精密时间测量技术

    脉冲计数法又称为粗计数法,是高分辨率测量的一个基础方法,大多数测时方法都是以时钟计数法为基础发展起来的,目的大都在于克服脉冲计数法的原理误差。基本原理是在待测时间时间内用时钟脉冲进行填充,若时钟脉冲的周期为t₀,填充脉冲个数为n₀,则测得待测时间为t=n₀t₀,由于填充脉冲与待测时间边沿的相位关系有随机性,存在+1个字的计数误差Δ_t1和Δ_t2,则待测的实际时间间隔为:T=n₀t₀+Δ_t1-Δ_t2。

    该方法测量范围广,容易实现并且节约成本,能够作到实时处理。但测量精度较低,主要取决于填充脉冲的频率,且存在计数误差。直接应用脉冲计数法进行测量的相对较少,在文献[1]采用了该方法,利用频率合成器产生1·2GHz高频稳定时钟信号,分辨率达0·83ns。以下重点介绍国内外常用高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的原理误差进行精确测量,并且取得了非常好的效果。

    误差来源:(1)由待测时间间隔与闸门的跳变沿不同步引起的+1个字误差,其大小取决于时钟脉冲的频率,可将脉冲计数法与其他测量方法相结合,Δt1和Δt2进行二次量化,提高分辨率;(2)触发误差。伴随输入信号而来的噪声和计数器内部产生的噪声,会使闸门提前或推后打开和关闭;(3)脉冲时钟带来的误差。脉冲时钟频率越低,则测量的精度越低;脉冲时钟的不稳定性也将造成误差。要减小该误差,只有提高脉冲时钟的性能,但同时会增加成本,带来电路板的布线、材料等方面的困难。

    2　模拟测时法

    2·1　时间延展法

    时间延展法历史悠久,早在真空管时代就已经开始使用。该方法的实现有几种结构,最简单的一种是对电容大电流充电小电流放电来完成时间的放大。在时间放大技术中也使用到了积分技术,输入信号控制计数器的开始和积分器对基准电压进行积分,积分后的电压进行比较,结构框图如图1所示。所选取的基准电压U12,经过一定时间后UC1=UC2,比较器反转,计数器停止计数。

    若起始电压值为0,则输出电压UC1,UC2可表示为

   当t=T时,两输出电压相等,U_C1=U_C2,则,

    若所选取两积分电路电容电阻相同,即R₁=R₂,C₁=C₂,电压积分时间可表示为

    由式(3)可见,只要选择合适的基准电压U1和U2,可将测量短时间间隔Δt转换为测量较长的时间间隔T。该结构对电源噪声、电容或者电流的非线形都很不敏感,因这些因素以相同方式影响两个支路,其影响得以抵消。