo)、無(wú)無(wú)線電標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間和頻率率廣播信信號(hào)，以以及任何何一個(gè)準(zhǔn)準(zhǔn)確度已已知的頻頻率源。測(cè)量一一個(gè)頻率率源的準(zhǔn)準(zhǔn)確度時(shí)時(shí)，會(huì)受受到以下下因素影影響：(1)參參考標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的準(zhǔn)確確度和穩(wěn)穩(wěn)定度。(2)被被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的穩(wěn)定定度。(3)測(cè)測(cè)量方法法和測(cè)量

37、量設(shè)備。鑒于以以上因素素的影響響，在實(shí)際際測(cè)量時(shí)時(shí)，一般要要求參考考標(biāo)準(zhǔn)的的準(zhǔn)確度度要比被被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率高高一個(gè)數(shù)數(shù)量級(jí)，設(shè)備測(cè)測(cè)量誤差差要比被被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)準(zhǔn)確度度小一個(gè)個(gè)數(shù)量級(jí)級(jí)或少11/3。本論文文提出的的設(shè)計(jì)中中目標(biāo)精精度是百百皮秒，采用的的參考頻頻標(biāo)是原原子鐘輸輸出的10MM 信號(hào)號(hào)(精度10-11)。2.1.2頻率穩(wěn)穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定定度是衡衡量頻率率源的一一項(xiàng)最重重要的指指標(biāo)，是頻率率源所給給頻率值值不穩(wěn)定定成份的的定量描描述。穩(wěn)定度度表示信信號(hào)在給給定時(shí)間間段內(nèi)頻頻率偏差差或時(shí)間間偏差的的統(tǒng)計(jì)特特性估計(jì)計(jì)，即頻率偏差差或相位位偏差相相對(duì)于平平均頻率率偏差或或平均相相位偏差差的波動(dòng)動(dòng)。其

38、時(shí)域域描述為為：?jiǎn)挝粫r(shí)時(shí)間間隔隔內(nèi)頻率率平均值值的隨機(jī)機(jī)起伏程程度。在統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)上用方方差表示示頻率穩(wěn)穩(wěn)定度。由于閃閃爍噪聲聲對(duì)頻率率源的影影響，經(jīng)典方方差在表表征頻率率穩(wěn)定度度上有嚴(yán)嚴(yán)重的缺缺陷，因因此頻率率穩(wěn)定度度的數(shù)學(xué)學(xué)表征目目前一致致采用的的是Alllann方差(阿侖方方差)。2.1.3分辨率分辨率是是衡量時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量的的主要性性能指標(biāo)標(biāo)之一，是系統(tǒng)統(tǒng)可以分分辨的最最小時(shí)間間間隔的能量量。通常常用LSBB(Leeastt Siignificantt Biit)表示。2.1.4精度精度又稱稱為確定定度，即即實(shí)際測(cè)測(cè)量結(jié)果果的偏差差，精度度以下幾幾部分組組成：(1)量化化誤差：量化誤誤差

39、是系系統(tǒng)在時(shí)時(shí)間數(shù)字字化過(guò)程程中產(chǎn)生生的誤差差。(2)非線線性：由于模模數(shù)轉(zhuǎn)換換過(guò)程中中恒流源源的不穩(wěn)穩(wěn)定性和和延遲線線電長(zhǎng)度度的不均均勻性，非線性性必然存存在。(3)抖動(dòng)：器件內(nèi)內(nèi)部噪聲聲、外部部時(shí)鐘信信號(hào)相位位不穩(wěn)定定、電源源紋波都都會(huì)引起起系統(tǒng)的的抖動(dòng)。隨隨著時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量精度度要求的的不斷提提高，抖抖動(dòng)成為為了主要要的誤差差來(lái)源8。2.2直接計(jì)計(jì)數(shù)法直接計(jì)數(shù)數(shù)法是時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量技技術(shù)中最最基本的的方法。直接計(jì)計(jì)數(shù)法是是基于脈脈沖的一一種計(jì)數(shù)數(shù)測(cè)量方方法，又稱為為脈沖計(jì)計(jì)數(shù)法。計(jì)數(shù)法法中的脈脈沖是指指參考時(shí)時(shí)鐘信號(hào)號(hào)，參考時(shí)時(shí)鐘信號(hào)號(hào)是直接接計(jì)數(shù)法法測(cè)時(shí)的的時(shí)間基基準(zhǔn)。直接計(jì)計(jì)數(shù)法的

