高精度时间间隔校准系统设计与实现

摘要

时间作为国际七个标准物理量之一，是计量校准中的一个关键参数。高精度的时间间隔测量在科学研究和国防建设上有着重大意义，它是雷达探测、原子物理、精密测量仪器等研究领域的硬性指标。随着科学的日益发展与进步，人们对于时间间隔测量的精度要求将越来越高。目前，国内外许多学者对时间间隔测量与校准技术进行了大量研究，如何进行高精度的时间间隔测量校准，成为目前一个亟待解决的科学与关键技术问题。
　　本文在目前国家时间间隔计量检定规程基础上，设计了一种利用不同长度导线测量时间间隔的高精度、高稳定度的测量方法。该测量方法基于正弦波信号相位测量原理，利用电信号在导线中传输具有稳定延迟的特点，利用锁相环输出正弦信号并通过导线进行信号传输时间延迟，再利用双通道ADC对该延迟信号和另一路未经导线延迟的正弦信号同时进行数据采样，采集的数据送入SRAM缓存，再通过FPGA读取及USB控制芯片传输数据，以数据流的形式上传给上位机，利用最大似然估计算法对采集的数据进行运算分析，从而得出信号在导线中的传输延迟时间。多次测量不同长度导线时间延迟，通过作差的方式消除系统误差，对数据整理分析，从而得出高精确、稳定的时间间隔电脉冲串，在20ns范围内，其脉冲串的重复性优于6ps，测量不确定度优于30ps，为高精度时间间隔测量校准提供技术基础。
　　文章详细介绍了不同导线的硬件部分组成及软件设计，首先在理论上验证了设计方案的可行性，综合分析了影响系统的各个因素，提出了相应的改进措施，其次，通过对系统进行重复性实验测试，标定了本实验室研制的时间间隔测量仪的具体性能指标：测量分辨率优于1ps、测量不确定度优于30ps，并能够有效的溯源。同时，本系统具有工作稳定、结构简单、高精度及高稳定性的特点，测试指标达到了国内领先水平，并能为其它测量时间间隔的精密仪器提供校准。

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第1章 绪论

1.1 时间间隔测量及校准的背景及意义

1.2 时间间隔测量方法概述

1.3 时间间隔校准方法概述

1.4 时间间隔测量及校准国内外现状

1.5 本文研究的主要内容

第2章 时间间隔校准相关理论基础

2.1 双波长测量原理

2.2 导线传输延时

2.3 最大似然检测理论

2.4 最大似然估计算法精度验证

2.5 带通欠采样技术

2.6 锁相环原理

2.7 本章小结

第3章 系统硬件方案设计

3.1 硬件系统方案设计

3.2 时钟源模块

3.3 FPGA控制模块

3.4 锁相环模块设计与实现

3.5 ADC模块设计与实现

3.6 USB传输模块设计与实现

3.7 SRAM模块设计与实现

3.8本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 软件系统流程图

4.2 CY7C68013驱动程序设计

4.3 模块驱动程序

4.4 最大似然估计算法实现

4.5 本章小结

第5章 系统整体测试与分析

5.1 系统概况及测试环境

5.2 误差分析

5.3 系统噪声种类及抑制方法

5.4 信号完整性分析

5.5 系统指标测试

5.6 多次插拔稳定性测试

5.7 系统不确定度测试

5.8 本章小结

结论

参考文献

致谢