基于TDC_GPX的高精度时间间隔测量方法

时间间隔测量是信号周期、频率和相位等物理量测量的基础,连续时间间隔测量是调制域测量必需的技术手段。在调制域测量中,随着被测信号频率不断提高,为了适应目前高频信号的测试需求,必须深入研究时间间隔测量技术,进一步提高时间间隔测量分辨率和测量速度。为了提高测量精度,通过高速计数器的方法对主时间进行测量,利用高精度时间间隔测量芯片TDC_GPX对时间残差进行测量,两者结合测量,能避免了因TDC_GPX测量范围量程不足而无法正常测量的问题。试验结果表明,该方法能满足高精度测量要求。     

一种高精度时间间隔计数器的校准方法

介绍了时间间隔测量的基本原理和常用的计数器校准方法,分析了小于1ns的时间间隔校准时存在的问题,并提出一种改进的高精度计数器校准方法.该方法利用高速脉冲发生器、宽带功分器、同轴空气延迟线等设备组成一套校准装置,产生标准的时间间隔,其输出范围为10 ps～1 ns,最小步进长度为1 ps,最大测量误差为±(3 ps+0.01×时间间隔).实验结果表明,该方法有效地改善了传统校准方法的缺点,可以方便地对高精度时间间隔计数器进行校准.     

基于SOPC的高精度时间间隔测量仪设计

针对靶场测试中时间间隔测量仪测量精度低、体积庞大的缺点,在SOPC技术的基础上,采用计数法和内插法设计了一种纳秒级的高分辨率大范围时间间隔测量仪.设计的仪器由触发信号隔离模块、纳秒计时模块、标准计数模块以及相应外围电路组成.在接收到起始触发信号后,由FPGA内部基于SOPC的主单片机和时序电路构成的标准计数模块开始计数.同时,TDC GP2芯片和基于SOPC的从单片机构成的纳秒计时模块测量起始触发脉冲和标准计时脉冲的时间间隔;截止触发信号到来后,标准计数模块停止计数,纳秒计时模块测量截止触发脉冲和标准计时脉冲间的时间间隔,测量结束后,主单片机计算并显示最终时间间隔值.设计的时间间隔测量仪测量范围可以达到1～4＆#215;105μs,测量精度优于3 ns.     

高精度时间间隔测量系统

在时间同步系统中时间间隔的测量是非常关键的部分,为了满足时间同步系统的需求,介绍了一种脉冲计数法和数字插入法相结合的时间间隔测量系统。该系统基于专用时间-数字转换芯片TDC-GP1、CPLD和单片机,能够实现纳秒级的时间间隔测量。设计中采用了两片专用时间-数字转换芯片,双芯片的设计使其测量精度可达到1ns。经过测试,系统的分辨率为125ps,精度为1ns,最大可测量1ns～999s的时间间隔。该系统具有体积小、精度高、使用灵活等优点,能够广泛的应用到不同的时间同步系统中。     

多通道精密时间间隔测量系统的研制

为了更方便地在科学研究和工程实践中对多个物理事件之间的时间间隔进行测量,扩大测量量程,提出了一种多通道、大量程的精密时间间隔测量系统的研制方法。系统的设计采用集成的数字时间转换芯片TDC-GPX,运用管道式预处理和逻辑门延迟线方法,能实现8个通道的同时测量,测量精度可达50 ps,测量范围为5.5 ns~4 294 s,在TDC-GPX芯片的内部再触发模式下,通过编程进一步扩展还可以实现无限制测量量程的测量。     

精密时间间隔测量仪数据校准和不确定度测试

本文分析了精密时间间隔测量仪误差来源,并提出了处理方法。利用固定时间间隔测量法和比较法对精密时间间隔测量仪,分别在短量程和长量程两种情况进行数据校准,确保精密时间间隔测量仪的测量不确定度在10ns～100ms的测量范围都控制到1ns以内。以脉冲信号发生器为标准,与特定示波器的测量不确定度进行对比,给出被测时间间隔小于1μs时和大于10μs时两种仪器的不确定度差异,并分析产生的原因。     

高精度无间隙时频测量技术的研究

高精度无间隙时频测量技术是时频测量领域关键技术基础。本文概述了频率比对装置所采用的频差倍增和相位比较2种技术及其原理和技术实现。提出了高精度无间隙时频测量的新方法,用计数器由同一时基控制,2个计数器交替计数采样,一个计数器关门计数,另一个计数器开门计数,这样相邻2次计数之间没有时间间隔,把N个计数周期所采样的数据累加起来,实现了无间隙采样。将采样值累积,实现原子频标、高稳晶振长时间频率稳定度和频率漂移率的测量。采用高精度无间隙连续测量技术所研制的频标比对装置,不仅可以完成一般的频率信号的时域参数的测试,而且可以替代传统的比相仪。实践表明,新的方法与传统方法相比在测试精度和测试能力上有明显提高,不仅是频率信号时域参数长期特性和短期特性为一体的综合测量装置,也是时频测量和科研开发的理想工具,值得研究和分析。     