40、的測(cè)量原原理是基基于同量量綱物理理量的比比對(duì)，即用時(shí)時(shí)基信號(hào)號(hào)去填充充被測(cè)時(shí)時(shí)間間隔隔，通過(guò)對(duì)對(duì)時(shí)基信信號(hào)的脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)來(lái)量化化被測(cè)時(shí)時(shí)間間隔隔。為了提提高脈沖沖計(jì)數(shù)法法的測(cè)時(shí)時(shí)分辨率率，需要提提高時(shí)基基信號(hào)的的頻率。目前，獲取高高頻的時(shí)時(shí)基信號(hào)號(hào)已經(jīng)不不是難題題，將鎖鎖相環(huán)(PLLL)技術(shù)結(jié)結(jié)合高穩(wěn)穩(wěn)定度晶晶體振蕩蕩器就可可以產(chǎn)生生高穩(wěn)定定度的高高頻時(shí)基基信號(hào)。但時(shí)基基頻率提提高給脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)法中計(jì)計(jì)數(shù)器的的設(shè)計(jì)帶帶來(lái)了新新的挑戰(zhàn)戰(zhàn)?？己撕擞?jì)數(shù)器器速度的的參數(shù)是是最大計(jì)數(shù)頻頻率，當(dāng)當(dāng)計(jì)數(shù)器器的時(shí)鐘鐘信號(hào)頻頻率高于于最大計(jì)計(jì)數(shù)頻率率時(shí)，計(jì)數(shù)器器將無(wú)法法正常工工作。計(jì)數(shù)器器的位寬寬限制了了計(jì)數(shù)器

41、器的最大大計(jì)數(shù)頻頻率，隨著位位數(shù)的增增多，計(jì)數(shù)器器的最大大計(jì)數(shù)頻頻率呈現(xiàn)現(xiàn)降低的的趨勢(shì)。計(jì)數(shù)器器的位寬寬決定脈脈沖計(jì)數(shù)數(shù)法的測(cè)測(cè)量范圍圍(即量程)，計(jì)數(shù)數(shù)器的寬寬度每增增加一位位，測(cè)量量范圍就就能夠擴(kuò)擴(kuò)大一倍倍。在采采用脈沖沖計(jì)數(shù)法法測(cè)量時(shí)時(shí)間間隔隔的過(guò)程程中，測(cè)測(cè)量分辨辨率和量量程之間間存在矛矛盾99。2.3時(shí)間內(nèi)內(nèi)插法在時(shí)間間間隔的測(cè)測(cè)量過(guò)程程中，直直接計(jì)數(shù)數(shù)法的分分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能能滿足測(cè)測(cè)量要求求，人們們不斷探探索的其其它方法法的過(guò)程程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，時(shí)間間內(nèi)插方方法是提提高時(shí)間間分辨率率的有效效方法。時(shí)間內(nèi)內(nèi)插是在在低分辨辨時(shí)基的的基礎(chǔ)上上，獲取取高精度度的一種種測(cè)時(shí)技技術(shù)。早早期的時(shí)時(shí)間內(nèi)

