一种基于时－空关系的时间间隔与频率的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于时－空关系的时间间隔与频率测量方法，它涉及仪器测量技术领域，其目的是为了克服现有技术存在的电路结构复杂、测量误差大、分辨率低、成本较高等缺点。该方法的步骤为：信号整形步骤，首先将被测量的时间间隔信号整形为窄脉冲信号；确定延迟步骤，根据信号在传输路径上传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定延迟线的形式、材料、长度、分段取样的段数；采样步骤：在采样点处，对短时间间隔的开始信号和结束信号分别经过两路传输后，获得延迟时间和被测量的时间间隔相等的重合信号；信号处理步骤：对取得的采样重合信号进行提取并送入单片机进行处理。本方法可用于测量时间间隔与频率。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器测量技术领域，特别涉及通过转换成电变量对任何种类的物理变量进行测量的技术，具体地说是一种基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法。它是根据信号的时-空关系，可以表示一路关门信号实际上不延迟而和另一路不同延迟段的信号进行重合检测，使得被测时间间隔与开门的延迟信号重合，以此反应被测时间间隔的值，并以此为基础可完成各种时间间隔与频率测量仪器的研制与开发。

背景技术

目前国内外所使用的频率测量和频标比对的方法仍然如模拟内插法、游标法、比相法、频差倍增法。常用的高精度时间间隔测量方法有直接计数法、模拟内插法、游标法、相位重合检测法以及一些特殊的时间间隔测量方法，如针对信号的上升时间、下降时间、占空比和延迟时间等这类周期性或者非周期性出现的特殊的短时间间隔而采用的相应的脉冲填充测量方法。其中，用直接填脉冲的方法测量时间间隔时，在闸门的开始和结束处，会产生两个小于标频信号一个周期的、难以测量的短时间间隔，游标法和内插法都是用模拟的方法将此时间间隔进行处理后再进行计数，可以实现高精度的短时间间隔测量，游标法的实际测量分辨率可达20ps。但是，这两种方法有明显的缺陷，就是电路结构都很复杂，并没有从根本上解决±1个字的测量误差，成本较高，实现起来很困难。因此，从性、价比方面来看，这两种方法都不利于推广应用。

短时间间隔的精密测量，在时频领域中是其它一切量，如时间或相位起伏、频率与频率稳定度等精密测量的基础，同时又可以被广泛用于各种非时频量的高精度测量中。多年以来，对任意非周期信号能达到10ps量级分辨率的测量方法要么基于模拟时间扩展法，要么通过一个模数转换器实现时间—数字量的转换。这两种方法结合通常的内插方法，可达到很高的分辨率，但是转换时间比较长，电路复杂且稳定性有限。

光、电信号在介质中沿着一定的传输路径快速稳定的传播，使得我们可以检测出电信号在延时器件中的状态，即电平大小。基于量化时延原理的高精度、短时间间隔测量方法，就是利用这一现象并结合现场可编程门阵列FPGA及大规模可编程逻辑器件CPLD的出现，对信号在有源器件中传播的延时进行量化，采用“串行延迟、并行计数”的基本原理实现对短时间间隔的精确测量。但也存在以下缺陷，因为延时器件是串联在一起工作的，所以时间间隔的测量精度依赖于延时器件的稳定性及其本身延迟时间的漂移。任意信号的量化时延法由于受到器件本身电平翻转时间的限制，其分辨率达到1ns很困难，量化时延法测量的短时间范围在100ns～10ns，理论上，上述的相对准确度能保证1ps到0.1ns量级的测量分辨率，但实际测量分辨率只有几个ns。

基于目前国内外所使用的短时间间隔和频率测量方法存在的问题，提供一种全新原理的测量方法是大家共同关心并急需解决的课题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法，该方法是根据信号的时-空关系，可以表示一路关门信号实际上不延迟而和另一路不同延迟段的信号进行重合检测，使得被测时间间隔与开门的延迟信号重合，以此反应被测时间间隔的值。并以此为基础来完成各种时间间隔与频率的测量、及该测量仪器的研制与开发，以获得纳秒至10皮秒量级的分辨率。

本发明的技术方案是利用光和电的信号在空间或者特定介质中的传递速度的高度准确性和稳定性在计量学中被作为一个自然常数的原理，将上述信号均转换成便于处理的电信号。从时-空关系来考虑时，这些电信号在传输线中如同轴电缆中的传输速度大约为2×10⁸米/秒，那么纳秒和10皮秒信号需要的传输延迟线长度分别为20厘米和2毫米，这样就可以把测量短时间间隔信号变为容易控制的延迟线长度来实现。在延迟线上的分段处对被测信号进行采样，并经过后续的信号处理可得到时间间隔与频率的测量结果。该基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法的实现步骤如下：

