專利名稱：時間間隔的量化時延測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子測量儀器和時頻技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種時間間隔的量化時延測量方法和測量裝置。
現(xiàn)有時間間隔測量法，對其精度的提高大都借助于對高頻填充脈沖的高速計數(shù)或用模擬內(nèi)插及游標(biāo)法等來把微小的時間差值放大處理。例如，“計量測試技術(shù)手冊一第11卷；時間頻率”(中國計量出版社1996年出版)第6章、“時間測量”(科學(xué)出版社1983年出版)，“電子儀器選購指南”(學(xué)苑出版社1994年出版)、“頻率與時間”(P.卡塔肖夫等著，譯著由科學(xué)出版社1987年出版)。這些相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)所闡述的精度提高技術(shù)均是采用這種方法。這種方法普遍存在精度有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且難于廣泛應(yīng)用的不足。
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可提高測量精度，且易于實施的時間間隔的精密測量裝置及方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是利用信號傳輸需要時間和信號傳輸速度很快的自然現(xiàn)象，以設(shè)計構(gòu)成專用的測量裝置把被測信號的傳輸路徑量化，并根據(jù)傳輸單元在信號經(jīng)過過程中的狀態(tài)變化反映出被測時間間隔的數(shù)值。其測量的裝置構(gòu)成及測量方法分別如下一、測量裝置的構(gòu)成該測量裝置采用能夠用作量化延時單元的多個器件相串聯(lián)，或串并聯(lián)以構(gòu)成延時鏈，每一個延時單元的輸出端分別接到一個相應(yīng)的鎖存器，鎖存器的輸出通過寄存器與單片機(jī)相連接；該測量裝置的延時單元可采用無源的導(dǎo)線或電纜，也可以是門電路、觸發(fā)器等器件，該測量裝置的鎖存器是由D觸發(fā)器組成。
二、測量方法的實現(xiàn)1．將被測短時間間隔的開啟信號接入延時鏈的輸入端，用被測時間間隔的結(jié)束信號控制鎖存器，將此刻各延時單元狀態(tài)鎖存。這些狀態(tài)信息即反映了被測時間間隔的量值。
2．將狀態(tài)信息經(jīng)寄存器后，送入計算機(jī)處理得到被測時間或頻率等值，且計算公式分別為①當(dāng)通過串聯(lián)延時鏈測量時，被測時間間隔為T=Nt(A)N是串聯(lián)延時鏈所完成的延時級數(shù)t是單級延遲器的時延值②當(dāng)通過串、并聯(lián)結(jié)合的延遲鏈陣時，被測時間間隔為T=Nt+xt/n(B)X表示所有相并的延遲鏈中的第X路延遲鏈，也是延遲鏈中延遲值最大那路的路數(shù)值；n表示延遲鏈陣中鏈的個數(shù)，Nt表示與A式相同③當(dāng)通過巡回延遲測量時，測量結(jié)果的計算公式為T=Nt+KMt(C)K表示計數(shù)器的計數(shù)值；M表示包含“與非延遲”在內(nèi)的延遲鏈內(nèi)延遲單元的個數(shù)，N表示在被測時間間隔結(jié)束信號到來的瞬間所檢測到的從延遲鏈開始相同狀態(tài)器件的個數(shù)；3．測量任意長時間間隔、頻率、周期信號時方法基本一致，其中頻率測量結(jié)果的計算公式為fx=NxN0+N1/n-N2/n]]>f0為標(biāo)頻信號的頻率值Nx和No分別是在閘門時間內(nèi)由計數(shù)器1和計數(shù)器2對被測及標(biāo)頻信號的計數(shù)值，N1和N2是用量化延時鏈分別測量閘門時間的“開”和“關(guān)”與標(biāo)頻信號間不同步的時間間隔時，延遲鏈所完成的延遲級數(shù)，n是延遲鏈中的延遲單元個數(shù)nt等于標(biāo)頻信號的周期值。
本發(fā)明能用更簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高分辨率的時間間隔測量，尤其適合于很短時問間隔的測量，有能夠小到接近皮秒量級的絕對測量分辨率，與多周期同步等技術(shù)相結(jié)合可完成頻率、周期、相位差和時間間隔等參數(shù)的高精度測量，且結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有技術(shù)更簡單。同時，在通常測量儀器的設(shè)計中，采取該技術(shù)可以極大的提高儀器的測量精度。
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及測試原理。


