原创 高精度时间间隔测量方法综述

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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）

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了实际应用，其测量原理如图1所示：

图1 电子计数法测量时间间隔基本原理

量化时钟频率为f0，对应的周期T0=1/f0，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数M，N，T1，T2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Tx为：

                     Tx=（N-M）*T0+T1-T2                            （1）

然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数M,N，因此其测量的脉冲时间间隔为：

                              Tx^' =(N-M)*T0                               （2）

比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为Δ=T1-T2，其最大值为一个量化时钟周期T0，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：

                        ΔT^'_x=Δ(N-M)*T0+(N-M)*ΔT0                     （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。

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      文章中提到的延迟线内插法，就是本人目前采用的方法，在FPGA中实现TDC功能。文章中总结了这个方法的缺点，我觉得很有道理，摘录在此：

      其缺点是测量精度受限于LSB（为百皮秒量级）。其误差来源主要包括以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间，减少量化误差带来的是延迟单元的增加，设备量的庞大。二是延迟线集成非线性，由于在集成过程中不可能做到各个延迟单元完全一致，导致各个延迟单元的延迟时间不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平均法、矢量法等。三是随机变化，由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起。四是时间抖动，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。

      另外文章中提到的参考文献【6】和【7】，举了一个TDC例子，测量范围是0～43s，测量分辨率200ps。也许是当时条件所限，其实这个测量范围是有条件可无限扩展，另外，测量分辨率目前也有10ps的出现了。至于文献中的例子为何只能做到200ps，也许就是因为其无法想到办法克服上述缺点吧！！！