1)、信号整形步骤：它是为了对被测量的关键的短时间间隔信号进行测量，便于后续经过延迟途径后进行准确的计量，首先将被测量的时间间隔信号整形为窄脉冲信号。

2)、确定延迟步骤：被测量的时间间隔信号整形成为窄脉冲信号后，要通过设计的延迟线进行传输，延迟线的形式、延迟线的材料、延迟线的长度、延迟线分段取样的段数，根据信号在传输路径上传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定。

3)、采样步骤：被测量的短时间间隔的开始信号从延迟传输线通过，在延迟线上的每一个取样段的采样点处，用通过另一路被测时间间隔的结束信号对该处的信号传输状态进行采样，只有在延迟路径的传输延迟时间和被测量的时间间隔相等的情况下，才能够取得采样重合信号。

4)、信号处理步骤：对取得的采样重合信号进行提取，然后送入单片机进行处理，可以测出被测信号的时间间隔和被测的信号频率。

上述的基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法，所说的确定延迟步骤和采样步骤中，被测量的短时间间隔信号分两路通过设计的已知延迟线长度的传输线进行传输，其中该信号的开始信号通过一路延迟线传输延迟，其结束信号通过另一路不延迟或较前者有小的延迟，该结束信号在采样点处等待与开始信号重合，则开始信号经过的延迟线长度与结束信号经过的另一路延迟线长度之差即反映出了被测的时间间隔。本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明利用信号传递速度的稳定、准确这一自然现象所保证的精度比国内外传统的基于频率处理的方法精度更高，价格也更加便宜，而且还能够解决特高频率的测量问题。与传统种类的时间间隔与频率测量仪器相比，本发明具有更宽的频率和时间间隔测量范围，更高的频率分辨率和更宽广的应用领域。在纳秒及10皮秒准确度范围内可以成为新一代的时间间隔与频率测量仪器，应用范围更加广泛。具有造价低、性能好等方面的明显优势。

附图说明

图1是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理图

图1a是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理方框图

图1b是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理工作波形图

图2是简单级联的基于时空关系的时间间隔测量—游标法原理图

具体实施方式

图1是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理图，其中图1a是它的测量原理方框图，图1b是它的测量原理工作波形图。

参照图1a，它是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理方框图，它由整形单元、脉冲形成单元、延迟线单元、控制电路单元、重合检测和锁存电路单元、重合信号提取和译码单元(单片机)组成。在时间间隔测量方法中，因为长的时间间隔常常被分解为与填充时钟同步的较长时间间隔以及门时开启和关闭时与填充信号的不同步的小时间间隔。这个微细时间间隔常常变化在几纳秒或皮秒的范围内，从频率稳定度方面考虑要求的时频测量的分辨率更是优于1皮秒。对于这么短的时间信号的测量和处理常常受到器件的速度、噪声等因素的影响，大大限制了测量的精度。但是从时-空关系来考虑时，通过对各种传输线进行实验，我们进一步证明信号在传输线中如同轴电缆中的速度大约为2×10⁸米/秒，那么纳秒和10皮秒的信号在该传输线上传输的延迟分别为20厘米和2毫米，这是一些比较容易处理的长度线段。从这一点考虑，利用时频信号传输的时-空关系来处理时间间隔的测量问题，一方面利用相应器件的稳定性能够相对比较容易地得到更高的测量精度；另一方面通过特别短的时间间隔与好处理的长度量之间的对应关系也可以实现对于特别短的时间间隔的测量。为了实现上述目的，需要分别把门时开启(以下简称开门)与关闭(以下简称关门)的正弦波或者其他波形的信号整形成方波信号，再经过处理变成窄脉冲，在这里，关门信号不需延迟，通过开门信号延迟的累积获得与关门信号的重合，在终端显示设备可以检测到这种重合现象。控制电路用来控制锁存电路的工作个数，当检测到相位重合点，则对应的锁存电路工作，否则，锁存电路不工作。这是为了减少工作电路的个数以便尽可能的减少信号的损耗。这些微小的延迟由延迟线来完成。延迟线末端的匹配电阻是为了防止信号在延迟线中反射传播。根据实验，信号在延迟线中约以2×10⁸米/秒的速度进行传播。而且使用的延迟线不同，传输延迟的速度也不同。则，1ns的时间延迟可以用信号在20cm的传输线中的传输距离来完成，1ps的时间延迟可以用0.2mm的传输线，借助于现代微电子技术，甚至可以在传输线上距离更小的地方设置检测口，提取重合信号，这样，短时间间隔测量的精度和分辨率就会大大提高。图1a中右端表示信号通过延迟的重合检测过程是以级联的方式给出，根据信号在传输路径上按照传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定总的延迟路径的长度、对延迟段进行分段取样，这里把确定长度的延迟线做成等距离的花瓣型环状，使得关门信号到每个检测端的距离相等。开门信号送入环形传输线，关门信号分别在每一个花瓣末端等待，如果开门信号与关门信号发生重合，重合信号提取和译码模块(单片机)会显示出测试结果，被检测出的重合信号可以送入后续电路进行相关处理，这样就完成了对微细时间间隔的精密测量。传输线之所以做成环形是为了避免关门信号不必要的延迟对整个测量精度的影响。

