基于ttl电路的纳秒级精度时间间隔测量电路的设计与实现

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1、基于TTL电路的纳秒级精度时间间隔测量电路的设计与实现孙江晖龙燕付珍（江西东华计量测试研究所江西南昌330029）摘要：本文阐述一种模拟内插测时法实现纳秒级精度时间间隔测量的测量原理、电路实现方案、关键技术问题及其测量不确定度的估计。关键词：时间间隔测量；纳秒测量；模拟内插NanosecondPrecisionTime-IntervalMeasurementUsingtheMethodofAnalogInterpolationSUNJianghuiLONGYanFUZhen(JiangxiDonghuaInstituteO

2、fMetrologyandTestingJiangxiNanchang330029)Abstract:Thearticleexplainsthemeasurementprinciple,circuitimplementationproposal,keytechnologyandevaluationofmeasurementuncertaintyonthenanosecondprecisiontime-intervalmeasurementusingthemethodofanaloginterpolation.Keyword

3、:Time-IntervalMeasurement,NanosecondPrecisionMeasurement,AnalogInterpolation0引百TTL门电路的传递时间延迟在5ns〜10ns之间，因此其工作频率一般在30MHz以下。在精密时间间隔测量电路应用中，考虑到标准时钟信号频率的限制，通常只能达到0.1us量级的测量分辨率。本文将阐述应用TTL电路实现模拟内插时间扩展测量方法，达到纳秒级精度时间间隔测量的有关技术问题。1测量原理被测信号时标如图1所示，是一个常见的时间间隔测量电路的时序图，被测信号与时钟通

4、常是不同步的。采用计数法进行时间间隔测量时，计数器实际得到的测量时间是Zo,与实际信号时间间隔f是有差异，此误差为数字电路的量化误差。如果时标信号频率为10MHz,则测量误差可能迗到0.1ps。采用模拟内插时间扩展测量方法就是要实现计数器实际得到的测量时间A）与实际信号时间间隔r之间差异（由图1可知，Z=匕）的测量，通过内插电路最大程度上消除数字电路的量化误差。1.1测量系统构成采用模拟内插法测量时间间隔的电路主要由一个主计数器、两个副计数器和两个模拟内插单元组成，其组成框图如图2所示。图2、模拟内插法测量时间间隔电路原理

5、框图肷入式计算机根据图1的原理，主计数器采用计数法对实际信号时间间隔r进行测量，测得时间间隔^）。由于主计数器与时标信号同步工作，因此所测得时间间隔ro的误差只依赖于时标准确度。1.2模拟内插电路原理主计数器测得值A）与被测时间间隔z的差异仏和z2）由两个模拟内插单元和副计数器实现测量。如图3所示，模拟内插单元由10mA和10uA二个恒流电源、积分电容、电压比较器、高速电子开关及相应的高速控制门组成。I脉冲高速门掠标准信号10pA10mA恒流源充电离速电子开关商速电子开关怛流源积分屯容乃至到计数器电圧比较器图3、模拟内插单

6、元电路原理示意图1000Z,=7,该电路在信号有效间隔和Z2）内以10mA的恒定电流对积分电容放电，在有效时间间隔结束后10mA恒定电流对积分电容充电到控制阀值，从而得到信号时间间隔0扩展1000倍的信号其测量原理及时序如图4所示。宥效时间间隔^=（50〜150）ns阀值控制点整形后扩展佶号图4、模拟内插时间扩展原理示意图副计数器也以与主计数器相同的时标对扩展信号的时间间隔乃进行计数，从而间接实现对时间间隔6的测量。当时标为10MHz时，理论上对时间间隔6的测量分辨率可以达到0.1ns。此时，通过嵌入式计算机系统对主、副计

7、数器的计数进行读取和计算，就可以得到实际信号的时间间隔r,可知：t=。式中：乃、r2为时间间隔n和扩展后的计数;n2为两个时间扩展单元的扩展倍率，均约为1000。2测量电路实现中存在的关键技术问题采用以上原理实现的纳秒级精度时间间隔测量电路的测量准确度主要受以下关键技术问题的影响：2.1模拟内插单元的倍率由于测量时间间隔0和z2由两路不同的模拟内插时间扩展单元进行测量，其扩展倍率虽然均约为1000倍，但实际倍率的差异可能迖到10%或更高。为解决这一问题，必须使用一个标准信号对其进行校准。为在电路实现上的方便，笔者通常使用一

8、个时标周期作为标准信号来对模拟内插单元时间扩展倍率进行校准和调整。通过对恒流源电路的电流的调整，该扩展倍率的差异可调整到0.2%，但考虑到元器件的长期稳定性及噪声影响，一般控制在1%以内，其对应的时间测量误差为0.5ns到1.5ns。2.2测量电路的总延时时间间隔信号是由两个独立通道分别测量的，测量电路