42、插插是采用用抽頭同同軸電纜纜來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的，由由于電纜纜體積太太大，很很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)一致性性很好的的精確時(shí)時(shí)間延遲遲，電纜纜延遲線線逐漸被被淘汰。隨著半半導(dǎo)體工工業(yè)的不不斷發(fā)展展和技術(shù)術(shù)的進(jìn)步步，出現(xiàn)現(xiàn)了越來(lái)來(lái)越多的的時(shí)間內(nèi)內(nèi)插方法法，主要要有：模模擬內(nèi)插插法、游游標(biāo)內(nèi)插插法，延延遲內(nèi)插插法等10。2.3.1內(nèi)插基基礎(chǔ)在時(shí)間內(nèi)內(nèi)插技術(shù)術(shù)中，延延遲線技技術(shù)最為為基礎(chǔ)。在ASSIC設(shè)設(shè)計(jì)中，用基本本的CMMOS門(mén)門(mén)作為時(shí)時(shí)間內(nèi)插插單元，是一種種最簡(jiǎn)單單直接的的方法?，F(xiàn)代CCMOSS工藝的的門(mén)延遲遲在1000pss的量級(jí)級(jí)，因此此時(shí)間測(cè)測(cè)量的精精度就可可以提高高到1000pss量級(jí)。時(shí)間內(nèi)內(nèi)插的測(cè)測(cè)量分辨辨

43、率比時(shí)時(shí)基周期期小，如如圖2.1所示示，T00是被測(cè)測(cè)事件信信號(hào)上升升沿與時(shí)時(shí)基信號(hào)號(hào)上升沿沿之間的的時(shí)間間間隔，TT1是事事件信號(hào)號(hào)下降沿沿與時(shí)基基信號(hào)上上升沿之之間的時(shí)時(shí)間間隔隔，T00和T1是時(shí)時(shí)間內(nèi)插插的測(cè)量量對(duì)象。通過(guò)時(shí)時(shí)間內(nèi)插插，可以以將T00和T1這些些小于時(shí)時(shí)基周期期的微小小時(shí)間間間隔進(jìn)一一步量化化。圖22.1的的下半部部分是TT0和T1的放放大示意意圖，箭箭頭代表表進(jìn)一步步量化的的刻度。圖2.1時(shí)間內(nèi)插原原理示意意圖在一些情情況下，時(shí)間內(nèi)內(nèi)插測(cè)量量對(duì)象是是事件信信號(hào)上升升沿與前前面時(shí)基基上升沿沿之間的的時(shí)間間隔，時(shí)基信信號(hào)周期期是已知知的固定定值時(shí)，就算對(duì)對(duì)兩種不不同測(cè)量量對(duì)

44、象進(jìn)進(jìn)行測(cè)量量也可以以達(dá)到同同樣的內(nèi)內(nèi)插效果果。2.3.2模擬內(nèi)內(nèi)插法在電子測(cè)測(cè)量中，對(duì)一個(gè)個(gè)物理量量的測(cè)量量，可以將將該物理理量轉(zhuǎn)換換為其它它物理量量，通過(guò)測(cè)測(cè)量轉(zhuǎn)換換后的物物理量間間接測(cè)量量原物理理量。在時(shí)間間內(nèi)插技技術(shù)中，為了獲獲取小于于時(shí)基周周期的測(cè)測(cè)時(shí)分辨辨率，可先將將時(shí)間間間隔轉(zhuǎn)換換為其它它模擬量量，再轉(zhuǎn)換換為數(shù)字字量，這種方方法又稱稱時(shí)間幅幅度轉(zhuǎn)換換技術(shù)。綜合諸諸多電子子元器件件的特性性，可以以發(fā)現(xiàn)電電容與時(shí)時(shí)間的關(guān)關(guān)系較為為密切。式2.1是一個(gè)個(gè)RC充放放電電路路中電容容兩端電電壓的表表達(dá)式。V(t)=V0(1e-t/RC) （2.1）式2.1中充放放電電壓壓V(tt)是時(shí)時(shí)間

