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1、毕业设计说明书基于FPGA的时间间隔测量仪的设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6 月摘 要随着科技的飞速发展，人们对高精度的时间频率的需求越来越高，传统可驯钟系统 (自动校频系统)是模拟或半数字体制，其时差测量单元采用高精度时间间隔计数器，存 在成本高、调试困难和不易建立模型等缺点。微电子技术的发展，推动了可编程逻辑技 术的发展，出现了价格低廉、适合工程应用的现场可编程逻辑器件(FPGA)，因此采用 FPGA 实现高精度时间间隔测量具有很大的现实意义。本文详细分析了几种传统时间间隔测量方法，深入研究了延迟单元在 FPGA 中的实 现方法，并对事件延迟内插法、时
2、钟延迟内插法、以及差分延迟内插法三种时间内插法 的仿真验证，结果表明，基于差分延迟线测量的分辨率最高，消耗硬件资源最少。在此基础之上，在 Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N芯片中实现分辨率为43ps的差分延迟链，采用粗细结合测量的方案，设计了一个集成在 FPGA 内的高精度时间间隔 测量模块。设计主要包括四个部分：系统时钟模块、粗测量单元、细测量单元、数据处理与数据传输模块，并在QuartusII开发环境下通过VerilogHDL语言对模块进行软件实现。基于FPGA的时间间隔测量的精度达到200ps，具有高精度、集成度高、易于移植的特点，是一种较优的设计方案，有着
3、很好的应用前景。关 键 词：FPGA，时间间隔测量，差分延迟内插法，延迟线ABSTRACTWith the rapid development of science and technology,the demand of high-precision time and frequency are increasingly higher.The traditional Disciplined Clock System (adaptive frequency calibration system) adopts analog or semi-digital system,which use hi
4、gh precision time-interval counter measure time part.But it exists shortcoming such as:high cost,large impact by environmental factors.Development of microelectronics technology,and promote the development of programmable logic technology.There has been a low price, suitable for engineering applicat
5、ions of field programmable gate array (FPGA). So reaching precise time-interval measure based on FPGA has the great practical significance.This paper analysis the commonly methods of time-interval. And the event delay interpolation method,the clock delay interpolation and the interpolation of three
6、differential delay time interpolations of the simulation results show that the differential delay line based on the highest resolution measurements, a minimum consumption of hardware resources.On this basis,I design to realizing a 43ps delay difference of differential delay based on Cyclone II serie
7、s of AlterasEP2C8Q208C8N chip.An integrated high-precision time interval measurement module be designed and embedded in FPGA.I determine the specific measurement for time interval:design by crude and fine measurement.The main modules are:System clock module,coarse measurement module,and fine measure
8、ment units,data processing and data transmission modules. Finally use the VerilogHDL software to simulate the entire program in the Quartus9.0.The FPGA-based time interval measurement accuracy of 200ps,with high accuracy,high integration,easy-to-transplant characteristics.It is a better design,has a