基于编码信号时间内插的高精度时间间隔测量方法

受测量方法和器件性能的制约,对单次测量精度达到亚皮秒(1 ps)量级的事件计时技术的研究是一个亟待解决的难题。提出了一种新的高精度时间间隔测量方法,利用声表面波编码器件作为时间内插器,将时间内插法和编码信号自相关函数的高信噪比特性相结合,并利用一种完全有别于传统的时域互相关对时延进行测量的算法,从而可以大幅提高时间间隔测量的精度。实验结果表明,当时间内插信号采用带宽40 MHz、时宽5μs、中心频率150 MHz的线性调频信号时,可以获得0.48 ps测量精度。该方法是一种可靠、稳定、实用的高精度时间间隔测量方法,单次测量精度能够达到亚皮秒量级。     

基于EURO-160型P3码GPS接收机的共视比对系统

GPS共视法是目前时间频率远距离量值传递的主要技术,传递不确定度可达几个ns.P3码接收机通过对2个频率上观测的电离层实测值的修正,可以提高比对精度,近年来成为国内外研究热点之一.本文利用功能强大的双频多通道P3码接收机EURO-160,结合SR-620时间间隔计数器组成了一套共视比对系统,并根据GPS共视法软件标准化指南研制了配套的数据处理软件.零基线测试的初步结果表明,共视系统的比对精度达到2～3 ns,好于单频接收机,可以更好地为时间频率传递服务.     

基于时分处理的BOC信号通道时延标定算法

卫星导航信号发射通道的设备自身时延是星地组合时延的一个部分,卫星在地面测试中必须进行通道时延标定。针对导航卫星BOC（binary offset carrier）调制导航信号发射通道绝对时延,提出了一种采用时分处理的时延标定算法。在完成导航卫星输出BOC导航信号和时间保持系统产生的秒脉冲信号双通道同步采样后,在数字域对BOC采样信号进行预处理和串并变换,将高速数据流变换为多路低速率数据流,对每路信号频率码相位捕获,从而得到BOC信号发射通道绝对时延。计算机仿真表明在采样率10 Gsa/s时提出算法的标定不确定度优于0.2 ns。     

应用于 ATE 的时间测量单元设计

集成电路飞速发展对集成电路自动测试设备(ATE)中时间测量单元(TMU)的精度提出了更高的要求。针对这一问题,本文使用电子学引脚测试芯片MAX9979对数字IC施加激励和捕获响应,结合Xilinx Artix-7 FPGA内部固化的时间数字转换器(TDC)设计了一种高精度的时间测量单元。时间数字转换器采用粗、细计数结合的内插方法,粗计数由参考时钟为200 MHz的32位直接计数器实现;细计数由超前快速进位链(CARRY4)级联的延迟链构成,通过对CARRY4进行专用配置来减小其超前进位功能引起的测量误差,使用码密度校准法对延迟链进行校准。实验结果表明,TMU量程为21.475 s,平均分辨率为34.7 ps, DNL优于2.5 LSB,INL优于4.5 LSB,精度为39.7 ps。     

时间—电压转换器的设计与实现

本文叙述了一种新型时间间隔测量方法--时间-电压转换法的基本原理,重点介绍了时间-电压转换法数学模型的建立和关键功能电路的实现,进行了转换误差分析,时间-电压转换器适用于小时间测量范围,弥补了计数法测量小时间精确度难于提高的不足,用于时间测量前端处理器,具有良好的应用前景。     

直接式电流速度测量技术研究与实现

间接式电流速度测量中存在电路结构和测量过程复杂,测量结果影响因素较多等问题,同时为提高精度、降低成本,提出一种基于TDC技术的直接式电流速度测量方法,同时设计出以TDC-GP1为核心的直接式电流速度测量系统。本系统时间测量精度为125 ps,测量范围为3 ns~200 ms,如果以铜质传输线为介质可直接测量距离为0.9 m~60 000 km。对2 m长的普通网线进行实测,得到电流速度为0.290 m/ns,该值与约0.3 m/ns理论的值十分接近。     

高性能光阻式颗粒计数仪的设计与实现

为了提高光阻式颗粒计数仪的测量准确性和长期稳定性,着重设计了传感器的前置放大器以及光源闭环调节系统,使传感器的输出电压稳定,体积小巧便于拆装,取样系统增加了流速稳定装置以及光电定体积检测,减少测量误差,整机的电磁兼容设计提高了仪器的信噪比。长期的实验结果表明,仪器的测量准确度优于5%,重复性小于3%,各项性能指标均符合行业标准。     