45、的函函數(shù)，式式2.1將被測(cè)測(cè)微小時(shí)時(shí)間間隔隔和電壓壓變量建建立了映映射關(guān)系系，通過(guò)對(duì)對(duì)電壓精精確測(cè)量量可以間間接測(cè)量量微小時(shí)時(shí)間間隔隔，電壓的的精確測(cè)測(cè)量又可可以轉(zhuǎn)換換為對(duì)另另一個(gè)較較長(zhǎng)的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量。在具體體電路實(shí)實(shí)現(xiàn)中，采用兩兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)恒流源源，兩個(gè)電流流源的電電流值相相差很大大，分別作作為充放放電電流流，通過(guò)電電容充放放電過(guò)程程實(shí)現(xiàn)微微小時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量。整整個(gè)充放放電過(guò)程程就是把把微小時(shí)時(shí)間間隔隔成倍數(shù)數(shù)增大的的過(guò)程，這種測(cè)測(cè)量方法法使用了了RC等模擬擬電路，被稱為為模擬內(nèi)內(nèi)插測(cè)時(shí)時(shí)法。由于充充放電過(guò)過(guò)程中電電壓隨時(shí)時(shí)間的變變化率不不同，這種測(cè)量量方法又又稱雙斜斜式時(shí)間間內(nèi)插，測(cè)量

46、精精度與充充放電電電容的穩(wěn)穩(wěn)定性有有很大關(guān)關(guān)系。2.3.3游標(biāo)內(nèi)內(nèi)插法游標(biāo)內(nèi)插插測(cè)時(shí)的的方法來(lái)來(lái)源于游游標(biāo)卡尺尺工作原原理，在在游標(biāo)內(nèi)內(nèi)插的方方法中使使用兩個(gè)個(gè)頻率相相差很小小的時(shí)鐘鐘，一個(gè)個(gè)作為主主時(shí)鐘，另一個(gè)個(gè)為從時(shí)時(shí)鐘即游游標(biāo)時(shí)鐘鐘。游標(biāo)標(biāo)法的測(cè)測(cè)量原理理(如圖2.2游標(biāo)標(biāo)法測(cè)量量原理示示意圖)是依靠靠?jī)蓚€(gè)可可啟動(dòng)振振蕩器來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的的，在時(shí)時(shí)間間隔隔的開(kāi)始始時(shí)刻開(kāi)開(kāi)啟一個(gè)個(gè)周期為為T(mén)1的振振蕩器，在結(jié)束束時(shí)刻開(kāi)開(kāi)啟另一一個(gè)周期期為T(mén)22的振蕩蕩器，而而且T11稍大T22。然后后對(duì)這兩兩個(gè)振蕩蕩器分別別計(jì)數(shù)，直到這這兩個(gè)振振蕩器輸輸出的頻率率信號(hào)相相位重合合。此時(shí)時(shí)周期為為T(mén)1的振振蕩器計(jì)

47、計(jì)數(shù)表示示的時(shí)間間和周期期為T(mén)22的振蕩蕩器計(jì)數(shù)數(shù)表示的的時(shí)間之之差就是是被測(cè)的的時(shí)間間間隔信號(hào)號(hào)。游標(biāo)標(biāo)法測(cè)量量的高分分辨率是是由兩個(gè)個(gè)可啟動(dòng)動(dòng)振蕩器器的高穩(wěn)穩(wěn)定度與與高可靠靠性保證證的，但但是在對(duì)對(duì)較長(zhǎng)時(shí)時(shí)間的時(shí)時(shí)間間隔隔測(cè)量中中，這種種方法比比較實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。圖2.2游標(biāo)法測(cè)量原原理示意意圖理論上游游標(biāo)法能能夠同時(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)高高分辨率率和大量量程測(cè)量量，但是由由于設(shè)計(jì)計(jì)上的困困難，其分辨辨率往往往只能在在較短的的時(shí)間內(nèi)內(nèi)保持。因此，游標(biāo)法法通常結(jié)結(jié)合插值值法來(lái)測(cè)測(cè)量，與模擬擬內(nèi)插法法和時(shí)間間幅度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換法類類似，先利用用直接計(jì)計(jì)數(shù)器進(jìn)進(jìn)行粗測(cè)測(cè)，然后再再采用游游標(biāo)法進(jìn)進(jìn)行高分分辨率測(cè)量量。游標(biāo)標(biāo)法優(yōu)

