高精度时间间隔测量仪的研制

设计了一种新的时钟插入技术以实现高分辨率的时间间隔测量仪.该时钟插入技术利用信号在传输时会有稳定的,规律的延迟特点,用一段传输线对时钟信号延迟,在传输线上根据设计分辨率的大小设置一些离散的检测点,用D触发器完成对延迟后的时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的重合检测,根据重合点出现的位置推算出时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的时差大小.采用FPGA芯片EP2C5Q204和上述时钟插入技术实现了一个高精度时间间隔测量仪.实验结果表明基于传输延迟的时钟插入技术具有分辨率高,温度稳定性高,抗干扰能力强,容易制造的特点.实现的时间间隔测量仪具有实现简单,稳定性好等优点.     

基于时-空关系的时间间隔与频率测量方法研究

利用信号的时-空关系通过对被测时间信号与其在长度上传输延迟的重合检测来测量短时间间隔,以此为基础可完成各种时间间隔与频率测量仪器.可比较容易地获得ns至10ps量级的分辨率.这种利用信号传递速度的稳定、准确这一自然现象所保证的高精度比国内外传统的基于频率处理的方法精度更高,价格也更有优势,而且还能够解决特高频率的测量问题.     

脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量

考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法.该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合.采用脉冲计数法对被测时间间隔进行"粗值"测量,保证大的动态测量范围.利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N.利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化.该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率.测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8 μs,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71 ps以内,基本满足实际应用的精度要求.     

基于延迟内插的调制域分析

介绍了调制域分析技术的原理，重点介绍基于FPGA的零空闲（ZDT）计数和测量补偿技术。测量补偿采用延迟内插法，相对于传统的游标内插法和斜坡内插法，此方法电路简单，转换速率高，测时分辨率可以达到ps级。本方案可应用在高精度连续测频、高精度连续测量时间间隔，测ns秒级窄脉冲等各种场合。     

基于延迟链的频率测量方法

提出了一种基于延迟链技术的频率测量新方法.利用被测频率产生计数闸门,利用延迟链产生均匀延迟的多路参考频率信号,在同一闸门下对其计数,以其平均数作为参考频率计数值,降低了±1计数误差,对其进行误差分析表明其频率测量精度决定于延迟单元延时及其误差.实际测量数据表明在参考频率为200 MHz,对延迟单元延时标定为0.5 ns时其频率测量精度同比多周期同步法提高8倍.相比模拟内差法、时间-电压变换法和游标法等,该方法实现简单、成本低廉,具有良好的实用性.     

精密超声波温度测量仪设计

利用超声波在介质中传播速度随温度变化而变化的特点,设计了一种新型精密温度测量仪,该测量仪兼有低成本与高精度的特点.采用特殊的软件细分算法对采集数据进行处理,给出了实现该设计所需要的硬件电路图和软件算法流程图,并对测量仪的分辨率进行了分析.分析结果显示设计实现了超声波ns级微小时间的测量,使超声波测温技术在实际运用中的关键问题得以解决,从而使测量结果的分辨率优于0.001℃.     

利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量

高精度时间间隔测量广泛应用于时间同步、卫星导航、航天测控、激光测距以及核电子等场合.目前主流的时间间隔计数器能达到25 ps分辨率,约100 ps的准确度.本文把被测信号作为采样参考频标信号的触发信号,利用参考频标的相位记录被测信号的触发点,然后利用插值FFT对参考频标信号的采样数据进行相位估计,提出了一种理论上分辨率和精度均优于1 ps的时间间隔测量方法.实验测试结果表明原理样机达到了10 ps的测量精度.进一步改进样机的设计,有望达到1 ps的测量精度.     

