專利名稱：基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于時間間隔測量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及針對高速運動物體區(qū)截時間的精確測量，具體是一種基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法。用于高速運動中的速度測試， 或者說為高速運動中的速度測試提供高精度的時間間隔測量。
背景技術(shù)：
在高速運動質(zhì)點速度測試中，時間間隔是需要經(jīng)常測試的參數(shù)。用來完成時間間隔測量的測時儀種類較多，但在高速運動質(zhì)點速度測量中，由于高速運動質(zhì)點速度高，測速距離小，測速環(huán)境復(fù)雜，容易受到電磁和電源波動的干擾，與普通環(huán)境下的計時相比，高速運動質(zhì)點速度測試試驗的測時儀對響應(yīng)、精度、分辨率和抗干擾的要求更高。目前國內(nèi)外的各類測時儀存在著以下幾個方面的問題采用直接計數(shù)法原理研制的測時儀，以記錄晶振振蕩脈沖數(shù)目的方法來測定時間間隔，工作原理簡單，測量范圍大，線性好，但此類測時儀不能獲得較高的分辨率。采用倍頻的手段將晶振頻率提升后輸出，可以在一定程度上提高測時儀的分辨率和精度，但是倍頻容易出現(xiàn)相位抖動等現(xiàn)象，而且倍頻系數(shù)越高，抖動越明顯，這在一定程度上限制了倍頻的應(yīng)用。模擬內(nèi)插法利用電容充放電技術(shù)對微小時間間隔進行測量放大，理論上可以獲得較高的測量精度，但非線性較大，容易受到噪聲干擾。游標法工作原理類似于游標卡尺，在本質(zhì)上是一種數(shù)字擴展法。理論上用游標法實現(xiàn)的芯片可以獲得高分辨率，但其需要高穩(wěn)定度的可啟動振蕩器和高精度的重合檢測電路，價格高，技術(shù)復(fù)雜。隨著集成電路、可編程邏輯器件的應(yīng)用與發(fā)展，延遲內(nèi)插技術(shù)、移相技術(shù)也廣泛應(yīng)用于高精度時間間隔測量中。延遲內(nèi)插技術(shù)基本原理是利用電子器件單元固定的延時作為標尺來實現(xiàn)對時間間隔的測量。延遲線法結(jié)構(gòu)簡單，易于單片集成，可實現(xiàn)對微小時間間隔的測量，缺點是隨著測量分辨率的提高，要求延遲線長度越來越短，當所測時間間隔值較大時，延遲線數(shù)量將大大增加。移相技術(shù)基本原理是利用η路頻率相同但具有固定相位差的時鐘信號作為計數(shù)時鐘驅(qū)動計數(shù)器，取其計數(shù)平均值作為最終測量結(jié)果，能夠?qū)y量分辨率提高到參考時鐘的1/η，但該方法沒有充分利用獲得時鐘的相位信息，時鐘頻率較高時會導(dǎo)致相移分辨率降低，高精度測量較困難。經(jīng)本發(fā)明申請人在一定范圍內(nèi)的文獻檢索，沒有查到更加密切的相關(guān)資料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對針對現(xiàn)有技術(shù)中存在時間測量誤差較大的技術(shù)問題，提供一種能在一定晶振頻率下，測量分辨率高，測量速度快，提高測量精度，減小測量誤差，實現(xiàn)時間間隔精確測量實時顯示的基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法，在一定晶振頻率下， 測量精度高，測量分辨率高，測量速度快，而且易于集成實現(xiàn)，擴展靈活。
