利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量

总第170期2008年第8期 舰船电子工程S hi p E lectronic Engineering V ol .28N o .8 175 高精度短时间间隔测量方法及应用3袁湘辉　吴文全(海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)摘　要　介绍了一种通过积分将短时间间隔扩展为长时间的测量方法,并对测量误差进行了分析。

结果表明,应用本方法采用普通器件就可以对短时间间隔进行高精度测量,可应用于高精度小相位差测量等场合。

关键词　测量;短时间;积分中图分类号　TN 707A High Precision M easurem ent M ethod for L ittle Tim eIn terval and Its App licationYuan X ian ghu i W u W enquan(Coll ege of E lectronic E nginee ri ng,N ava l U nive rsity of E nginee ring,W uhan 430033)A b s tra c t A m e t hod of m easuring little ti m e inte rva l through int egral circuit is introduced in this paper,and the m easured e rrors is analyzed by t his m ethod .Based on thi s m ethod,a hi gh p recision can be obtained using ordinary devices in the field of m easuring little phase difference .Ke y w o rd s m easure m ent,little ti m e interva l ,integral C l a s s N um be r TN 7071　引言通用时间间隔测量是采用电子计数器测量,在要测量的时间间隔内电子计数器进行计数,根据计数的个数就可以得到时间间隔。

基于TDC-GP22的45pS分辨率时间间隔测试电路作者：汪剑杨健来源：《中国新通信》2016年第23期【摘要】时间间隔测试是利用GPS、北斗等秒脉冲驯服晶振或铷钟，产生再生秒脉冲的基础，时间间隔的测试精度直接关系到晶振或铷钟的驯服精度和再生秒的稳定度。

该文提出了基于ACAM公司的超声波流量计TDC-GP22和FPGA AFS600实现的高精度时间间隔测试方案，TDC-GP22芯片利用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，该方案在AFS600内部设计了粗计数器和精确脉宽产生电路和单片机，实验结果表明，测试分辨率可达45pS，测试精度优于100pS。

【关键词】 TDC-GP22 时间间隔测试时间数字转换器一、引言在航天、电力、通信、银行等领域都需要较高精度的时间基准和标准频率信号，保证测试数据的有效性和控制的准确性，虽然GPS和北斗模块的秒信号精度达到100nS，但是其所给精度是在一定置信概率下的精度，不能保证每一秒都在需要的精度范围内，因此通常的应用是利用GPS或北斗来驯服晶振或铷钟，使晶振或铷钟的长期稳定度提高一个等级，同时利用晶振或铷钟的分频秒作为再生秒，克服GPS或北斗秒信号的短期不稳定性。

而时间间隔测试是GPS或北斗驯服晶振或铷钟的基础，本文利用ACAM公司的TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片，设计了一款时间间隔测试电路，分辨率可达45pS。

二、基本原理时间间隔测试的基本原理，晶振或铷钟的分频秒前沿与GPS或北斗秒的前沿会产生一个时间间隔T，用周期为T0的填充脉冲来填充该时间间隔，利用填充脉冲个数与填充脉冲周期的乘积来表示时间间隔，其测试得到的脉宽为T2+T0，而实际脉冲宽度为T1+T2+T3，这样就产生量化误差T0-T1-T3，该误差小于一个脉冲周期。

当采用较高精度的填充频率时T2的精度就较高，误差主要来源于量化误差T1和T3，如何提高T1和T3的测试精度是提高测试分辨率的关键。

高精度时间间隔测量方法综述摘要：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0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量化时钟频率为0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 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x T 为：()210T T T M N T x -+⋅-= （1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为：()0'T M N T x ⋅-= （2） 比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=∆，其最大值为一个量化时钟周期0T ，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：()()00'..T M N T M N T x ∆-+-∆=∆ （3）比较表达式（3）（2）：()()0''T T M N M N T T x x ∆+--∆=∆ （4） 根据电子计数法原理，()1±=-∆M N ，0'T T M N x=-，因此：00'0'T T T T T x x ∆⋅+±=∆ （5）00'T T T x ∆⋅即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T ∆，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。

时间频率和相位的测量概述时间频率和相位的测量是对信号的特性进行量化和分析的重要手段。

在电子通信、无线电、声学和光学等领域中，时间频率和相位的准确测量对于确保系统性能和信号传输的可靠性非常关键。

时间频率的测量是衡量信号周期性的能力，频率是指单位时间内该信号重复的次数。

常见的测量方法有计数法和相位比较法。

计数法是通过计算信号周期内的脉冲数量来测量频率，比较简单直接，但对于信号较高频率和瞬态信号的测量精度有限。

相位比较法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的相位差来计算频率，通常使用鉴相器或锁相环等器件进行测量。

