一种短时间间隔测量方法的研究及其FPGA实现

介绍了基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)实现高精度时间间隔测量的系统结构及关键技术.采用锁相环对时钟源进行倍频、相移产生多路相关联的参考时钟,对短时间间隔进行双边沿采样测量,从而等效提高时钟频率,减小量化误差,提高了时间间隔测量的分辨率.最大分辨率可达625ps,测量范围优于20s,为更高精度的时间间隔测量提供更小的测量范围,从而为精细测量专注于更高的分辨率和测量精度打下基础.     

基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计

为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求,设计了一种高精度脉冲激光测距系统。系统基于最小可分辨45ps的专用计时芯片TDC-GP22实现高精度、高分辨率的时间间隔测量,并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。详细论述了TDC-GP22时间间隔测量模块的硬件设计及软件流程。实验结果表明,该系统的测量分辨率达45ps,对时间间隔1μs内的测量精度可达60ps,对应150m测距精度可达1cm;对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns,对应千米级测距精度可达0.15m,满足高精度距离测量的应用需求。     

光子计数成像激光雷达时间间隔测量系统研究

光子计数成像激光雷达需要测量一个激光主波和与之对应的多个回波之间的时间间隔,并具有高精度.采用延迟线插入法时间间隔测量技术,研制了具有27ps分辨率的多脉冲时间间隔测量系统,介绍了系统的软硬件结构及工作流程,测试了精度和线性度等指标,实验结果表明系统精度达到80ps,线性度良好.     

基于TDC-GP1的高精度激光测距研究

激光测距中,时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用。针对时间间隔的测量精度问题提出了一种基于TDC-GP1计数芯片高精度测量方法,把时间间隔直接转化为高精度的数字,并结合软硬件的实现方法,通过DSP芯片控制TDC-GP1进行单通道的时间间隔测量,由内部粗计数器和精延时通道合作完成时间间隔测量,直接将待测时间间隔转换成数字量读出。实验结果表明,该模块测量频率快,单脉冲测量精度可达100 ps以内,线性度良好,可满足不同应用中的测速和精度要求。     

激光测高仪中基于现场可编程门阵列的高精度飞行时间测量

设计了在激光测高系统中基于单芯片现场可编程门阵列(FPGA)的高精度时间间隔测量模块。该模块采用高频计数器实现粗时间测量,差分延时线内插技术完成细时间测量,时间分辨率为300 ps。该芯片同时还集成了时序切割电路、回波脉宽测量和数据传输模块等。在环境温度20℃时对该测量模块进行精度测试,获得标准偏差为94.68 ps,转换成距离为1.42 cm。最后通过地面检测,整个系统在500 km范围内的一般条件下可获得测高精度±50 cm。     

时间间隔测量技术研究与应用

在介绍了时间间隔测量的基本方法及其存在的测量误差的基础上,详细分析了时间间隔测量领域出现的多周期同步测量、模拟内插测量、数字内插测量等新测量技术的原理。通过对这些新测量技术原理及特点的论述,可以看出各种新技术对于提高时间间隔测量精度及其分辨率有很好的效果。文章最后通过时间间隔测量新技术的实际应用证实了理论分析,同时指出了新技术的应用领域及良好的应用前景。     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

激光测高系统中基于GP1的飞行时间测量

激光测高仪是测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标.采用了一种专用的时间数字转换芯片设计了时间间隔测量模块,它采用延时线技术,测量频率快,时间分辨率高,受外界环境干扰小,完全适合激光测高的要求.在给出软硬件实现方法的同时,也给出了测量结果.     

基于TDC的无死区频率测量技术研究

在精密时频测控领域中,高分辨率、无死区的时间间隔和频率测量非常关键,而时间数字转换器(Timeto Digital Converter,TDC)是时间频率测量的常用手段.该文研制了基于ACAM公司生产的时间数字转换芯片TDC-GP21和Altera公司FPGA芯片EP4CE6E22C8N的时间频率测量设备,实现了高分辨率的时间间隔测量,测量分辨率达到13ps.同时采用时间间隔测量模块两两组合的方式实现了无死区频率测量,创新性地采用每组3个TDC芯片,共4组搭建了时间频率测量系统,并对组内3个TDC芯片测量结果采用平均值滤波法,使频率测量稳定度达到1.1×10-11@5.6×10-15@10000 s,与商用K+K FXE频率计数器指标相当.本设备具有体积小、无需校准、成本低等优点,能够广泛应用到高精度时间间隔和精密频率测量领域中.     

