时间间隔测量技术

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1、时间间隔测量技术一直接计数法测量原理与直接计数法测量频率基本相同，区别在于测量时间间隔时，控制电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。内部晶振振通过倍频或分频产生时基。在电子门打开期间，时基脉冲进入计数条进行计数。设所计的数值为N，所选的时期为τ0，则所测时间间隔为τ=Nτ（5-1）0时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。对上式进行微分得dτ=Ndτ+τdN00第一项是晶振频率不准造成的，第二项与测频时一样，仍然是dN=±1。第一项如用频率准确度表示，则有dτ0dτ=N⋅τ⋅±τ00τ0dτ0=τ⋅±τ（5-2）0τ0其中：τ—所测时间间隔dτ0—晶振周期或晶振频率准确度

2、τ0图5-1时间间隔测量的直接计数法1由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨力。它等于测量仪所能选用的最小时基τ0。一般最小的时基为10ns，最好的也只到5ns。小于10ns的间隔用其他方法测量，目前有三种游标法、内插法和A/D变换法。二游标法利用长度测量中游标卡尺的原理。在图5-1中，Δτ1和Δτ2均小于时基τ0，故测不出，此时Δτ1和Δτ2可用游标法测量。现以Δτ1的测量为例，如图5-2所示。图5-2游标法（1）原来的时基τ0称为主时基，需要产生一个副时基τ1，用τ1＞τ0，但两者之差很小，即τ1-τ0≤τ0当时间间隔起始脉冲A到达时，触发副时基发生器，副时基信号与

3、信号A同步，副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为Δτ1。随后两个时基同时运行，由τ1＞τ0，相当于副时基追赶主时基，每追过一个脉冲，两者的间隔就缩短τ1-τ0，当两者间隔为零时，一共追过了N个脉冲，则Δτ1=N1（τ1-τ0）。此式可从图5-2中准确得出。由图中可得Nτ+∆τ=Nτ10111∆τ=N(τ−τ)（5-3）1110Δτ2的测量略有些差异，如图5-3所示2图5-3游标法（2）按Δτ1的测量原理，此时测得值为Δτ，即∆τ=N(τ−τ)210但∆τ=τ−∆τ20故∆τ=τ−N(τ−τ)（5-4）20210目前使用较普遍的美国HP5370时间间隔计数器用的就是

4、游标法。基本原理如图5-4所示启动信号A通过控制器1同时触发副时基1发生器和打开副门1，计数器1开始对时基τ1脉冲进行计数。副时基信号与主时基信号加到符合器1上，当两者符合时，使副门1关闭，计数器1计的数为N1。同理，停止信号与B通过控制器2触发副时基2和打开副门2，最后计数器2计的数为N2。主计数门由两个符合器的输出控制，第一符合器打开主门，第二符合器关闭主门。主计数器计的数为N。设τ为欲测的时间间隔，则从图中所示关系可得：τ=T+T−T102=Nτ+Nτ−Nτ110022一般取τ=τ，故12τ=Nτ+(N−N)τ（5-5）00121此结果由运算器给出在HP5370中，

5、τ0=5ns，由内部晶振频率10MHz倍频到200MHz后得到。256τ1由200MHz信号通过综合得到，其关系为f1=1/τ1=200×MHz，由此257得τ≈5.0195ns。i由于三个计数器的闸门信号与各自输入的时基信号都是同步的，故三个计数都没有±1计数误差，误差的来源是在符合电路上，两路信号可能提前一次符合，也可能落后一次，则引入的误差为τ1-τ0=5.0195ns-5ns≈20ps。这就是HP5370计3数器给出的测量时间间隔的分辨力。图5-4游标法测时计数器三内插法内插法是利用电容器放电时间比充电时间大很多倍来放大微小间隔。简单原理如图5-5所示4图5-5内

6、插法原理闸门时间为T，时基为τ0，在T时间内计数器计了N个时基脉冲，τ1和τ2均小于τ0，需用充电法测量，现就τ1的测量方法简述如下。计数器闸门打开的时刻（图中a点）打开充电器，给电容器c充电，在闸门打开之后第一个时基脉冲到达时刻（图中c点）关闭充电器，同时打开放电器。电容器充得的电压为V0，对应的充电时间为t1-t0=τ1。电容器上的电压放到零时为止，放电时间为t2−t1=999τ1，则t−t=τ+999τ=1000τ20111最后用计数器测量t−t，若时基仍为τ，计的数为Ni，则可得：210Nτi0τ=11000τN的±计数误差引入的0iτ1的误差为dτ1=，使测量分

7、辨力提高了1000倍。1000同理，可测τ，τ=T−τ。在闸门时间关闭时刻。（图中b点），第二个电32035容器开始充电，闸门关闭后到来的第一个时基脉冲（图中d点）使充电结束，同时令第二个电容器放电，充电与放电时间比仍为1∶999，于是可计算出τ3。内插法的关键是电容器及充放电元件要选的准确可靠，同时要有稳定的恒流源给电容器充电。四A/D变换法A/D变换即模拟数字变换器，与内插法一样，在欲测量的微小间隔内给电容器充电，然后把已充得的电压变成二进制编码的数字量，数字量跟电压成线性关系，而电压又限充电时间成线性关系，从而得出与欲测