8253计数器在多周期同步测频中的应用

文中介绍了采用８２５３计数器的多周期测频方法,并通过软件设计对闸门时间自动调节,从而实现了宽范围的频率高精度快速测量,文中给出了实际硬件电路原理和编程方法。     

基于时间放大技术的时间数字转换器的设计

本文基于时间放大技术设计了一种两步式的时间数字转换器(TDC),可应用于高精度的飞行测量领域。本设计采用SMIC 55 nm CMOS工艺,采用环形延时TDC作为粗量化电路,采用游标式TDC作为细量化电路。游标式TDC的精度受到延时失配限制,导致在设计时难以突破更高精度的要求。时间放大器通过放大粗量化产生的时间余量,并继续进行第二次细量化,降低了细量化电路的设计难度。针对传统时间放大器输入范围有限以及放大精确度不足的弊端,提出一种新的时间放大器结构,具有精确放大宽范围输入时间间隔的能力。仿真结果表明,采用该种时间放大器的TDC可实现的分辨率为3.7 ps,测量范围为80 ns,微分非线性(DNL)为0.73 LSB,积分非线性(INL)为0.95 LSB,该设计能够在高线性度下更好地兼顾TDC的分辨率与测量范围。     

基于Motorola VP Oncore接收机的新型GPS共视时间传递系统

本文设计了基于Motorola VP Oncom接收机的新型GPS共视时间传递系统,用高分辨时间间隔计数器测量本地原子钟和GPS接收机输出秒信号的时差,通过读取导航电文得到GPST和指定卫星的时差,于是得到本地原子钟与指定星钟的时差,实现GPS共视法单站测量。为确保系统严格共视,使用多线程和同步监测机制设计了可靠的同步控制策略,两套系统的超短基线单通道共视比对结果表明,系统性能稳定,比对精度(用原始共视数据的均方根表示)不大于4．9m,该系统可应用于SDH通信网时间同步、交换机时间同步等高精度定时领域。     

基于卡尔曼滤波提升快速反射镜的噪声水平

为了降低快速反射镜位置传感器的噪声水平同时又尽可能的减小滤波器所带来的不必要的相位滞后,在同样的硬件基础上提升位置信号的测量精度。将卡尔曼滤波方法引入到快速反射镜控制系统中,同时鉴于卡尔曼滤波器对建模精度的要求,对快速反射镜进行扫频结合手动拟合建模,并结合模型设计卡尔曼滤波器。在此基础之上,对卡尔曼滤波器和巴特沃斯滤波器的输出信号以及原始信号进行频谱分析,比较两种滤波方式的滤波效果和频谱覆盖范围。实验结果表明,卡尔曼滤波器的滤波效果为巴特沃斯滤波器的2.55倍,相位滞后量比巴特沃斯滤波器小36.0°,同时频域结果显示卡尔曼滤波器可以对更大频率范围的噪声有效。经过卡尔曼滤波以后,位置传感器测量精度明显提升。     

晶振源特性对IEEE1588同步性能影响的量化分析

晶振源质量是IEEE1588同步性能的决定性因素之一,其影响程度受复杂物理特性及时钟伺服影响,量化分析尚不完善,仅能适用于高稳晶振。以经典PI伺服为例,引入时钟伺服影响因子,推导出晶振准确度和稳定度对IEEE1588同步性能的影响公式,基于改进型终端搭建满足理论假设的实测环境,统计测得基于XO-5ppm的同步精度优于500 ns、标准差约为130.97 ns,基于OCXO-0.5ppm的同步精度优于50 ns、标准差约为7.95 ns。测试表明同等环境下,晶振质量对IEEE1588同步起到决定性影响,完善后的量化分析同时适用于高稳晶振和低稳晶振,具有更好的适用性。     

通用高精度时钟同步单元的设计方案

根据对时钟同步装置守时误差的分析,提出了一种通过降低测量误差进一步提高守时精度的同步时钟装置设计方案。该方案利用时钟内插方法降低全球定位系统(GPS)秒脉冲周期测量误差,对秒脉冲均值进行余数补偿消除均值计算中的引入误差,从而提高同步时钟装置的守时精度。根据所提方案设计了基于AMBA APB总线的通用高精度同步时钟知识产权(IP)核,并利用ARM Cortex-M0内核在现场可编程门阵列(FPGA)中构建了具有高精度同步时钟IP的片上系统(SoC)进行测试验证。测试结果表明,基于所提方案设计的通用高精度同步时钟IP核所生成的同步时钟精度在20 ns以内,守时误差在每小时300 ns以内。