48、點(diǎn)點(diǎn)在于能能準(zhǔn)確地地測(cè)出少少于一個(gè)個(gè)延遲單單元的時(shí)時(shí)間，使使得測(cè)量量精度得得以提高高。但隨著著測(cè)量精精度的提提高，使用的的器件數(shù)數(shù)量將增增多，測(cè)量誤誤差將增增大。測(cè)量精精度主要要依賴于于延遲鏈鏈的穩(wěn)定定度，測(cè)測(cè)量范圍圍有限。2.3.4延遲內(nèi)內(nèi)插法延遲時(shí)間間內(nèi)插技技術(shù)，也也稱時(shí)鐘鐘移相法法。所謂謂移相是是指對(duì)于于兩路同同頻信號(hào)號(hào)T，以其其中一路路為參考考信號(hào)，另一路路相對(duì)于于該參考考信號(hào)做做超前或或滯后的的移動(dòng)形形成相位位差。時(shí)時(shí)鐘移相相有許多多種方法法，其中中數(shù)字移移相可采采用延遲遲實(shí)現(xiàn)，用延遲遲時(shí)間的的長(zhǎng)短來(lái)來(lái)決定兩兩個(gè)時(shí)鐘鐘信號(hào)間間的相位位差。在在數(shù)字移移相的具具體電路路中，如如果延遲遲時(shí)

49、間選選擇合適適，采用用多少級(jí)級(jí)延遲，就可以以有多少少個(gè)同頻頻時(shí)鐘。如果這這些延遲遲單元的的延遲相相等，并并且延遲遲總和等等于時(shí)鐘鐘周期TT，那么么測(cè)量分分辨率就就等于延延遲單元元的延遲遲，每個(gè)個(gè)延遲單單元輸出出信號(hào)與與輸入信信號(hào)同頻頻，在相相位上延延遲了22/T，觸觸發(fā)器為為記錄裝裝置，QQi(00iN )為鎖存存輸出，觸發(fā)器器輸出為為溫度計(jì)計(jì)(thhermmomeeterr)碼。圖2.4中的的開(kāi)始信信號(hào)為事事件信號(hào)號(hào)，結(jié)束束信號(hào)為為時(shí)基信信號(hào)。這這種內(nèi)插插技術(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換率較較高，適適用于實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量量系統(tǒng)。延遲時(shí)時(shí)間內(nèi)插插技術(shù)是是通過(guò)延延遲單元元，將一一個(gè)時(shí)鐘周周期內(nèi)的的時(shí)間間間隔進(jìn)一一步量化化，

50、這種延延遲內(nèi)插插技術(shù)又又為量化化時(shí)延法法。圖 2.3延遲遲內(nèi)插技技術(shù)示意意圖延遲單元元的延遲遲特性決決定了內(nèi)內(nèi)插測(cè)量量的分辨辨率。在延遲遲內(nèi)插技技術(shù)中，由許多多延遲相相等的延延遲單元元級(jí)聯(lián)在在一起形形成一個(gè)個(gè)延遲鏈鏈。由于時(shí)時(shí)間具有有單向流流逝的特特點(diǎn)，人們很很難將逝逝去的時(shí)時(shí)間間隔隔無(wú)失真真地進(jìn)行行再現(xiàn)。延遲內(nèi)內(nèi)插技術(shù)術(shù)就是通通過(guò)延遲遲單元滯滯延了被被測(cè)時(shí)間間間隔的的流逝過(guò)過(guò)程，通通過(guò)延遲遲鏈中位于不不同空間間位置的的延遲單單元來(lái)表表征時(shí)間間間隔的的細(xì)微量量化。從從某種意意義上講講，延遲遲內(nèi)插技技術(shù)是通通過(guò)空間間來(lái)?yè)Q取取時(shí)間的的一種技技術(shù)手段段。目前，延延遲內(nèi)插插技術(shù)是是提高測(cè)測(cè)時(shí)分辨辨率的