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實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案說明如下本發(fā)明是一種基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法，通過時鐘數(shù)字移相控制，將一路高頻、低抖動時鐘轉(zhuǎn)換為N路頻率相同但具有固定相位差的時鐘信號，以此作為計數(shù)器的基準時鐘，驅(qū)動計數(shù)器在N路時鐘周期內(nèi)分別計數(shù)，具體的相位調(diào)制和測量過程包括步驟1.利用信號調(diào)理電路分別對兩個區(qū)截裝置產(chǎn)生的信號進行濾波、放大、整形，獲得兩個具有一定幅度值的方波脈沖信號，之后將這兩個方波脈沖信號進行整合，獲得待測時間間隔信號τ，T為具有一定寬度、邊沿陡峭的方波脈沖信號；區(qū)截裝置產(chǎn)生的兩個信號是模擬信號，一個是啟動信號，一個是截止信號，兩個信號均是通過區(qū)截裝置的記錄信號，在處理過程中需要對其進行濾波、放大、整形使之成為兩個具有上升沿和下降沿的方波脈沖信號，分別作為測時儀的啟動觸發(fā)信號和截止觸發(fā)信號。為了方便控制，對兩個方波脈沖信號整合為一個具有一定寬度的、邊沿陡峭的方波脈沖信號，作為使能信號，控制測時儀的啟動與停止，此方波脈沖信號即為時間間隔信號T ；步驟2.對外部高精度晶振進行倍頻、去抖動，得到高頻時鐘信號，對此高頻時鐘信號通過移相控制，產(chǎn)生N路頻率相同具有固定相位差的多路時鐘信號；或稱基準時鐘。步驟3.在時間間隔信號T內(nèi)用獲得的N路多路時鐘信號分別驅(qū)動計數(shù)器，獲得各自對應(yīng)的計數(shù)值，形成計數(shù)集；N路多路時鐘信號即N路頻率相同具有固定相位差的時鐘信號。步驟4.用N路多路時鐘信號分別與時間間隔信號T比較，對完整周期的時鐘信號分別計數(shù)。步驟5.在N路時鐘信號分別與時間間隔信號T的比較中并找出或提取出兩個非完整周期信號中的最小間隔信號，將N路時鐘中具有最小間隔信號的記為第1路和第m路，
Km^n,時間間隔信號T的上升沿和下降沿與N路時鐘信號中最小間隔信號的相位分別為約、Pm，其中，約是時間間隔信號T上升沿與緊接著的基準時鐘信號上升沿之間間隔最小的信號相位，是時間間隔信號T下降沿與緊接著的基準時鐘信號上升沿之間間隔最小的信號相位。步驟6.若對第m路完整周期時鐘信號的脈沖計數(shù)值為Nm，則時間間隔測量值為
T = N T + ^w ~ ^ 7". m Ρ 360。 Ρ，式中，Tp為N路頻率相同具有固定相位差的多路時鐘的時鐘周期。在許多場合需要對高速運動的物體測速，由于速度高，通常采用的方法是在已知的或事先精確測定好的一定的距離內(nèi)，在其兩個邊界點上設(shè)置區(qū)截裝置，記錄高速運動的物體通過兩個邊界點的信號，再采用計時儀測定高速運動的物體穿越該距離段的時間間隔，該距離與該時間間隔之比就是高速運動物體在該段距離上的運動速度。傳統(tǒng)的脈沖計數(shù)法是在區(qū)截時間間隔信號T內(nèi)以完整周期的脈沖數(shù)計數(shù)，以此計數(shù)值與時鐘周期的乘積作為區(qū)截時間間隔信號T的值，該測時法存在著士 1個時鐘周期的原理誤差，實際的測速過程中，使得該時間間隔T的測定存在較大的誤差，因此直接影響到測速的結(jié)果，尤其對于高速運動的測定，很小的時間誤差就會帶來大的測速誤差。為了減小原理誤差，本發(fā)明提出一種通過時鐘數(shù)字移相控制，基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法。為此本發(fā)明將外部時鐘倍頻、去抖動、移相之后，得到多路具有固定相位差的時鐘信號，在待測時間間隔信號作用下，分別驅(qū)動計數(shù)器進行脈沖計數(shù)，得到一組計數(shù)值。通過時鐘數(shù)字移相控制，實現(xiàn)了一種時間間隔的精確測量方法。在常規(guī)的時間間隔的測量中，通常在電子電路中將高速運動物體通過區(qū)截裝置的啟動和截止信號轉(zhuǎn)換成兩個脈沖信號邊沿之間的時間間隔測量，這不可避免的存在原理誤差。為了減小原理誤差，本發(fā)明將傳統(tǒng)的基于高速時鐘計數(shù)的時間測量方法轉(zhuǎn)化為采用多路多相時鐘進行時間測量。時鐘信號經(jīng)過精確數(shù)字移相，形成N路頻率相同，相位依次相差
的多相時鐘信號，將其分別作為N路時間間隔測量的基準時鐘，并通過計數(shù)器在各自
N