基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制

为了更好地探测空间等离子体成分,研究了一种基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统,分别介绍了该系统的三个组成部分CPU模块、时间间隔测量模块、数据传输模块。并着重研究了纳秒量级时间间隔的测量方法,详细介绍了主要时间间隔测量芯片TDC-GP1。并对数据传输模块的设计做了简要说明。实验结果表明,该测量系统的性能可满足探测需求。     

脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析

在脉冲激光测距时间间隔测量系统中，传统的数字时钟计数法受限于计数时钟的频率，测量精度不高。由于模拟插入法具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点，广泛应用于脉冲激光测距时间间隔测量系统中。介绍了模拟插入法时间间隔测量的原理，设计了其测量系统及相应的测试电路。利用该系统进行了实验研究，达到了100ps的时间间隔测量精度，对应于1．5cm的测距精度。最后，进行了测量误差分析。     

激光测距仪距离模拟源技术研究与精度分析

在对激光测距仪进行性能测试时,需要输入高精度、稳定且可调的仿真距离测试值.对激光测距仪的地面距离模拟源技术进行了研究,设计了集成激光接收和发射单元的距离模拟源系统,通过使用同步时钟计数的方法实现长度可实时输入的延时,以模拟激光测距仪从激光发射到接收激光回波间的时间间隔,并对影响距离模拟精度的系统误差和随机误差源进行了分析和计算,最后通过高精度时间间隔测量装置对距离模拟源进行了实际模拟精度的测量,验证了距离模拟源提供的距离值的绝对精度和相对精度.     

室内高速激光三角测距技术的设计与实现

为了实现室内大范围环境激光测距,采用三角测距原理设计了一套高速激光测距系统。该系统采用高分辨率线性CCD传感器采集环境信息并输出二值化信号,由32位单片机对二值化信号进行处理,利用分段拟合法得到的距离解算算法对二值化信号进行解算,从而得到激光光斑与测距模块镜头中心的距离;最后进行了实验验证。结果表明,测距仪具有714Hz的测量频率,最大测量距离为6311mm,最小测量距离为48mm,平均误差为2.8mm,最大测量误差为11mm。该测距系统可满足室内大范围环境测量的要求。     

用于机载激光测深系统的时间间隔测量模块

机载海洋激光测深系统不仅要求精确测量激光从海表的入射点到海底目标点之间的距离,还要精确测定飞机到海表入射点之间的距离,为水深数据的海浪校正而确定平均海平面以及波高。为此设计和研制了一高精度时间间隔测量器,该单元基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,双通道工作,具有高时间分辨率(最高可达250ps)和高测量重复率的特性。给出硬件和软件设计方法以及单元的测试结果。     

LFMCW雷达数字化测距测速的工作参数设计

LFMCW雷达测距和测速的应用中,测量精度是主要考虑的因素.由于需兼顾距离和速度的测量精度要求,雷达系统参数和信号处理技术指标的设计就变得复杂.从雷达工作原理出发,在数字化信号处理中分析了时域的测距测速精度与频率分辨力的关系,着重讨论了距离分辨力与距离、速度测量精度要求的关系;提出了雷达系统工作参数设计的方法步骤,从而满足较高的测距和测速精度要求.     

基于时间间隔测量的宽范围高分辨率时间同步检测方法

针对传统时间同步技术中测量范围与分辨率之间的矛盾,提出一种基于时间间隔测量的宽范围高分辨率时间同步检测方法.利用电磁波信号在特定介质中传播的准确性和稳定性,结合任意信号之间无需频率归一化处理的异频相位检测原理,以时空转换关系为基础,将基于长度游标的时频测量技术应用于导航卫星1pps信号的同步检测,进而提高1pps信号之间时间差测量的分辨率.同时,该技术与传统的高精度时间间隔测量方法配合使用,形成多层次逐级测量法,可以进一步扩宽测量范围.实验结果证明了该方法的合理性和科学性,其测量分辨率可达到50ps量级,稳定度优于10ps.该方法将为我国航空航天、导航定位、通信、计量、雷达、天文等高科技领域的进一步发展提供理论指导并对其中关键的时间同步方面提供技术支持.     

Measuring and predicting resolution in nanopositioning systems

The resolution is a critical performance metric of precision mechatronic systems such as nanopositioners and atomic force microscopes. However, there is not presently a strict definition for the measurement or reporting of this parameter. This article defines resolution as the smallest distance between two non-overlapping position commands. Methods are presented for simulating and predicting resolution in both the time and frequency domains. In order to simplify resolution measurement, a new technique is proposed which allows the resolution to be estimated from a measurement of the closed-loop actuator voltage. Simulation and experimental results demonstrate the proposed techniques. The paper concludes by comparing the resolution benefits of new control schemes over standard output feedback techniques.     

基于C51的多通道高精度电压转换模块设计

为满足不同工业现场调校热电偶及后级控制器的需要,实现高精度温度测量,设计了多通道高精度电压转换模块。硬件系统以C8051F064为控制核心,利用AD8572等高性能芯片及军品级精密分立器件搭建线性运放电路,运用16位DA转换器MAX5541实现高分辨率转换输出,用以产生符合后级测控所需的标准双极性信号。通过逐点给定0～10V输入电压测试实物输出,实测结果证明,该模块具有稳定性好,转换精度高（可达±0.01%）等特点,完全满足不同工业现场的测控需要。