51、主主要技術(shù)術(shù)，是如今今國(guó)內(nèi)外外微電子子和電子子測(cè)量領(lǐng)領(lǐng)域的研研究熱點(diǎn)點(diǎn)，研究方方向主要要有延遲遲單元的的設(shè)計(jì)工工藝、延遲單單元延遲遲的非均均勻性評(píng)評(píng)估及非非均勻性性的補(bǔ)償償和誤差差修正等等。2.3.5差分延延遲內(nèi)插插法差分延遲遲內(nèi)插法法將被測(cè)測(cè)量時(shí)間間間隔的的開(kāi)始信信號(hào)和停停止信號(hào)號(hào)分別通通過(guò)兩路路延遲鏈鏈，其中開(kāi)始始信號(hào)通通過(guò)的延延遲鏈中中每個(gè)延延遲單元元的量化化延遲時(shí)時(shí)間應(yīng)略略大于停停止信號(hào)號(hào)通過(guò)的的延遲鏈中中每個(gè)延延遲單元元的量化化延遲時(shí)時(shí)間。由由于這個(gè)個(gè)原因，兩路信信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)各自的的量化延延遲電路過(guò)程程中，在在某一時(shí)時(shí)刻會(huì)出出現(xiàn)理論論上的重重合點(diǎn)CC。根據(jù)據(jù)發(fā)生重重合時(shí)所所經(jīng)過(guò)的的延遲

52、級(jí)級(jí)數(shù)可以以計(jì)算出出被測(cè)量量的時(shí)間間間隔。差分延遲遲線結(jié)構(gòu)構(gòu)是由兩兩組延遲遲單元構(gòu)構(gòu)成，其其中一組組延遲單單元的延延遲時(shí)間間為1，另一一組延遲遲單元的的延遲時(shí)時(shí)間為2，每一一對(duì)延遲遲單元之之間搭配配一個(gè)觸觸發(fā)器。與基本本延遲線線結(jié)構(gòu)相相同，延延遲單元元是電平平觸發(fā)，而觸發(fā)發(fā)器是邊邊沿觸發(fā)發(fā)。采用用這種差差分延遲遲線結(jié)構(gòu)構(gòu)，最終終系統(tǒng)分分辨率為為：=12 (2.2)其中11略大于2。采用用差分延延遲得到到的輸出出結(jié)果，與基本本延遲線線結(jié)構(gòu)的的結(jié)果相相同，是是一個(gè)類類似于溫溫度計(jì)結(jié)結(jié)構(gòu)的輸輸出，即即一連串串1后加一一連串0，在1和0跳變時(shí)時(shí)說(shuō)明出出現(xiàn)重合合點(diǎn)。3 基基于FPGAA的時(shí)間間內(nèi)插法法的

53、研究究微電子技技術(shù)的飛飛速發(fā)展展，給時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量帶來(lái)來(lái)了新的的革命，尤其是是可編程程邏輯設(shè)設(shè)計(jì)技術(shù)術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外外學(xué)者利利用可編編程邏輯輯設(shè)計(jì)技技術(shù)，不斷的的改進(jìn)測(cè)測(cè)量方法法，使對(duì)時(shí)時(shí)間間隔隔的測(cè)量量朝著高高速率高高精度的的方向發(fā)發(fā)展。基于延延遲時(shí)間間內(nèi)插的的時(shí)間間間隔測(cè)量量法在可可編程邏輯設(shè)設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)上得得到了很很好的實(shí)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)應(yīng)用，近年來(lái)來(lái)，在可編編程邏輯輯器件(FPGGA)單單片上實(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量已有有大量成成功的例例子，同同時(shí)，可可編程邏邏輯器件件(FPPGA)與ASIC相比，具有開(kāi)開(kāi)發(fā)周期期短，靈靈活性強(qiáng)強(qiáng)的特點(diǎn)點(diǎn)，因此此通過(guò)編編程在FPGGA中實(shí)實(shí)現(xiàn)高精精度時(shí)間間間