基于FPGA的差分延迟时间测量电路设计北大核心CSCD

等精度同步法是频率测量的常用方法,但是计数闸门和基准时钟信号的不同步会产生一个时间间隔,导致最终出现一个字的量化误差。为了减小该误差,提出一种基于FPGA的全数字差分延迟TDC(time-to-digital converter)电路。文中TDC基于差分延迟线原理,构建2条时延不同的延迟线代替传统单线延迟,提高了测量分辨率。设计数字校准电路,减少测量过程中外界条件变化造成的误差,试验结果表明:25℃下TDC单次测量绝对误差小于90 ps。     

多通道高精度时间-数字转换器的研制

介绍了一种基于USB2.0接口的多通道高精度时间 数字转换器(time-to-digital converter, TDC)的设计与实现。完成了NIM-LVPECL电平转换电路、高速串并转换电路、基于FPGA的数据处理及相关逻辑控制等单元电路的设计,最后给出了TDC的测试性能指标。结果表明,TDC的最小时间分辨率为403 ps,测量时间范围为0~420 us,测量“死时间”<13 ns。TDC可广泛应用于高精度的时间间隔测量领域,特别是作为飞行时间质谱仪（time-of-flight mass spectrometer, TOF-MS）的数据采集卡。     

基于FPGA的高分辨率时间数位转换器设计

介绍时间间隔的测量原理,分析各种测量方法的优缺点和主要误差来源,并设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时数转换器(TDC).该设计采用高精度计数器和延迟线内插法共同测量时间间隔.该时数转换器的测量范围由计数器决定,而测量分辨率由内插延迟线决定,因此,具有测量范围大,分辨率高的特点.由于测量的利用两种延时单元的微小时间差对时间间隔进行内插,获得了1ns的测量分辨率,具有精度高、功耗小及实现简便等优点.     

用于激光测距的高精度时间数字转换电路

针对大容量现场可编程门阵列(FPGA)时间数字转换电路线性度较差的问题,采用小容量FPGA实现了用于激光测距的高精度、高线性度时间数字转换电路。通过对高速计数器、数字插入方法、编码器硬件算法的研究,分析了影响时间数字转换电路精度和非线性误差的因素,提出了一种降低非线性误差的方法。首先,根据所分析的影响因素,解决了高速锁存的问题,在单片小容量FGPA XC2V250上实现了时间数字转换电路;接着,通过USB接口将携带时间信息的计数器值和温度计码转为二进制编码值传给PC机,进行计算和显示;最后,设计了延时测量电路,对所设计的时间数字转换电路进行了测试,得到了各个延时单元延时的大小,并进行了数据分析和处理。测试结果显示:时间数字转换电路单次测时分辨率约为80 ps,校正后可达40 ps左右,微分非线性误差为-0.524LSB~+0.448LSB,积分非线性误差为-1.598LSB~+1.492LSB,可以满足飞行时间法激光测距中高精度测时的要求。     

时频测量高性能内插模块实现

精密时间间隔测量技术在许多重要领域都占据着十分重要的地位,本文实现了一种基于时间幅度转换法的高分辨力、高单次测量精密度、高采样率时间内插模块并应用于高精度时间间隔测量,其时间分辨力达到20ps以内,单次测量精密度优于8ps,采样率达到了8MHz。     

10 ps resolution, 160 ns full scale range and less than 1.5% differential non-linearity time-to-digital converter module for high performance timing measurements

We present a compact high performance time-to-digital converter (TDC) module that provides 10 ps timing resolution, 160 ns dynamic range and a differential non-linearity better than 1.5% LSB(rms). The TDC can be operated either as a general-purpose time-interval measurement device, when receiving external START and STOP pulses, or in photon-timing mode, when employing the on-chip SPAD (single photon avalanche diode) detector for detecting photons and time-tagging them. The instrument precision is 15 ps(rms) (i.e., 36 ps(FWHM)) and in photon timing mode it is still better than 70 ps(FWHM). The USB link to the remote PC allows the easy setting of measurement parameters, the fast download of acquired data, and their visualization and storing via an user-friendly software interface. The module proves to be the best candidate for a wide variety of applications such as: fluorescence lifetime imaging, time-of-flight ranging measurements, time-resolved positron emission tomography, single-molecule spectroscopy, fluorescence correlation spectroscopy, diffuse optical tomography, optical time-domain reflectometry, quantum optics, etc.     

