高精度时间间隔测量方法

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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：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外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测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换MethodsofHighPrecisionTime-IntervalMeasurementSUNJie,PANJi-fei（Elect

2、ronicEngineeringInstituteofPLA,HeFei230037,China）Abstract:Technologyoftime-intervalmeasurementhasbeenappliedinmanyfields.Howtoimproveitsprecisionisanemergentquestion.Onthebasesofanalyzingelectroniccounter’sprincipleanderror,thispaperputsemphasisuponintroducinghighprecisiontime-intervalmea

3、surementsallovertheworld.Allthesemethodsaimatelectroniccounter’sprincipleerror,andobtainspecialeffect.Lastly,theprogressdirectionandapplicationforegroundofhighprecisiontime-intervalmeasurementmethodsarepredicted.KeyWords:timeinterval;principleerror;interpolating;time-to-digitalconversion;

4、time-to-amplitudeconversion0引言时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。1电子计数法1.1测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原

5、理如图1所示：……………………………………………时间间隔TxNT1T2待测脉冲量化时钟M图1电子计数法测量时间间隔基本原理量化时钟频率为，对应的周期，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数，，为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔为：（1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数，因此其测量的脉冲时间间隔为：（2）比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为，其最大值为一个量化时钟周期，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到：

6、（3）比较表达式（3）（2）：（4）根据电子计数法原理，，，因此：（5）即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度，可以看出待测脉冲间隔越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。根据以上分析得出电子计数法具有以下特点：[1]测量范围广，容易实现，且能够作到实时处理。[2]存在时标误差与原理误差，限制了其测量精度。电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法，参考文献[1][2][3]都有一定的说明，有兴趣的读者可以参阅。1.2误差克服途径时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准；量化误差的克服有许多方法，也是国内外研究的热点，可以将其分为以下三类。第一类：提高

7、量化时钟的频率，这带来的问题是时钟频率越高对电路的要求越高，并且相应的芯片也很难选择。例如，当要求1ns的测量精度时，时钟频率需要提高到1GHz，此时一般的计数器芯片很难正常工作，同时也会带来电路板的布线、材料选择以及加工等诸多问题，因此，不是一个巧妙的方法。第二类：对量化误差T1和T2进行扩展，后进行二次量化，实践证明该解决途径是切实可行的，并且获得了长足的发展，取得了大量的研究成果，但是二次量化仍然存在原理误差。第三类：对量化误差T1和T2进行转换，通过测量其它物理量，比如幅度、相位而达到测量时间的目的，该类方法从根本上解