54、隔測(cè)測(cè)量具有有深遠(yuǎn)的的意義11。3.1可編程程邏輯器器件簡(jiǎn)述述隨著微電電子設(shè)計(jì)計(jì)技術(shù)與與工藝的的迅猛發(fā)發(fā)展，創(chuàng)造了了數(shù)字化化時(shí)代，數(shù)字集集成電路路不斷的的自我更更新，它它由電子子管、晶晶體管、中小規(guī)規(guī)模集成成電路、超大規(guī)規(guī)模集成成電路(VLSSIC)逐步發(fā)展展到今天天的有特特定功能能的專用用集成電電路(AASICC)。ASIIC的出出現(xiàn)降低低了產(chǎn)品品的生產(chǎn)產(chǎn)成本，提高了了系統(tǒng)的的可靠性性，縮小小了設(shè)計(jì)計(jì)的物理理尺寸，推動(dòng)了了社會(huì)的的數(shù)字化化進(jìn)程。但是AASIC因其設(shè)設(shè)計(jì)周期期長(zhǎng)，改版投投資大，靈活性性差等缺缺陷制約約著它的的應(yīng)用范范圍。硬件工工程師希希望有一種種更靈活活的設(shè)計(jì)計(jì)方法，這種靈靈活

55、的方方法可以以根據(jù)需需要，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室就能能設(shè)計(jì)，可以隨隨時(shí)更改改大規(guī)模模數(shù)字邏邏輯，隨隨時(shí)研制制自己的的ASIC并馬上上投入使使用，這這是提出出可編程程邏輯器件的的思想。可編程邏邏輯器件件隨著微微電子制制造工藝藝的發(fā)展展取得了了很大的的進(jìn)步。今天的的可編程程邏輯器件已已經(jīng)發(fā)展展為可以以完成超超大規(guī)模模的復(fù)雜雜組合邏邏輯與時(shí)時(shí)序邏輯輯的復(fù)雜雜可編程程器件(CPPLD)和現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)可編程程邏輯門(mén)門(mén)陣列(FPGGA)。新一代代的FPGGA 甚甚至集成成了中央央處理器器(CPPU)或或(DSSP)內(nèi)核，在一片片F(xiàn)PGGA上進(jìn)行行軟硬件件協(xié)同設(shè)設(shè)計(jì)，為為實(shí)現(xiàn)片片上可編編程系統(tǒng)統(tǒng)(SOOPC，Sysstemm

56、On Proograammablee Chhip)提供了了強(qiáng)大的的硬件支支持112。現(xiàn)場(chǎng)可編編程門(mén)陣陣列(FFPGA)及復(fù)雜雜可編程程邏輯器器件(CPPLD)的出現(xiàn)現(xiàn)，讓方方便快捷捷的實(shí)現(xiàn)時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量成為為可能?；赥TDC的高精精度時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量方法法，就是是利用信信號(hào)在介介質(zhì)中傳輸輸穩(wěn)定這這一特點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)設(shè)計(jì)的。這種方方法在時(shí)時(shí)頻測(cè)控控領(lǐng)域有有著廣泛泛的用途途，可應(yīng)應(yīng)用于激激光定位位系統(tǒng)、數(shù)字集集成電路路動(dòng)態(tài)參參數(shù)的檢檢測(cè)裝置置等高精精度測(cè)量量?；谟赥DCC的高精精度時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)與其它它時(shí)頻測(cè)測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)相比具具有電路路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、運(yùn)運(yùn)算量少少、體積積小等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。3.1.1

