一种基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时－空关系的时间间隔与频率测量方法，它涉及仪器测量技术领域，其目的是为了克服现有技术存在的电路结构复杂、测量误差大、分辨率低、成本较高等缺点。该方法的步骤为：信号整形步骤，首先将被测量的时间间隔信号整形为窄脉冲信号；确定延迟步骤，根据信号在传输路径上传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定延迟线的形式、材料、长度、分段取样的段数；采样步骤：在采样点处，对短时间间隔的开始信号和结束信号分别经过两路传输后，获得延迟时间和被测量的时间间隔相等的重合信号；信号处理步骤：对取得的采样重合信号进行提取并送入单片机进行处理。本方法可用于测量时间间隔与频率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仪器测量
，特别涉及通过转换成电变量对任何种类的物理变量进行测量的技术，具体地说是一种基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法。它是根据信号的时-空关系，可以表示一路关门信号实际上不延迟而和另一路不同延迟段的信号进行重合检测，使得被测时间间隔与开门的延迟信号重合，以此反应被测时间间隔的值，并以此为基础可完成各种时间间隔与频率测量仪器的研制与开发。
技术介绍
目前国内外所使用的频率测量和频标比对的方法仍然如模拟内插法、游标法、比相法、频差倍增法。常用的高精度时间间隔测量方法有直接计数法、模拟内插法、游标法、相位重合检测法以及一些特殊的时间间隔测量方法，如针对信号的上升时间、下降时间、占空比和延迟时间等这类周期性或者非周期性出现的特殊的短时间间隔而采用的相应的脉冲填充测量方法。其中，用直接填脉冲的方法测量时间间隔时，在闸门的开始和结束处，会产生两个小于标频信号一个周期的、难以测量的短时间间隔，游标法和内插法都是用模拟的方法将此时间间隔进行处理后再进行计数，可以实现高精度的短时间间隔测量，游标法的实际测量分辨率可达20ps。但是，这两种方法有明显的缺陷，就是电路结构都很复杂，并没有从根本上解决±1个字的测量误差，成本较高，实现起来很困难。因此，从性、价比方面来看，这两种方法都不利于推广应用。短时间间隔的精密测量，在时频领域中是其它一切量，如时间或相位起伏、频率与频率稳定度等精密测量的基础，同时又可以被广泛用于各种非时频量的高精度测量中。多年以来，对任意非周期信号能达到10ps量级分辨率的测量方法要么基于模拟时间扩展法，要么通过一个模数转换器实现时间—数字量的转换。这两种方法结合通常的内插方法，可达到很高的分辨率，但是转换时间比较长，电路复杂且稳定性有限。光、电信号在介质中沿着一定的传输路径快速稳定的传播，使得我们可以检测出电信号在延时器件中的状态，即电平大小。基于量化时延原理的高精度、短时间间隔测量方法，就是利用这一现象并结合现场可编程门阵列FPGA及大规模可编程逻辑器件CPLD的出现，对信号在有源器件中传播的延时进行量化，采用“串行延迟、并行计数”的基本原理实现对短时间间隔的精确测量。但也存在以下缺陷，因为延时器件是串联在一起工作的，所以时间间隔的测量精度依赖于延时器件的稳定性及其本身延迟时间的漂移。任意信号的量化时延法由于受到器件本身电平翻转时间的限制，其分辨率达到1ns很困难，量化时延法测量的短时间范围在100ns～10ns，理论上，上述的相对准确度能保证1ps到0.1ns量级的测量分辨率，但实际测量分辨率只有几个ns。基于目前国内外所使用的短时间间隔和频率测量方法存在的问题，提供一种全新原理的测量方法是大家共同关心并急需解决的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法，该方法是根据信号的时-空关系，可以表示一路关门信号实际上不延迟而和另一路不同延迟段的信号进行重合检测，使得被测时间间隔与开门的延迟信号重合，以此反应被测时间间隔的值。并以此为基础来完成各种时间间隔与频率的测量、及该测量仪器的研制与开发，以获得纳秒至10皮秒量级的分辨率。本专利技术的技术方案是利用光和电的信号在空间或者特定介质中的传递速度的高度准确性和稳定性在计量学中被作为一个自然常数的原理，将上述信号均转换成便于处理的电信号。从时-空关系来考虑时，这些电信号在传输线中如同轴电缆中的传输速度大约为2×108米/秒，那么纳秒和10皮秒信号需要的传输延迟线长度分别为20厘米和2毫米，这样就可以把测量短时间间隔信号变为容易控制的延迟线长度来实现。在延迟线上的分段处对被测信号进行采样，并经过后续的信号处理可得到时间间隔与频率的测量结果。该基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法的实现步骤如下1)、信号整形步骤它是为了对被测量的关键的短时间间隔信号进行测量，便于后续经过延迟途径后进行准确的计量，首先将被测量的时间间隔信号整形为窄脉冲信号。