时频测量高性能内插模块实现

1　引言

    随着我国科技的发展尤其是航空航天技术的发展,精密时间间隔测量技术越来越凸显其重要性。精密时间间隔测量技术在航空航天、卫星导弹、激光测距、时频测量、雷达定位、核物理探测等应用领域中具有十分重要的地位。

时间间隔的测量方法通常有计数法、模拟法以及使用内插的方法,计数法计数范围宽,但是其固有的原理误差决定了其测时分辨力不高。模拟法与内插法测时分辨力高,但是测 时间隔短。为了在实现长时间间隔测量的同时获得高测时分辨力,目前高精度时间间隔测量采用的方法一般为数字计数法加一种内插的方法来实现,通常内插的实现有模拟法、游标法、延迟线法、数字内插等方法。采用计数-内插法的时间间隔测量原理如图1所示。

    如图1所示,采用计数内插法的时间间隔测量把开始与结束信号间的时间间隔分为三部分: T1、T2、T12。图中T1为开始脉冲上升沿与其后的第二个参考时脉冲的上升沿的间隔,T2为结束脉冲上升沿与其后第二个参考时钟的上升沿的间隔,T12为计数门控,由于T1、T2与其后第一个参考时钟沿的间隔为0—1/f秒(f为参考时钟),内插脉冲可能很小,所以将其扩展一个参考时钟宽度,也可以扩展多个时钟,这取决于参考时钟频率。由图可知开始与结束脉冲间的时间间隔:T=T12+T1-T2。

    T12的测量通过计数器计数来实现,而T1和T2的测量就必须通过某种内插方式来实现,本文的主要任务就是实现一种基于时间幅度转换(Time to Amplitude Conversion, TAC)的高精度内插模块。

2　内插模块的实现

    使用此内插模块的时间间隔测量系统使用了200MHz的高稳时钟,内插脉冲扩展了三个时钟周期,故其脉冲宽度为15ns-20ns之间。内插模块由两个完全相同的内插电路实现,一个内插电路用于测量前内插(图1中T1),另一个内插电路用于测量后内插(图1中T2),由于两个内插电路具有完全相同的结构,只取其一路作描述。

2.1　时间-幅度转换法原理

    时间-幅度转换法是在被测时间间隔内以恒定电流对电容放电,故电容放电前后的电压(幅度)差与被测时间间隔成线形关系。将电容电压充电到一个基准电压后悬置,被测内插脉冲到来后,使用恒定电流在内插脉冲宽度内给电容放电,将放电后电容电压保持一段时间给AD采样,然后又充电到基准电压,等待下次内插脉冲的到来。通过使用A/D对放电前后的电容电压采样,得出AD前后的采样差值计算出内插脉冲宽度,即内插时间。

2.2　内插电路实现

    内插电路实现结构框图如图2所示

    内插电路主要由电平转换电路、受控振荡单元、充放电电路、恒流源电路、隔离及AD采样电路、CPLD控制单元电路及数据锁存电路构成。