57、FFPGAA 的發(fā)發(fā)展可編程邏邏輯器件件是大規(guī)規(guī)模集成成電路技技術(shù)發(fā)展展的產(chǎn)物物，是一種種半定制制的集成成電路，結(jié)合計(jì)算算機(jī)軟件件可以快快速、方便地地構(gòu)建數(shù)數(shù)字系統(tǒng)統(tǒng)。廣義上上講，可編程程邏輯器器件是指指一切通通過(guò)軟件件手段更更改、配置器器件內(nèi)部部連接結(jié)結(jié)構(gòu)和邏邏輯單元元，完成既既定設(shè)計(jì)計(jì)功能的的數(shù)字集集成電路路。早期的可可編程邏邏輯器件件主要包包括可編編程只讀讀存貯器器(PRROM、紫外線線可擦除除只讀存存貯 器器(EPPROMM)和電電可擦除除只讀存存貯器(EEPPROMM)三種種。由于結(jié)結(jié)構(gòu)的限限制，它們只只能完成成簡(jiǎn) 單單的數(shù)字字邏輯功功能。隨后，出現(xiàn)了了一種結(jié)結(jié)構(gòu)上稍稍復(fù)雜的的可編程

58、程芯片，即可編編程邏輯輯器件 (PLLD)，它的應(yīng)應(yīng)用和發(fā)發(fā)展不僅僅簡(jiǎn)化了了電路設(shè)設(shè)計(jì)，降低了了開(kāi)發(fā)成成本，提高了了系統(tǒng)的的可靠性性，而且且給數(shù)字字系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)帶帶來(lái)了革革命性的的變化。目前常常用的可可編程邏邏輯器件件主要有有簡(jiǎn)單的的 邏輯輯陣列(PAL/GALL)、復(fù)復(fù)雜可編編程邏輯輯器件(CPLLD)和現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)可編程程邏輯陣陣列(FFPGAA)等三大類類13。本論文文采用的的是FPPGA芯片。3.1.2FFPGAA 的結(jié)結(jié)構(gòu)及工工作原理理FPGAA是在CPLD的基礎(chǔ)礎(chǔ)上發(fā)展展起來(lái)的的新型高高性能可可編程邏邏輯器件件，它一一般采用用SRAAM工藝，也有一一些專用用器件采采用Fllashh工藝或

59、或反熔線線(Annti-Fusse)工藝藝14。FPGGA的基本本組成部部分有可可編程輸輸入/輸出單單元、基基本可編編程邏輯輯單元、嵌入式式塊RAM、豐富富的布線線資源、底層嵌嵌入功能能單元和和內(nèi)嵌專專用硬核核等，如如圖3.11所示。圖3.1 簡(jiǎn)化的FPGGA 結(jié)結(jié)構(gòu)原理理圖本論文選選取的是是Altteraa公司的的FPGGA芯片片，因此下下面主要要以Altteraa公司的FPGGA芯片為為例介紹紹FPGGA的基本本結(jié)構(gòu)和和工作原原理。3.1.3FPGGA設(shè)計(jì)基基礎(chǔ)(1)開(kāi)發(fā)發(fā)平臺(tái)本文時(shí)間間間隔測(cè)測(cè)量的研研究是基基于Alltera公司司的FPGGA，使用用的開(kāi)發(fā)發(fā)軟件QQuarrtussII是

60、是Altteraa公司開(kāi)開(kāi)發(fā)的綜綜合性PLDD開(kāi)發(fā)軟軟件15，這款款軟件不不但支持持MAXX器件和MAXX III系列CPLLD，也支持持最新的的FPGGA器件，如Cycclonne，Cycllonee III，Cycclonne IIII和和Straatixx等大規(guī)模模FPGGA器件。Alteera公公司于20009年發(fā)發(fā)布的QQuarrtussII9.0全面支支持Allterra的收收發(fā)器FFPGA和HarrdCoopyASIIC系列產(chǎn)產(chǎn)品，可可以完成成AltteraaCPLLD、FPGA和HarrdCoopyASIIC全系系列產(chǎn)品品的開(kāi)發(fā)發(fā)。最新新版支持持Altteraa新近發(fā)發(fā)布的SS