基于磁杆直线电机的光学延迟线研究

在太赫兹时域波谱系统中,通过光学延迟线的时间延迟实现对太赫兹时域信号的采集,而传统的光学延迟线存在扫描速度慢、光学延迟分辨率低等问题。为此,提出了一种采用磁杆直线电机作为驱动和传动一体装置,并加入光栅测量系统的光学延迟线改进方案。测试结果表明,该方案可实现长距离内高速、精准往复运动,同时提供高达512 ps的延时范围和0.033 fs(位置定位精度0.01μm)的光学延迟分辨率,显著提高了太赫兹时域波形振幅的稳定性。     

An accurate system for onsite calibration of electronic transformers with digital output

Calibration systems with digital output are used to replace conventional calibration systems because of principle diversity and characteristics of digital output of electronic transformers. But precision and unpredictable stability limit their onsite application even development. So fully considering the factors influencing accuracy of calibration system and employing simple but reliable structure, an all-digital calibration system with digital output is proposed in this paper. In complicated calibration environments, precision and dynamic range are guaranteed by A/D converter with 24-bit resolution, synchronization error limit is nanosecond by using the novelty synchronization method. In addition, an error correction algorithm based on the differential method by using two-order Hanning convolution window has good inhibition of frequency fluctuation and inter-harmonics interference. To verify the effectiveness, error calibration was carried out in the State Grid Electric Power Research Institute of China and results show that the proposed system can reach the precision class up to 0.05. Actual onsite calibration shows that the system has high accuracy, and is easy to operate with satisfactory stability.     

Nanosecond delay with subpicosecond uncertainty

We have combined a commercially available, variable-length coaxial delay line (trombone line) with a high-resolution linear translation system. The result is better resolution and lower uncertainty in the achievable delays than previously available. The range of delay is 0 ps to approximately 1250 ps, the bidirectional resolution is 2.0 ps, the unidirectional resolution is 0.2 ps, and the uncertainty (95% confidence interval) in the measured delay is +/-0.09 ps. Drift, temperature dependence, repeatability, linearity, and hysteresis were also examined.     

基于超声透射时差法的金属棒缺陷检测研究

本文提出了一种基于超声透射时差法检测缺陷的方法。首先对超声探头的声场特性分析研究,完成回波信号的转换和调理;然后控制时间数字转换器,得到回波信号的时差值;将采集到的不同时差值进行算法分析,并用数字信息量化出缺陷值,最终转化为可视的二维数据图。通过设计的系统对黄铜棒进行缺陷检测,采集的回波信号时差值的分辨率可达125 ps,缺陷测量误差小于±0.01 mm,径向和轴向分辨率可达0.007°,最大测量直径30 mm。实验结果表明缺陷检测系统具有较高的稳定性、可靠性和灵敏度。     

用于心电信号的能量最大化模拟信息转换系统

现有便携式心电采集系统需要低功耗高分辨率的模拟数字转换模块,虽然基于脉冲宽度调制的模拟信息转换器(AIC)可以有效降低系统的采样速率,但是该系统量化部分的转化时钟与量化精度成正比,因此存在功耗过高的问题.依据心电信号的能量不均衡特性,提出一种基于功率熵的精度可调时间-数字转换模块(TDC)设计方法.以能量最大化作为设计...     

A compact digital time differential perturbed angular correlation-spectrometer using field programmable gate arrays and various timestamp algorithms

A user-friendly fully digital time differential perturbed angular correlation (TDPAC)-spectrometer with six detectors and fast digitizers using field programmable gate arrays (FPGA) is described and performance data are given. The new spectrometer has an online data analysis feature, a compact size, and a time resolution such as conventional analog spectrometers. Its calculation intensive part was implemented inside the digitizer. This gives the possibility to change parameters (energy windows, constant fraction trigger delay) and see their influence immediately in the γ-γ correlation diagrams. Tests were performed which showed that the time resolution using a (60)Co source with energy window set at 1.17 MeV and 1.33 MeV is 265 ps with LaBr(3)(Ce) scintillators and 254 ps with BaF(2) scintillators. A true constant fraction algorithm turned out to be slightly better than the constant fraction of amplitude method. The spectrometer performance was tested with a TDPAC measurement using a (44)Ti in rutile source and a positron lifetime measurement using (22)Na. The maximum possible data rate of the spectrometer is 1.1 × 10(6) γ quanta per detector and second.