参照图1b，它是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理工作波形图，开门窄脉冲信号经过n个τ₀的延迟，最后与关门窄脉冲重合，通过对重合信号检测点的取样，可以知道此时开门脉冲经过了几个延时单元，由于τ₀是根据传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定的，所以不仅能够检测到信号的重合点，而且可以根据延迟导线线段的个数计算出待测的时间间隔。

T_x＝n·τ₀    (1)

式(1)中，T_x为待测时间间隔，n为其通过的延迟线段个数，τ₀为单段延迟线对应的延迟时间。

根据以上的原理分析得知，这里设计的时间间隔测量系统的分辨率除了一般器件本身性能误差影响外，主要来源于τ₀，当τ₀为1ns时，系统分辨率可达10^-9量级(对于1秒的时间，频率测量时1秒的闸门时间)，此时的延迟线段长为20cm。为了获取更高的分辨率，这里可以使τ₀为1ps，对应的延迟线长度为0.2mm，在微电子技术快速发展的今天，这样的距离也是很容易实现的，则系统的分辨率可以达到10^-12量级。当延迟线段长设置为2mm时，就很容易获得对任意时间间隔测量分辨率达到10ps量级的要求。而且还发现，这种测量方法就像同相点检测方法一样，可以完全避免通常的±1个字的误差。

当时间间隔被准确测定后，可以根据直接测频法或多周期同步法以及其它原理所涉及的相应时间间隔与被测频率的关系计算出被测频率，以实现频率测量的目的。或者由于测量的是闸门时间和被测频率信号不同步的短时间间隔，通过对它的确定使得频率测量的精度大大提高。

由于本发明以信号的时-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，根据这一思想，进一步可以做成时间间隔测量仪或频率测量仪。根据微电子技术的应用，在电路板上用普通金属微带线刻制成所需形状的延迟线来进行延迟也是很容易实现的。而在原理验证实验中采用同轴电缆或其他屏蔽性能好的导线做延迟线则更为经济、更加方便。

在测量方法的使用上也可以把信号之间的短时间间隔在长度的延伸上展开，进行游标法测量。

参照图2，它是简单级联的基于时—空关系的时间间隔测量—游标法原理图，游标法测量是本发明扩展的一个具体实施例，它的测量步骤是：首先将低频信号和高频信号分别整形为窄脉冲信号，以整形后的低频信号做开门信号，整形后的高频信号做关门信号，并分别从两组延迟线中通过。开门信号通过的延迟线的每个线段总是比关门信号通过的延迟线的每个线段的长度要长一些(具体长度根据设定的分辨率值决定)。同时在每组相应的线段后对两个信号的重合状态进行测量。由于两路信号的延迟时间不同，这种延迟的积累最终会使得被测的时间间隔通过长度的延伸出现开、关信号的完全重合。而装置上设定的长度差的累计就是对于被测时间间隔的准确地反映。游标法的一个很重要的特点是，测量的分辨率要比两个游标尺的刻度精细的多。这样，就可以用并不是在长度上要求苛刻的装置做出更高分辨率的测量仪器。

游标法测量的具体步骤如下：

1)、信号整形步骤：将开门和关门信号分别整形为窄脉冲。

2)、确定延迟步骤：被整形为窄脉冲信号，分别通过两路延迟线传输，开门信号通过的延迟线的每个线段均比关门信号通过的延迟线的每个线段的长度要长，其具体长度根据设定的分辨率值来决定。

3)、采样步骤：在每组相应的延迟线段后对上述两个信号的重合状态进行采样。由于两路信号的延迟时间不同，这种延迟的积累最终会使得被测的时间间隔通过长度的延伸出现开门与关门信号的完全重合。而装置上设定的长度差的累计，就是对于被测时间间隔的准确地反映。

4)、信号处理步骤：对取得的采样重合信号进行提取，然后送入单片机进行处理，根据实际需要，可以分别得到被测时间间隔或被测频率的结果。