圖1是本發(fā)明的第一實施例測試框2是本發(fā)明的第二實施例測試框3是本發(fā)明的第三實施例測試框4是本發(fā)明的第四實施例測試框1所示的測量結(jié)構(gòu)及方法主要用來測量短時間間隔或閘門信號的開、關(guān)與標(biāo)頻填充脈沖間不同步的短時間間隔。其結(jié)構(gòu)主要由多個延遲單元串聯(lián)構(gòu)成延遲鏈，每個延遲單元的輸出端各連接一個鎖存器，各鎖存器的輸出均連接在寄存器，然后進(jìn)入計算機(jī)。其中，延時單元可以由無源導(dǎo)線段，電纜或門電路，觸發(fā)器等器件組成，門電路可用74S08,74S04等型號構(gòu)成，鎖存器可由D觸發(fā)器組成，如74S273型號。測量時，將被測短時間間隔的開啟信號從延時鏈中通過，并用被測時間間隔的結(jié)束信號將此時刻各延時單元的狀態(tài)保留到鎖存器中，該狀態(tài)信息經(jīng)寄存器后送入計算機(jī)處理得到被測時間間隔或頻率等值，當(dāng)測量對象是短時間間隔時，被測時間間隔為T=Nt(1)其中，N是串聯(lián)延時鏈所完成的延時級數(shù)，t是單級延遲器的時延值。
圖2是為了利用延時器本身的穩(wěn)定性來提高測量精度的一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用串并聯(lián)結(jié)合的延遲鏈陣，它可以通過附加的延遲器件(其值小于串聯(lián)延遲單元的延遲值，并常常是其分?jǐn)?shù)值，該附加延時器件的構(gòu)成器件也與圖1中的延時器件大致相同，只是有更小的延遲值)使各路延遲鏈雖然有同樣的延遲步幅，但是在鏈間有一個絕對時延差。這樣，通過各延遲鏈的測量分辨率是t，那么這種方法的測量分辨率就能達(dá)到t/n。這里，n是延遲鏈陣中鏈的個數(shù)，而附加延遲器件的延遲值也分別應(yīng)為t/n、2t/n、…、(n-1)t/n。在該圖中的其它器件也與圖1中器件的結(jié)構(gòu)相同。測量時，所有相并的串聯(lián)延時鏈都進(jìn)行延遲，而且對應(yīng)于被測時間間隔的延遲結(jié)果均被采集送往計算機(jī)。由計算機(jī)比較各路延遲值的大小，并取其最大值作為測量結(jié)果。對測量結(jié)果的計算公式為T=Nt+xt/n(2)其中，N和t的意義同(1)式x表示是所有相并的延遲鏈中的第x路延遲鏈，在所有鏈中，第X路的延遲值最大；n的意義同上。
圖3所示的巡回延遲結(jié)構(gòu)，主要用來減少所用的延遲器件，這里的“與非延遲”和延遲鏈中的延遲單元有相同的延遲量。用高速計數(shù)器對巡回延遲的次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的每次加一表示延遲鏈完成了一個巡回，即以延遲鏈的延遲單元數(shù)為進(jìn)制數(shù)來實現(xiàn)對時間間隔的測量。這里的“與非延遲”器件可以采用與非門或有相同邏輯作用的器件(如74系列的與非門電路)。圖3中其它器件的結(jié)構(gòu)與圖1中的器件相同。此時，測量結(jié)果的計算公式為T=Nt+kMt(3)其中k表示計數(shù)器的計數(shù)值，M表示包含“與非延遲”在內(nèi)的延遲鏈內(nèi)延遲單元的個數(shù)，t是延遲單元的延遲時間值，N表示在被測時間間隔結(jié)束信號到來的瞬間所檢測到的從延遲鏈前端開始同一狀態(tài)器件的個數(shù)。
圖1、圖2、圖3的結(jié)構(gòu)及測量方法主要用于短時間間隔的測量。該三種結(jié)構(gòu)分別與顯示器結(jié)合在一起可以單獨構(gòu)成獨立的整機(jī)。
圖4所示的測頻，測周結(jié)構(gòu)是將測短時時間的方法與多周期同步測量等方法相結(jié)合來測量任意長的時間間隔、頻率、周期等信號。該結(jié)構(gòu)采用整形電路、門電路、計數(shù)器、D觸發(fā)器以及上述的延時鏈。其中兩個整形電路分別與兩個門電路1和門電路2相連接，被整形電路連到D觸發(fā)器的CK端，兩個門電路的輸出分別與計數(shù)器1，計數(shù)器2相連，兩計數(shù)器的輸出均與單片機(jī)相連，單片機(jī)的輸出分別與D觸發(fā)器的D端和顯示器相連，兩個整形電路可以用三級管限幅放大器或史密特線路構(gòu)成。兩個閘門1和2可由與門或與非門電路構(gòu)成。輸入信號fx和f0分別為被測頻率信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。測量時，經(jīng)整形后的被測頻率信號fx和標(biāo)頻信號f0分別通過閘門1和2送到計數(shù)器1和2進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)結(jié)果和量化時延檢測結(jié)果一起送入計算機(jī)進(jìn)行計算處理并驅(qū)動顯示器顯示。