相位比较法具有高精度和宽测量范围的特点，适用于高精度和宽频率范围的测量需求。

相位的测量是衡量信号波形变化和时序关系的能力。

相位是指信号在一个周期内的位置或偏移量。

常用的相位测量方法有直接测量法和差分测量法。

直接测量法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的起始时间或位置来测量相位，适用于稳态信号和周期性信号的测量。

差分测量法是通过测量信号的前后时间差来计算相位，通常使用时钟同步和时间差测量技术，适用于非周期性和非稳态信号的测量。

在实际应用中，时间频率和相位的测量需要考虑到测量仪器的精度、稳定性和响应速度等因素。

常见的测量仪器包括示波器、频谱分析仪、计时器和定时器等。

此外，引入校准和校正等方法可以提高测量结果的准确性和可靠性。

总之，时间频率和相位的测量是对信号特性进行量化和分析的重要手段，广泛应用于各个领域。

随着科技的发展，测量技术也在不断进步，为更精确、稳定和高速的测量提供了更多选择。

时间频率和相位的测量在科学、工程和技术领域中起到了至关重要的作用。

从物理学到电子通信，从声学到天文学，准确测量时间频率和相位是理解和分析信号的基础，也是确保系统性能和信号传输的可靠性的关键。

时间频率是指信号在单位时间内重复的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。

测量时间频率的目的是了解信号的周期性。

高分辨率时间间隔测量技术研究高分辨率时间间隔测量技术研究摘要：高分辨率时间间隔测量技术是现代科学研究和工程应用中至关重要的一项技术。

本文首先介绍了高分辨率时间间隔测量技术的背景和意义，然后详细阐述了高分辨率时间间隔测量技术的原理和方法，包括电子、光电和超快光学等多种测量方法。

最后，结合实际应用，探讨了高分辨率时间间隔测量技术在科学研究和工程实践中的应用前景和挑战。

一、引言时间是我们生活中最重要的基本物理量之一，同时在科学研究和工程实践中，精确测量时间间隔也显得尤为重要。

例如，在微纳尺度下的物理现象研究中，如超快动力学、量子计算等，需要对时间尺度进行高精度的测量。

而在通信、导航、雷达等应用中，高分辨率时间间隔测量技术也扮演着重要角色。

因此，高分辨率时间间隔测量技术的研究具有重要意义。

二、高分辨率时间间隔测量技术原理高分辨率时间间隔测量技术的原理可归纳为以下几个方面：电子测量、光电测量和超快光学测量。

其中，电子测量主要利用电子器件的响应特性来测量时间，常用的电子器件有瑞利发射二极管、微波谐振腔等。

光电测量则是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔，常用的光电器件有光纤、光电二极管等。

超快光学测量技术是利用超快激光器和特殊探测器来实现超快时间间隔的测量，可以达到亚飞秒甚至飞秒量级。

这些原理和方法提供了多样化的选择，并能根据需要灵活应用。

三、高分辨率时间间隔测量技术方法1. 电子测量方法电子测量方法主要通过测量电子器件的响应特性来测量时间间隔，具有较高的时间分辨率和精度。

例如，利用瑞利发射二极管的特性，通过测量出光电信号的到达时间，可以实现纳秒或亚纳秒级别的时间间隔测量。

此外，微波谐振腔也可以用来测量时间间隔，其分辨率可以达到皮秒级别。

2. 光电测量方法光电测量方法是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔。

常用的光电器件包括光纤和光电二极管。

光纤可以传输光信号并保持信号的时间分辨率。

光电二极管则能将光信号转化为电信号，再通过电路对电信号进行测量。

使用相位测量技术进行高精度距离测量近年来，随着科学技术的不断进步和应用范围的扩大，测量技术也取得了重大突破。

其中，相位测量技术作为一种高精度测量手段，被广泛应用于工业、航空航天、医学和通信等领域。

本文将介绍相位测量技术的原理以及在高精度距离测量中的应用。

首先，我们来了解相位测量技术的原理。

相位测量技术是一种基于光、电、无线电等波的相位差来进行测量的方法。

通过测量波的相位差，可以得到被测物体与参考物体之间的距离。

相位测量技术可以分为连续相位测量和离散相位测量两种方式。

连续相位测量是指以连续变化的相位作为参数进行测量的方法。

在连续相位测量中，通过将被测对象和参考对象的波信号进行相互干涉，得到干涉图像。

利用干涉图像中波的相位差与距离之间的关系，可以计算出被测物体与参考物体之间的距离。

连续相位测量的优点是可以实现高精度的距离测量，但由于信号必须连续变化，因此受到测量范围的限制。

离散相位测量是指以离散的相位值作为参数进行测量的方法。

在离散相位测量中，通过对被测对象和参考对象的波信号进行相位调制，使得波信号的相位在某个范围内离散变化，然后通过相位解调的方法得到波的相位值。

根据波的相位值与距离之间的关系，可以计算出被测物体与参考物体之间的距离。

离散相位测量的优点是可以克服连续相位测量的测量范围限制，但由于相位值是离散的，会引入测量误差。

在高精度距离测量中，相位测量技术具有重要的应用价值。

例如，在航空航天领域，为了确保航天器的精确定位和姿态控制，需要进行高精度的距离测量。

