多通道时间间隔计数器的设计和实现

发布时间：2020-08-17 10:33

【摘要】：在测量领域中,时间间隔的测量有着极其广泛的应用,例如对距离、电容、温度等物理量的测量,最终都可以通过某种方法转化为对时间间隔的测量。从而,如果实现对时间间隔更高精度的测量,就可以实现对距离、电容、温度等物理量更高精度的测量,因此,多数领域对时间间隔测量提出了高精度的要求。而随着科学技术的发展,越来越多的领域不仅需要高精度的时间间隔测量,还需要应用多通道时间间隔测量技术,例如在高能物理、导航定位、激光测距等诸多科学研究和工程应用等领域,多通道时间间隔测量技术能够简化操作、提高试验的效率与准确度,因此,高精度、多通道的时间间隔测量技术成为研究热点。尽管目前对多通道时间间隔计数器的研究已经取得了较大成就,但市场上成熟的测量设备仍然较少。因此,多通道时间间隔计数器的研究仍具有很大的市场价值和研究意义。本文基于FPGA和TDC-GP22芯片设计并实现了多通道时间间隔计数器,主要研究内容和成果如下:1.对现阶段常用的时间间隔测量方法进行了分析研究。从分辨率、量程和硬件实现等方面进行了研究,确定了“粗测”+“细测”的实现方法——基于FPGA芯片使用脉冲填充法进行“粗测”,基于TDC-GP22芯片进行“细测”,两者相结合实现高分辨率、大量程和多通道的时间间隔测量。2.编写及仿真了多通道时间间隔计数器中FPGA的算法程序,并设计了上位机软件。对多通道时间计数器中FPGA所需要完成的任务进行了代码实现,通过ModelSim对程序进行了遍历性测试,证明了程序设计的可行性和正确性。基于LabWindows/CVI平台设计了上位机软件,实现对测量结果的显示、存储和分析等功能,优化了多通道时间间隔计数器与用户之间的交互性。3.搭建了测试平台,对多通道时间间隔计数器进行了功能的验证和性能的分析。通过测试平台,对仪器进行了整机测试,验证了功能完好性。并对仪器测量误差的来源进行了分析和校准,重点研究了时基性能对测量的影响。当使用板载晶振提供工作时钟时,计数器测量的准确度会随着待测间隔的增加而逐渐变差,稳定度较好,优于75ps@100s;使用UTC(NTSC)主钟驯服晶振后,计数器测量准确度始终保持在500ps以内,短期稳定度优于150ps@100s,长期稳定度优于150ps@12h,通道一致性保持在200ps以内。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH724
【图文】：

2.1 时间间隔测量方法常用的时间间隔测量方法根据测量原理大致分为两类：数字法和模拟法。数字法包含脉冲填充法、多相时钟采样法、抽头延迟线法和游标法，模拟法包含时间电压转换法和时间间隔延展法，以下将详细介绍各时间间隔测量方法的基本原理。2.1.1 数字法 脉冲填充法脉冲填充法又称脉冲计数法，是时间间隔测量方法中最简单的一种，利用周期为 T 的时钟信号填充待测时间间隔，根据填充的脉冲个数即可算出待测时间间隔的长度。具体实现方法如图 2.1 所示。

精度的设计目标，则需要用更高频率的时钟来实现（李孝辉 等，2010）80。如想要实现 100ps 的测量精度，则需要使用 10GHz 的时钟驱动计数器，不仅成高，稳定性也比较差。因此，通过脉冲填充法想要实现高精度时间间隔计数器设计是不可取的。 多相时钟采样法多相时钟采样法可以认为是在脉冲填充法基础上的改进，其原理为：利用 N周期为 T，相位均匀分布的时钟信号分别作为 N 个计数器的驱动时钟，这 N计数器同时测量待测时间间隔，可得到 N 个测量结果，取 N 个测量结果的平值为最终测量结果，利用该方法，可将测量分辨率从脉冲填充法上的 T 提升为/N。开始脉冲

从而无法实现较高精度。 抽头延迟线法抽头延迟线是一种相对比较简单的时间间隔测量方法，其原理如图2.3所示。将多个具有固定时延的延迟单元（锁存器、缓冲器等）组成线性结构，每个延迟单元后面引出一个抽头输入到触发器阵列中。在第一个延迟单元的输入端输入开始信号，使其在延迟线中进行传播，停止脉冲到来时，延迟线各抽头数据由触发器阵列锁存，通过计算锁存结果中 1 的个数（有的延迟线结构中是计算 0 的个数）就可得到开始脉冲传播过的延迟单元个数，从而得到待测间隔的长度，以达到时间间隔测量的目的（吴嗣 等，2016）。图 2.3 抽头延迟线法实现原理Figure 2.3 Implementation principle of tapped delay line method该测量方法的分辨率取决于抽头延迟线中延迟单元的时延大小，利用该方法很容易实现分辨率优于百皮秒量级的时间间隔测量。但同时，该测量方法的测量范围取决于抽头延迟线中延迟单元的个数

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 慧子;;准妈妈最关心的8个分娩问题[J];母子健康;2016年04期

2 悟敏;;早起唱歌的小鸟很勇敢[J];小学生作文辅导(看图作文版);2017年Z1期

3 邹黎明;浦叙德;;巧解杂题三则[J];中学生数学;2017年02期

4 张辉;;由一个重要的结论引发的思考[J];文理导航(中旬);2017年08期

5 谢获宝;秦照金;;年报与第一季报披露时间间隔异常上市公司盈利状况研究——来自上市公司2004年至2008年第一季度的经验证据[J];财会通讯;2009年12期