9、 good application prospects.Key words : FPGA，Time interval measurement，Differential delay interpolation ， Delay line目录1.1 研究背景与意义11.2 国内外发展现状31.3 论文主要研究内容62 时间间隔测量的基本原理及方法82.1 时间间隔测量的一般技术指标82.1.1 准确度82.1.2 频率稳定度82.1.3 分辨率92.1.4 精度92.2 直接计数法92.3 时间内插法102.3.1 内插基础102.3.2 模拟内插法102.3.3 游标内插法112.3.4 延迟内插
10、法122.3.5 差分延迟内插法133 基于 FPGA 的时间内插法的研究143.1 可编程逻辑器件简述143.1.1 FPGA 的发展153.1.2 FPGA 的结构及工作原理153.1.3 FPGA 设计基础163.2 基于 FPGA 的延迟时间内插法193.2.1 延迟单元分析193.2.2 延迟时间内插测量分析214 总体设计254.1 实现方案254.2 主要模块设计与实现254.2.1 系统时钟产生模块264.2.2测量模块274.2.3 数据处理模块294.2.4数据存储模块304.2.5通信模块304.2.6显示模块315 结论33参考文献34致 谢361 绪论1.1 研究背景
11、与意义现代科学技术的发展建立在精密测量基础之上，对时间间隔测量技术，尤其是对高 精度高分辨率的时间间隔测量技术的研究具有重大的意义，无论是在通讯、电子仪器、导航定位、航天航空、天文，还是计量、电子技术等领域都离不开高精度的时间间隔测量1。时间间隔测量以稳定的周期性运动为基础，以选定的标准周期倍数或分数为时间单位进行测量。人类对时间间隔的测量经历了圭表、机械钟、石英钟、原子钟等不同阶段。随着社会生产力的迅猛提高和科学技术的飞速发展，人们对时间由时间的基本单位导出的物理量频率的准确度提出了越来越高的要求，即对时间间隔测量分辨率和精度的要求不断提高。高精度短时间间隔测量是由多学科、多技术领域交叉形成
12、的一门专业技术，是高精度超声波测距、激光脉冲测距和雷达测距的基础。在激光测距中，主要是要测量电磁波的发射波与反射波之间时间间隔，来确定被测距离，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。现在高精度时间间隔测量已成为军事通信、卫星定位等航空航天和国防军事中不可或缺的关键技术。近年来，社会的高速发展对时间间隔测量的精度提出了更高的要求。在可编程逻辑器件(FPGA)单片上实现时间间隔测量已有大量成功的例子，相对于传统的设计方法，应用FPGA技术除了具有测量的准确度高和设备的稳定性强等优点外，更有系统集成度高、简单灵活、体积小、易于升级扩展和成本低廉等优点，因此通过编程在 FPGA中实现高精度时间间隔测量具
13、有深远的意义。时统设备是时间统一系统的重要组成部分，它向用户提供标准时间频率信号，所以 时统设备的性能已关系到整个时间统一系统各点的时间频率同步精度和稳定性，同时也 关系到终端用户获取的时间频率信号的准确性和稳定。因此，时统对提高时统设备的定 时、校频性能的研究具有重要意义，而可驯钟技术是时统设备实现定时校频功能的主要方法之一2。典型的时统设备如图1.1所示。图 1.1 典型时统设备原理图频率标准是时统设备的心脏，由于对站间同步误差和时统设备守时能力的要求不断提高，对时统设备的频率标准要求也越来越高。以往时统设备大多配置高稳定石英晶体 频率标准，由于受准确度的限制以及需要较长的开机预热过程等问
14、题影响，在高精度求场合，单一的石英晶体频率标准已不能满足要求，组合型频率标准应运而生。组合型频率标准将不同性能优势的频率标准，采用电子电路组合成比单个频率标准性能指标更 为优良的频率标准，即可驯钟技术。例如，时统设备曾采用铷原子频率标准输出的标准 频率信号锁定高短稳石英晶体频率标准，使其输出的信号既有高频率准确度，又有良好 的短期频率稳定度。组合型频率标准是在现有频率标准无法满足时统设备对标准频率信 号指标的全面要求的情况下采用的，它可发挥参加组合不同频率标准在某个或者某些指 标方面的优势，如石英晶体频率标准在秒以下的频率稳定度好、铯原子频率标准准确度 高、氢原子频率标准 10s以上的频率稳定
15、度好等。近年来出现了另一种组合形式，即将频率标准与精密校频接收机相结合，利用接收到的标准时间频率信号校准本地频率标准的频率，使本地频率保持较高的准确度。这种组合 形式的代表为：GPS可驯石英晶振、GPS可驯铷钟。众所周知，石英晶体频率校准由于受 到晶体老化等因素的影响，输出频率有较大的老化率，重现性也较差。铷原子频率标准的 重现性是原子频率标准中的最差者，同时漂移率也是最大的。组合型频率标准接收机接收GPS、GLONASS、我国的北斗、长波等标准时间频率信号，使本地频率标准的频率跟踪频 率时间频率信号从而达到减小重现性、同时减少老化或漂移对频率标准的影响3。GPS技术是目前使用广泛的技术之一。GPS技术提供了一个在全球范围内将时间同 步控制在几纳秒内的手段，运用GPS技术的优良特性来控制本地振荡器的可驯钟技术也得到了的深入研究和广泛的使用。然而其它能提高精度时间频率源的系统(如俄罗斯的 GLONASS、我国的北斗以及长坡等)都因时间间隔精度的原因没能得到广泛的应用，相信随着我国北斗系统的不断发展和完善、长波授时台的改造以及