的時鐘周期內(nèi)進行計數(shù)。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于計數(shù)集是用相同的計數(shù)閘門即時間間隔信號T對N路頻率相同具有固定相位依次順延的參考時鐘集ICLKi 1 ^ i ^ η}分別計數(shù)獲得的?；蛘哒f是用時間間隔信號T對獲得一系列規(guī)律性相位順延的參考時鐘集ICLKi^nj分別計數(shù)獲得的。經(jīng)過數(shù)字移相后，時鐘每隔i產(chǎn)生固定延遲τ，可知t = L。設(shè)AT2i、ATli為服
ηη
從[0，Tp)上均勻分布的隨機變量，由此可得測量誤差為
權(quán)利要求
1.一種基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法，其特征在于通過時鐘數(shù)字移相控制，將一外部高精度時鐘轉(zhuǎn)換為N路頻率相同且具有固定相位差的多路時鐘信號，以此作為計數(shù)器的基準時鐘，驅(qū)動計數(shù)器在N路時鐘信號內(nèi)分別計數(shù)，具體的相位調(diào)制和測量過程包括步驟1.利用信號調(diào)理電路分別對兩個區(qū)截裝置產(chǎn)生的信號進行濾波、放大、整形，獲得兩個具有一定幅度值的方波脈沖信號，之后將這兩個方波脈沖信號進行整合，獲得待測時間間隔信號T，T為具有一定寬度、邊沿陡峭的方波脈沖信號；步驟2.外部高精度晶振1進行倍頻、去抖動，得到高頻時鐘信號，對此高頻時鐘信號通過移相控制，產(chǎn)生N路頻率相同具有固定相位差的多路時鐘信號；步驟3.在待測時間間隔信號T內(nèi)用獲得的N路時鐘信號分別驅(qū)動計數(shù)器，獲得各自對應(yīng)的計數(shù)值，形成計數(shù)集；步驟4.用N路時鐘信號分別與待測時間間隔信號T比較，對完整周期的時鐘信號分別計數(shù)；步驟5. N路時鐘信號分別與時間間隔信號T進行比較并找出兩個非完整周期信號中的最小間隔信號，將N路時鐘中具有最小間隔信號的記為第1路和第m路，1 < 1 < m < n，時間間隔信號T的上升沿和下降沿與N路時鐘信號中最小間隔信號的相位分別為約、φ, ，其中，灼是時間間隔信號T上升沿與緊接著的基準時鐘信號上升沿之間間隔最小的信號相位， 隊,是時間間隔信號T下降沿與緊接著的基準時鐘信號上升沿之間間隔最小的信號相位；步驟6.若對第m路完整周期時鐘信號的脈沖計數(shù)值為Nm，則時間間隔測量值為T = NmTpTp; m p 360° P式中，Tp為頻率相同具有固定相位差的N路時鐘的時鐘周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法，其特征在于所述計數(shù)集是用相同的計數(shù)閘門即時間間隔信號T對N路頻率相同具有固定相位依次順延的參考時鐘集ICLKi 11彡i彡η}分別計數(shù)獲得的。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于相位調(diào)制的高精度時間間隔測量方法，通過時鐘數(shù)字移相控制，將一路高頻、低抖動時鐘轉(zhuǎn)換為N路頻率相同且具有固定相位差的時鐘信號，作計數(shù)器基準時鐘，驅(qū)動計數(shù)器在N路時鐘周期內(nèi)分別計數(shù)，利用時鐘相位信息提取測量誤差最小的兩路時鐘信號，結(jié)合時鐘周期及計數(shù)值，計算出時間間隔測量值。與單一時鐘計數(shù)比，有效減少了測量的原理誤差，能將測量分辨率提高到參考時鐘的1/n。測量裝置按信號處理順序依次接有信號調(diào)理模塊、FPGA模塊、單片機模塊和顯示電路模塊，在一定晶振頻率下，實現(xiàn)了測量精度高，測量分辨率高，測量速度快，實時顯示，工作穩(wěn)定、可靠，而且易于在FPGA內(nèi)集成，擴展靈活?？捎糜诟咚龠\動中的速度測量。
文檔編號G04F10/00GK102540865SQ20121000172
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者馮偉, 呂永柱, 周濤, 孔德仁, 張朗, 易春林, 李廣嘉, 栗保華, 狄長安, 谷鴻平 申請人:西安近代化學(xué)研究所