相位测量技术可以通过测量卫星信号与地面接收站信号之间的相位差，实现对航天器的距离测量。

同样地，在工业领域，相位测量技术被应用于精密加工和质量控制中。

通过测量物体与工具之间的相位差，可以实现对物体的形状和尺寸进行高精度的测量。

除了航空航天和工业领域，相位测量技术还被广泛用于医学和通信领域。

在医学领域，相位测量技术可以用于测量人体的形态和运动变化，例如心脏的跳动和呼吸的变化。

综述与评论计算机测量与控制.2007.15(2)Com puter Measurement &C ontrol145中华测控网chinamca.co m收稿日期:2006 03 06; 修回日期:2006 05 09。

作者简介:孙 杰(1975 ),男,安徽合肥人,讲师,主要从事测控技术方向的研究。

文章编号:1671 4598(2007)02 0141 04中图分类号:O63;TP273.5 文献标识码:A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;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Methods of High Precision Time -Interval MeasurementSun Jie,Pan Jifei(Electr onic Eng ineering Instit ute o f PL A ,H efei 230037,China)Abstract:Technology of time-interval m easurement has been applied in many field s.H ow to improve its precision is an em ergent ques tion.On the basis of an alyz ing electron ic counter's principle and er ror,this paper puts emphasis upon introducing high precision time-inter val measu rements all over th e w orld.All th ese methods aim at electronic counter's principle error,and ob tain special s tly,the pro gress direction and ap plication foregr oun d of h igh precision tim e-interval meas urem ent meth ods are predicted.Key words :time interval;prin ciple error;interpolating;tim e-to-digital conversion;time-to-amplitude con version0 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。

频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在现代科学和工程领域中具有重要的意义。

频率是指在单位时间内重复发生的事件或周期的次数。

时间是描述事件发生的顺序和持续时间的尺度。

相位则用来描述波形的相对位置关系。

测量这些参数的准确性和精度对于许多应用来说至关重要，包括通信系统、无线电频谱管理、精密仪器、天文学、地球物理学等等。

下面我们将详细介绍频率、时间和相位的测量方法和技术。

频率测量是指测量事件发生的频率或周期的次数。

常见的频率测量方法包括计数法、相位比较法、频率合成法等。

计数法是一种简单直接的方法，通过计算事件发生的次数来得到频率。

在计数法中，可以使用计时器来记录事件发生的次数，然后根据计时器的时间得到频率。

相位比较法主要是利用比较两个信号的相位差来得到频率。

这种方法常用于稳定的参考信号。

频率合成法是通过将多个信号相加或相乘来合成一个新的信号，然后再根据新信号的特性来获得频率。

这种方法广泛应用于频率合成器和锁相环等设备中。

时间测量是指测量事件发生的准确时间。

时间测量的方法包括脉冲计数法、时钟同步法、时间标准法等。

脉冲计数法是通过计数脉冲的数量来测量时间。

计数器是常用的脉冲计数设备，它可以根据脉冲的来自外界触发信号进行计数，并转换成相应的时间单位。

时钟同步法是利用多个时钟设备的同步性来测量时间。

通过将多个时钟设备的信号进行比较，可以得到一个准确的时间值。

时间标准法是通过使用一个精密的时间标准来测量时间。

国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）是常用的时间标准。

时间标准设备可以通过比较其与时间标准之间的差异来测量时间。

相位测量是指测量信号波形的相对位置关系。

相位测量的方法包括相位差测量法、频率转换法、相位解调法等。

相位差测量法是通过比较两个信号的相位差来得到相位。

常用的相位差测量设备有相位计和相干解调器。

频率转换法是通过将信号的频率变换到特定范围内，然后再进行相位的测量。

这种方法常用于高频信号的相位测量。