2)、确定延迟步骤被测量的时间间隔信号整形成为窄脉冲信号后，要通过设计的延迟线进行传输，延迟线的形式、延迟线的材料、延迟线的长度、延迟线分段取样的段数，根据信号在传输路径上传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定。3)、采样步骤被测量的短时间间隔的开始信号从延迟传输线通过，在延迟线上的每一个取样段的采样点处，用通过另一路被测时间间隔的结束信号对该处的信号传输状态进行采样，只有在延迟路径的传输延迟时间和被测量的时间间隔相等的情况下，才能够取得采样重合信号。4)、信号处理步骤对取得的采样重合信号进行提取，然后送入单片机进行处理，可以测出被测信号的时间间隔和被测的信号频率。上述的基于时-空关系的时间间隔与频率的测量方法，所说的确定延迟步骤和采样步骤中，被测量的短时间间隔信号分两路通过设计的已知延迟线长度的传输线进行传输，其中该信号的开始信号通过一路延迟线传输延迟，其结束信号通过另一路不延迟或较前者有小的延迟，该结束信号在采样点处等待与开始信号重合，则开始信号经过的延迟线长度与结束信号经过的另一路延迟线长度之差即反映出了被测的时间间隔。本专利技术与现有技术相比具有以下优点本专利技术利用信号传递速度的稳定、准确这一自然现象所保证的精度比国内外传统的基于频率处理的方法精度更高，价格也更加便宜，而且还能够解决特高频率的测量问题。与传统种类的时间间隔与频率测量仪器相比，本专利技术具有更宽的频率和时间间隔测量范围，更高的频率分辨率和更宽广的应用领域。在纳秒及10皮秒准确度范围内可以成为新一代的时间间隔与频率测量仪器，应用范围更加广泛。具有造价低、性能好等方面的明显优势。附图说明图1是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理1a是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理方框1b是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理工作波形2是简单级联的基于时空关系的时间间隔测量—游标法原理图具体实施方式图1是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理图，其中图1a是它的测量原理方框图，图1b是它的测量原理工作波形图。参照图1a，它是简单级联的基于时-空关系的时间间隔测量原理方框图，它由整形单元、脉冲形成单元、延迟线单元、控制电路单元、重合检测和锁存电路单元、重合信号提取和译码单元(单片机)组成。在时间间隔测量方法中，因为长的时间间隔常常被分解为与填充时钟同步的较长时间间隔以及门时开启和关闭时与填充信号的不同步的小时间间隔。这个微细时间间隔常常变化在几纳秒或皮秒的范围内，从频率稳定度方面考虑要求的时频测量的分辨率更是优于1皮秒。对于这么短的时间信号的测量和处理常常受到器件的速度、噪声等因素的影响，大大限制了测量的精度。但是从时-空关系来考虑时，通过对各种传输线进行实验，我们进一步证明信号在传输线中如同轴电缆中的速度大约为2×108米/秒，那么纳秒和10皮秒的信号在该传输线上传输的延迟分别为20厘米和2毫米，这是一些比较容易处理的长度线段。从这一点考虑，利用时频信号传输的时-空关系来处理时间间隔的测量问题，一方面利用相应器件的稳定性能够相对比较容易地得到更高的测量精度；另一方面通过特别短的时间间隔与好处理的长度量之间的对应关系也可以实现对于特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时－空关系的时间间隔与频率的测量方法，该方法的步骤如下：１）、信号整形步骤：它是为了对被测量的关键的短时间间隔信号进行测量，便于后续经过延迟途径后进行准确的计量，首先将被测量的时间间隔信号整形为窄脉冲信号；２）、确定 延迟步骤：被测量的时间间隔信号整形成为窄脉冲信号后，要通过设计的延迟线进行传输，延迟线的形式、延迟线的材料、延迟线的长度、延迟线分段取样的段数，根据信号在传输路径上传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定；３）、采 样步骤：被测量的短时间间隔的开始信号从延迟传输线通过，在延迟线上的每一个取样段的采样点处，用通过另一路被测时间间隔的结束信号对该处的信号传输状态进行采样，只有在延迟路径的传输延迟时间和被测量的时间间隔相等的情况下，才能够取得采样重合信号；　　４）、信号处理步骤：对取得的采样重合信号进行提取，然后送入单片机进行处理，可以测出被测信号的时间间隔和被测的信号频率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周渭，偶晓娟，宣宗强，王斌，李琳，周晖，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]