同時，由單片機(jī)產(chǎn)生的軟件門時經(jīng)D觸發(fā)器處理后與被測信號fx同步而產(chǎn)生閘門。此時，閘門信號和標(biāo)頻信號也被送往上述量化時延檢測線路分別作為開始信號和結(jié)束信號。用上述電路分別測出閘門開啟及關(guān)閉時刻與其后第一個標(biāo)頻脈沖信號之間所不同步的時間間隔值，達(dá)到提高測量精度的目的。此時，對頻率測量結(jié)果的計算公式為fx=NxN0+N1/n-N2/n----(4)]]>式中，f0為標(biāo)頻信號的頻率值Nx和N0分別是在閘門時間內(nèi)由計數(shù)器1和計數(shù)器2對被測及標(biāo)頻信號的計數(shù)值；N1和N2則是用量化延時鏈分別測量閘門時間的“開”和“關(guān)”與標(biāo)頻信號間不同步的時間間隔時，延遲鏈所完成的延遲級數(shù)；n是延遲鏈中的延遲單元個數(shù)nt等于標(biāo)頻信號的周期值。
權(quán)利要求
1．一種時間間隔的量化時延測量裝置，主要包括有量化器與單片機(jī)及顯示器，其特征在于量化器采用多個延時單元器件相串聯(lián)，或串、并聯(lián)構(gòu)成延時鏈，每個延時單元的輸出端分別連接到一個相應(yīng)的鎖存器，鎖存器的輸出通過寄存器與單片機(jī)相連接。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于延時單元可采用無源的導(dǎo)線或電纜，也可以采用門電路或觸發(fā)器。
3．一種時間間隔的量化時延測量方法，其特征在于采用傳輸單元在信號傳輸過程中的狀態(tài)變化反映被測時間間隔的數(shù)值，步驟如下(1)將被測短時間間隔的開啟信號接入延時鏈的輸入端，將被測時間間隔的結(jié)束信號存鎖各延時單元的狀態(tài)，用結(jié)束信號來到時該延時單元的狀態(tài)反映被測時間間隔的量值；(2)將狀態(tài)信息經(jīng)寄存器后，再送入計算機(jī)處理得到被測時間或頻率等值，且計算公式分別為①當(dāng)通過串聯(lián)延時器測量時，被測時間間隔為T=Nt(A)N是串聯(lián)延時器所完成的延時級數(shù)t是單級延遲器的時延值；②當(dāng)通過串、并聯(lián)結(jié)合的延遲鏈陣時，被測時間間隔為T=Nt+xt/n(B)X表示所有相并的延遲鏈中的第X路延遲鏈，在所有鏈中，第X路的延遲值最大，n表示延遲鏈陣中鏈的個數(shù)Nt表示與A式相同；③當(dāng)通過巡回延遲測量時，測量結(jié)果的計算公式為T=Nt+KMt(C)K表示計數(shù)器的計數(shù)值M表示包含“與非延遲”在內(nèi)的延遲鏈內(nèi)延遲單元的個數(shù)，N表示在被測時間間隔結(jié)束信號到來的瞬間所檢測到的從延遲鏈前端開始相同狀態(tài)器件的個數(shù)；④采用測頻測周專門設(shè)備測量任意長時間間隔、頻率、周期信號時，測頻結(jié)果的計算公式為fx=NxN0+N1/n-N2/n]]>f0為標(biāo)頻信號的頻率值Nx和N0分別是在閘門時間內(nèi)由計數(shù)器1和計數(shù)器2對被測及標(biāo)頻信號的計數(shù)值N1和N2是用量化延時鏈分別測量閘門時間的“開”和“關(guān)”與標(biāo)頻信號間不同步的時間間隔時，延遲鏈所完成的延遲級數(shù)n是延遲鏈中的延遲單元個數(shù)nt為標(biāo)頻信號的周期值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種時間間隔的量化時延測量方法和測量裝置,該方法與裝置主要解決現(xiàn)有技術(shù)精度低,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。利用信號傳輸需要時間和信號傳輸速度快的現(xiàn)象,采用多個延時單元器件相連接構(gòu)成延時鏈進(jìn)行量化,每個延時單元的輸出分別接到相應(yīng)的鎖存器,并通過寄存器與單片機(jī)相連接。測試時,信號經(jīng)過傳輸單元時其狀態(tài)的變化反映出被測時間間隔的數(shù)值。具有測量精度高和易于實現(xiàn)之優(yōu)點,適用于很短時間間隔的測量,和提高測頻、測時設(shè)備的精度。
文檔編號G04G99/00GK1214478SQ9710867
公開日1999年4月21日 申請日期1997年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月15日
發(fā)明者周渭, 梁平 申請人:西安電子科技大學(xué)