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1、2005年5月遥测遥控·63·一种基于FPGA用游标法实现的时间间隔测定器刘莉李署坚邵定蓉(北京航空航天大学电子工程系北京100083)文摘文中介绍时间间隔的测量原理和游标法的测时原理,针对一种基于FPGA的高精度测时系统,描述其硬件实现。该系统利用粗测与细测相结合来测量两个脉冲信号之间的时间间隔,其测时分辨率可达到1ns。系统具有精度高、功耗小及实现简便等优点。主题词游标法时间间隔测定器计数器前言[1]时间间隔的精确测量是实现高精度时间同步、对比和校频的基本要求。随着科学技术的发展,一些应用系统,如大型通信系
2、统、电力系统,特别是高速运动目标的跟踪定位系统,对时间间隔的测量精度提出了越来越高的要求。在生产和科研活动中,测量的时间精度往往都比较高,目前,广泛采用的是示波器或电子计数器方[2]法。本文介绍以游标法设计并制作的时间间隔测定器,利用粗测与细测相结合的方法来精密测量两个脉冲信号之间的时间间隔。这种方法与FPGA/CPLD相结合,与传统的计时方法(采用多块计数芯片)相比,除占用较小的电路板面积外,还有功耗小、灵活性强及成本低等优点。因此,利用FPGA技术后,可以在使用较少数量组件的情况下,获得较高的测量分辨率。其
3、主要指标如下。测量范围:0～(n×100+99)ns,这里,n值取决于粗m测计数器的位数m,而且有n=2,m在FPGA程序中按需要设定。分辨率:1ns精度:±1ns1测量原量1.1时间间隔的测量原理对两个互不相关的信号,要测出它们的时间间隔,可采[3]取多种方法,如示波器法、计数法等。本系统采用电子计数法测量两信号之间的时间间隔,其测量原理是设立两个独立的通道B和C,分别输入起始信号B和终止信号C。B信号通过起始触发器、门控电路打开计时闸门,C信号通过终止触发器、门控电路关闭计时闸门。因此,时间闸门的脉冲
4、宽度Tx即为待测的时间间隔。在闸门开启期间,对频率为fc(周期为Tc)的时标脉冲计数,从而完成两个输入信号B和C间的时间间隔的测量。时间间隔测量的原理框图示于图1,其工作波形示于图2。设脉冲的计数值为N,则有收稿日期:2004-09-03收修改稿日期:2004-12-22·64·一种基于FPGA用游标法实现的时间间隔测定器第26卷第3期TN=NTc(1)在测量时,由于时间闸门的开启时刻和计数脉冲之间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的,因此,计数器所计得的数便存在着量化误差。设△t1为闸门开
5、启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(设计数脉冲前沿计数器翻转计数),△t2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间,所以有△t1-△t2Tx=NTc+△t1-△t2=N+Tc(2)Tc△t1-△t2△N=(3)Tc△N即为量化误差。考虑△t1、△t2都是不大于Tc的时间量,由式(3)可知,△N≤1。可见,存在“±1”个脉冲误差。为了减少△N的影响,需要对短时间间隔△t1、△t2作进一步的精密测量,以提高整个测量的准确度。目前,测量短时间间隔有内插法、游标法等几种方法,本系统采用的是游标法。1.2游标法测时原理
6、游标法测时原理和游标卡尺测距原理是相似的。所不同的是后者为机械式,由人眼来判读主、辅尺刻度,前者为电子式,其测时大小由FPGA来判读。游标法测时基于上述的时间间隔测量原理,用类似于机械游标卡尺的原理,较为准确地测出△t1、△t2,以提高时间的分辨率和准确度,避免了“±1”个脉冲误差。游标法测时的原理框图和工作波形图如图3和图4所示。其中,Td为游标振荡器Ⅰ、Ⅱ输出的游标脉冲的周期。下面结合上面的原理框图和波形图来说明这种测量方案。起始脉冲同时打开闸门和触发游标振荡器I,这时,脉冲间隔为Tc的时基脉冲序列通过闸门
7、进入粗测计数器,其读数为:TN=NTc。游标振荡器I的频率比时基频率稍低,它产生脉冲间隔为Td(Td比Tc稍长)的游标脉冲序列,并通过游标计数器I计数。从第一个游标脉冲起算,经过x个游标脉冲后,游标脉冲恰好和时基脉冲的上升沿过齐,则△t1满足△t1-x(Td-Tc)=0,即△t1=x(Td-Tc)(4)在游标脉冲和时基脉冲的上升沿对齐时,由符合电路产生一个符合信号控制游标计数器I停止计数。这时游标计数器I的读数表示的时间为△t1=x(Td-Tc)。同理,可得△t2=y(Td-Tc)(5)由公式(2)、(4)、(
8、5)可得,被测的时间间隔Tx为Tx=NTc+(x-y)(Td-Tc)=NTc+(x-y)△T0(6)其中:△T0=Td-Tc2005年5月遥测遥控·65·这种计数法的分辨率为(Td-Tc),它比粗测计数器分辨率Tc以及游标计数器的分辨率Td都高。显然,Td愈接近Tc,其测量的分辨率愈高。在本系统中,取Tc=100ns、Td=101ns,则这种方案的测量分辨率为1ns。2硬件实现2.1粗
