基于时间—电压转换法的时间间隔测量电路模块的设计与实现

摘要

时间间隔测量技术有着非常重要的作用，在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有广泛的应用。时间间隔下限和测量精度一直受到应用领域工程技术人员的关注，随着技术发展和研究的深入，测量下限不断改写。
　　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。在比较分析目前国内外几种主要时间间隔测量方法的基础上，深入分析电容器充放电暂态过程中充放电时间与电容器上的电压关系，利用充放电时间与电容器上的电压关系建立时间-电压转换数学模型原型，以时间-电压转换法测量时间间隔为思路，主要研究小时间间隔的测量原理和方法，时间测量电路模块方案设计，时间测量模块各功能电路和主要技术参数设计，详细分析了时间测量模块各功能电路组成、技术要求和关键技术。经过大量的实验数据统计分析，改进传统充放电电路结构形式，使时间-电压转换法测量时间的电路结构变得异常简单。改进完善了数学模型，建立了具有工程经验的基于时间-电压转换的时间测量的数学模型。按照改进的数学模型设计了实用电路，采用取样控制技术，使电容器上的电压在有效时间测量期间损失的电量得到适时补充，确保有效时间测量结束后下次测量期间始终保持电容器上的电压为设计状态，为下次的时间测量作准备，实现了时间-电压转换法既可测量单脉冲时间，也可测量连续脉冲时间。
　　本阶段时间测量模块实现了时间测量范围5ns～1ms，测量重复频率为单脉冲至100kHz，分辨力优于100ps的技术指标。对时间测量模块时间测量误差影响量进行了分析，建立了时间测量误差数学模型，对给定了具体参数的时间测量模块的测量误差进行了量化分析。研究说明了基于时间-电压转换法的时间测量模块适用于小时间的测量，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。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 项目来源及任务背景

1．2 时间间隔测量技术国内外研究现状

1．2．1 时间概念与定义

1．2．1 国内外技术研究现状

1．2．2 主要测量方法分析比较

1．2．3 现代主要的时间测量仪器和器件

1．3 本课题主要研究工作

2 时间-电压转换法时间测量模块原理与方案设计

2．1 时间-电压转换法基本原理

2．1．1 电容器充放电过程

2．1．2 时间-电压转换法时间测量的基本原理

2．1．3 电容器充放电过程在时间间隔测量中的应用

2．2 时间-电压法时间间隔测量电路模块方案设计

2．2．1 测量电路模块主要技术指标

2．2．2 时间-电压法时间间隔测量电路模块组成

2．2．3 时间测量模块关键技术指标及可实现性分析

3 时间测量模块设计与实现

3．1 时间测量模块的组成

3．2 输入级电路设计与实现

3．2．1 输入级电路设计与分析

3．2．2 输入级电路的实现

3．2．3 输入级电路的工艺布局

3．2．4 输入级关键器件选用及性能分析

3．2．5 输入级实验情况

3．3 放电电路设计与实现

3．3．1 放电电路设计与分析

3．3．2 放电电路的实现

3．3．3 放电电路的工艺布局

3．3．4 放电电路的关键器件选用及性能分析

3．3．5 放电实验情况

3．4 充电电路设计与实现

3．4．1 充电电路设计与分析

3．4．2 充电电路的实现

3．4．3 充电电路的工艺布局

3．4．4 充电电路的关键器件选用及性能分析

3．4．5 充电电路实验情况

3．5 控制信号产生电路设计与实现

3．5．1 控制信号产生电路设计与分析

3．5．2 控制信号产生电路的实现

3．5．3 控制信号产生电路的工艺布局

3．5．4 控制信号产生电路的关键器件选用及性能分析

3．5．5 控制信号产生电路实验情况

3．6．1 输出级设计与实现

3．6．1 输出级设计与分析

3．6．2 输出级电路的实现

3．6．3 输出级电路的工艺布局

3．6．4 输出级电路的关键器件选用及性能分析

3．6．5 输出级电路实验情况

3．7 时间测量模块PCB板整体布局

3．8 时间测量模块外形及封装工艺设计

4 时间测量模块试验数据及误差分析

4．1 时间测量模块试验数据及分析

4．2 时间测量模块误差数学模型的建立及误差分析

4．2．1 时间测量模块误差模型的建立

4．2．2 时间测量模块误差分析

4．3 时间测量模块测试系统组成

5 结论

5．1 研究成果及应用前景

5．2 时间测量模块的特点

5．3 存在的不足及建议

6 攻读学位期间获奖和发表论文情况

致谢

参考文献

附图