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1、高精度时间间隔测量方法综述孙 杰 潘继飞 （解放军电子工程学院，安徽合肥，230037）摘要：时间间间隔测测量技术术在众多多领域已已经获得得了应用用，如何何提高其其测量精精度是一一个迫切切需要解解决的问问题。在在分析电电子计数数法测量量原理与与误差的的基础上上，重点点介绍了了国内外外高精度度时间间间隔测量量方法，这这些方法法都是对对电子计计数法的的原理误误差进行行测量，并并且取得得了非常常好的效效果。文文章的最最后给出出了高精精度时间间间隔测测量方法法的发展展方向及及应用前前景。关键词：时时间间隔隔；原理理误差；内插；时间数数字转换换；时间间幅度转转换Methoodsoof HHighh Pr
2、eecissionnTimme-IInteervaal MMeassureemenntSUN JJie , PPAN Ji-feii（Elecctroonicc Ennginneerringg Innstiitutte oof PPLA,HeFFei22300037, Chhinaa）Abstrractt: TTechhnollogyy off tiime-inttervval meaasurremeenthhas beeen aapplliedd inn maany fieeldss. HHow to impprovve iits preecissionn iss ann emmerggen
3、tt quuesttionn. OOn tthe basses of anaalyzzingg ellecttronnic couunteers prrincciplle aand errror, thhis papperpputss emmphaasiss upponiintrroduucinnghiighppreccisiion timme-iinteervaal mmeassureemennts alll ovver thee woorldd. AAll theese metthodds aaim at eleectrroniic ccounnterrs prrincciplle eer
4、roor, andd obbtaiin sspecciall efffecct. Lasstlyy, tthe proogreess dirrecttionn annd aappllicaatioon fforeegrooundd off hiigh preecissionn tiime-inttervval meaasurremeent metthodds aare preedicctedd.Key WWordds: timme iinteervaal; priinciiplee errrorr; iinteerpoolattingg; ttimee-too-diigittal connve
5、rrsioon; timme-tto-aampllituude connverrsioon0引言时间有两种种含义，一一种是指指时间坐坐标系中中的某一一刻；另另一种是是指时间间间隔，即即在时间间坐标系系中两个个时刻之之间的持持续时间间，因此此，时间间间隔测测量属于于时间测测量的范范畴。时间间隔测测量技术术在通信信、雷达达、卫星星及导航航定位等等领域都都有着非非常重要要的作用用，因此此，如何何高精度度测量出出时间间间隔是测测量领域域一直关关注的问问题。本本文详细细分析了了目前国国内外所所采用的的高精度度时间间间隔测量量方法，指指出其发发展趋势势，为研研究新的的测量方方法指明明了方向向。1 电子计计
6、数法1.1 测测量原理理与误差差分析在测量精度度要求不不高的前前提下，电电子计数数法是一一种非常常好的时时间间隔隔测量方方法，已已经在许许多领域域获得了了实际应应用，其其测量原原理如图图1所示示：时间间隔TxNT1T2待测脉冲量化时钟M图1 电子子计数法法测量时时间间隔隔基本原原理量化时钟频频率为，对对应的周周期，在在待测脉脉冲上升升沿计数数器输出出计数脉脉冲个数数，为待测测脉冲上上升沿与与下一个个量化时时钟脉冲冲上升沿沿之间的的时间间间隔，则则待测脉脉冲时间间间隔为为： （11）然而，电子子计数法法得到的的是计数数脉冲个个数，因因此其测测量的脉脉冲时间间间隔为为： （2）比较表达式式（1）（
7、22）可得得电子计计数法的的测量误误差为，其其最大值值为一个个量化时时钟周期期，产生生的原因因是待测测脉冲上上升沿与与量化时时钟上升升沿的不不一致，该该误差称称为电子子计数法法的原理理误差。除了原理误误差之外外，电子子计数法法还存在在时标误误差，分分析表达达式（22）得到到： （33）比较表达式式（3）（22）： （44）根据电子计计数法原原理，因此此： （55）即为时标误误差，其其产生的的原因是是量化时时钟的稳稳定度，可可以看出出待测脉脉冲间隔隔越大，量量化时钟钟的稳定定度导致致的时标标误差越越大。作者简介：孙杰： （119755），男男（汉族族），安安徽合肥肥人，解解放军电电子工程程学院讲