6 Н.Н.Алексеева;苏春林;;轴承探伤仪[J];国外机车车辆工艺;1987年04期

7 郭大浩,吴鸿兴,王声波,戴宇生,夏小平;激光波形的调制现象及其消除[J];量子电子学;1989年02期

8 王伟;给出“相邻的像的时间间隔值”更妥当些[J];物理教师;2001年06期

9 李钢;;两种不同介质氡析出率测量最佳时间间隔的探讨[J];中国辐射卫生;2014年04期

10 任飞;顾高峰;蒋志强;周炜星;;复杂金融系统的重现时间间隔分析[J];上海理工大学学报;2011年05期

相关会议论文 前10条

1 刘春和;;时间间隔分析仪研究[A];全国第二届总线技术与测控系统工程学术报告会论文集[C];2001年

2 樊战友;胡永辉;边玉敬;;时间间隔计数器的研究及阶段性进展[A];2005年全国时间频率学术交流会文集[C];2005年

3 江道灼;禹化然;杨贵玉;吴文宣;;一种基于定时间间隔的重采样算法[A];中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集（中册）[C];2008年

4 李星;孙广富;欧钢;;卫星双向时间比对系统中的高精度时间间隔计数器设计[A];2005年全国时间频率学术交流会文集[C];2005年

5 陈艺;;时间继电器时间间隔测量不确定度分析[A];江苏省计量测试学术论文集（2010）[C];2010年

6 鲁昌华;曹源;刘勤勤;姜洪;高翠云;;LabVIEW测量信号时间间隔的实现[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年

7 杨晓松;杜曙明;马瑾;;地震重现时间间隔概率分布函数选择的必要条件[A];中国地震学会第十次学术大会论文摘要专集[C];2004年

8 郑明川;;存贮决策中最优检测时间间隔的控制[A];1994中国控制与决策学术年会论文集[C];1994年

9 郭锐;刘荣忠;杨一方;盛振新;;水下连续爆炸声学特性的实验研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

10 张蔚欣;郑希付;;条件性刺激与非条件性刺激的时间间隔对条件性恐惧消退的影响[A];第十九届全国心理学学术会议摘要集[C];2016年

相关重要报纸文章 前10条

1 蔡臻欣;中行回归A股欲创时间间隔最短纪录[N];第一财经日报;2006年

2 本报记者 王璐;“先A后H”模式应拉长发行时间间隔[N];上海证券报;2007年

3 山东 王兰富;让丢失的文件完璧归赵[N];电脑报;2003年

4 记者 杜仲莹;市民将享24小时电召服务[N];昆明日报;2013年

5 本报记者　 夏丽华;重启股改时间间隔缩短至一个月[N];中国证券报;2006年

6 湖北 洪宝光;用飘叶千夫指攻击你[N];电脑报;2002年

7 刘春香;加息预期或将“变现” 年内第六次加息就在眼前[N];经理日报;2007年

8 特约撰稿 白志勇;年内第六次加息为时不远[N];上海证券报;2007年

9 李娜;海南局助荔枝丰年扩大出口[N];中国国门时报;2009年

10 张京川;从总机叫醒谈超常服务[N];中国旅游报;2000年

相关博士学位论文 前10条

1 张敏;高分辨率时间间隔测量技术研究[D];西安电子科技大学;2017年

2 偶晓娟;皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究[D];西安电子科技大学;2007年

3 唐春晓;基于多光谱成像的数字粒子图像测速技术研究[D];天津大学;2010年

4 陈厚;时间间隔对在线评论影响效应研究[D];武汉大学;2015年

5 吴钦木;交流伺服系统可重构和网络化控制技术研究[D];华中科技大学;2007年

6 王澎;人类在线行为的实证和建模[D];中国科学技术大学;2011年

7 王京;基于交通流参数的动态OD估计方法研究[D];吉林大学;2012年

8 李娅;中国原发性干燥综合征的现况调查及特征分析[D];北京协和医学院;2013年

9 曾维根;1、直肠癌区域癌化的研究及其临床意义 2、直肠癌新辅助放化疗后手术时机的选择[D];北京协和医学院;2016年

10 赵国冬;嵌入式系统弹性应对方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 张展;反转负面追加评论的时间间隔对消费者购买意愿的影响研究[D];江南大学;2019年

2 严宇涵;不同时间间隔条件下二语学习者的语言切换研究[D];辽宁师范大学;2019年

3 刘琼瑶;多通道时间间隔计数器的设计和实现[D];中国科学院大学(中国科学院国家授时中心);2019年

4 张宇航;经皮经肝胆囊穿刺引流联合腹腔镜胆囊切除术治疗急性结石性胆囊炎手术时机的选择[D];山西医科大学;2019年

5 闫菲菲;基于FPGA与TDC-GPX2的精密时间间隔计数器设计实现[D];中国科学院大学(中国科学院国家授时中心);2018年

6 赫小萱;基于FPGA的精密时间间隔测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

7 汪天舒;考虑病人爽约情况的医院门诊排程优化研究[D];东北大学;2015年

8 尹文芹;时间间隔多通道并行测量方法研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家授时中心);2017年

9 曾宪雄;基于FPGA的短时间间隔产生技术研究[D];西安电子科技大学;2013年

10 史志跃;高精度时间间隔校准系统设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2014年

本文编号：2795210