8、讲师潘继飞：（119788），男男（汉族族），安安徽凤阳阳人，解解放军电电子工程程学院信信号与信信息处理理专业博博士生根据以上分分析得出出电子计计数法具具有以下下特点：1测量量范围广广，容易易实现，且且能够作作到实时时处理。2存在在时标误误差与原原理误差差，限制制了其测测量精度度。电子计数法法是一种种成熟的的时间间间隔测量量方法，参参考文献献123都有一一定的说说明，有有兴趣的的读者可可以参阅阅。1.2误差差克服途途径时标误差可可以采用用高稳定定度的时时钟来克克服，比比如铷原原子频率率标准；量化误误差的克克服有许许多方法法，也是是国内外外研究的的热点，可可以将其其分为以以下三类类。第一类：提提
9、高量化化时钟的的频率，这这带来的的问题是是时钟频频率越高高对电路路的要求求越高，并并且相应应的芯片片也很难难选择。例例如，当当要求11ns的的测量精精度时，时时钟频率率需要提提高到11GHzz，此时时一般的的计数器器芯片很很难正常常工作，同同时也会会带来电电路板的的布线、材材料选择择以及加加工等诸诸多问题题，因此此，不是是一个巧巧妙的方方法。第二类：对对量化误误差T1和T2进行扩扩展，后后进行二二次量化化，实践践证明该该解决途途径是切切实可行行的，并并且获得得了长足足的发展展，取得得了大量量的研究究成果，但但是二次次量化仍仍然存在在原理误误差。第三类：对对量化误误差T11和T2进行转转换，通通
10、过测量量其它物物理量，比比如幅度度、相位位而达到到测量时时间的目目的，该该类方法法从根本本上解决决原理误误差对测测量精度度的影响响。以下所讨论论的测量量方法都都是在电电子计数数法的基基础上发发展起来来的，这这些方法法的目的的都是克克服电子子计数法法的原理理误差。2 模拟内内插法电子计数法法在测量量精度要要求不高高的条件件下无疑疑是一种种非常好好的时间间测量方方法，其其原理误误差为一一个量化化时钟周周期，如如果能够够克服其其原理误误差，那那么其时时间测量量精度将将会得到到很大的的提高，从从这个角角度入手手，近年年来，国国内外研研究了许许多新的的测量方方法，模模拟内插插法是其其中的一一种。该该方法
11、是是在模拟拟法与电电子计数数法的基基础上发发展而来来的，其其测量对对象针对对电子计计数法中中的T11和T2，即完完成T11和T2的二次次测量。在介绍模拟拟内插法法之前，首首先介绍绍模拟法法，其测测量原理理如图22所示：待测脉冲信号Tx电容充放电波形待扩展时间间隔扩展后的时间间隔量化时钟Tx图2 模拟拟法测量量脉冲时时间间隔隔原理图图在待测脉冲冲间隔期期间对电电容进行行充电，充充电电流流大小为为；然后后以一个个小电流流进行放放电44。此此方法的的优点是是测量精精度理论论上非常常高，可可达皮秒秒量级；但由于于电容充充放电过过程中，充充放电时时间之间间的关系系不是绝绝对线性性的，存存在非线线性现象象
12、，其大大小大致致为测量量范围的的万分之之一，这这就限制制了测量量范围，或或者说随随着测量量范围的的增加，精精度会降降低；另另外，电电容充放放电性能能受温度度的影响响非常大大，对测测量系统统的温度度特性要要求就非非常苛刻刻；非常常稳定的的恒流源源也是一一个技术术难题。为了克服模模拟法在在大测量量范围条条件下测测量精度度低的问问题，引引入了模模拟内插插法，其其测量原原理如图图3所示示。待测脉冲信号量化时钟TxTs电容充放电波形待扩展时间间隔T1T2扩展后的时间间隔kT1kT2量化时钟图3 模拟拟内插法法测量脉脉冲时间间间隔原原理图模拟内插法法要对三三段时间间进行测测量，即即Ts 、T11和T2，其
13、中中，采用用电子计计数法得得到，TT1和T2的测量量是关键键。模拟拟内插法法的思路路是对小小于量化化单位的的时间零零头T11和T2进行扩扩展，然然后对扩扩展后的的时间进进行再次次时钟计计数。T1和T22的测量量采用电电容充放放电技术术，在TT1期间，采采用恒流流源对电电容C充充电，TT1结束以以后采用用恒流源源对电容容放电，直直到起始始电平位位置，然然后保持持此电平平。由充充放电电电荷相等等的原理理可得： （66）进一步化简简得到，即即电容放放电时间间为充电电时间的的倍，然然后采用用量化时时钟对放放电时间间进行计计时，得得到计时时脉冲的的个数为为，则可可以得到到，同理理得到，结结合的大大小得到
14、到： （77）该方法虽然然在计算算T1和T2时仍存存在量化化误差，但但是其相相对大小小可以缩缩小倍，假假设，那那么计数数器的分分辨率提提高了三三个数量量级。例例如，量量化时钟钟的频率率为100MHzz，则则电子计计数器的的分辨率率不会超超过1000nss，采用用模拟内内插技术术之后，其其分辨率率提高到到0.11ns，相相当于110GHHz量化化时钟的的分辨力力。模拟内插法法的优点点是理论论测量精精度高，但但是这一一技术实实现的基基础是对对T1和T2的扩展展，在较较T1和T2长k倍倍的时间间内，电电容的充充放电会会带来较较大的非非线性，所所以k值值实际上上也不可可能太大大，而且且实际所所实现的的扩展倍倍数k的的准确值值也难以以得到，所所以模拟拟内插技技术要将将测时精精度提高高很多的的话，实实现起来来有很多多的局限限性。模模拟内插插技术虽虽然对时时钟频率率要求不不高，但但是由于于采用模模拟电路路，当待待测信号号的频率率较高的的情况下下非常容容易受到到噪声的的干扰，当当要求连连续测量量时，电电路反应应速度也也是一个个大问题题。模拟内插法法的误差差来源总总结如下下：1原理理误差。在在将模拟拟量转换换成数字字量的过过程中产产生的，其其大小为为，该误误差是测测量原理理误差，无无法克服服。2时间间扩展的的非线性性（主要要误差未未源）。由由于时间间扩展采采用的都都
