高精度时间测量器制造技术

一种高精度时间测量器，它由时钟产生电路，脉冲发生电路，输入比较器，时间数字转换器和算术逻辑单元组成。核心原理是将时间转换成数字脉冲，对脉冲间的时间差精确测量。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，输入比较器检测由STOP通道返回的脉冲，脉冲飞行一段时间后由STOP通道输入，输入比较器检测输入脉冲并转换成数字信号送到时间数字转换器，时间数字转换器精确计算START和STOP间的时间差。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术中属于精密测量领域，具体涉及ー种以集成电路方式制作的时间测量器，可用在各种需要对时间间隔进行精确测量的系统中。
技术介绍
时间间隔的测量技木，尤其是高精度的时间间隔的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计，数字示波器，超声波热量表和水表等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事
都离不开高精度的时间间隔测量技术。时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高，对时间测量的精度要求已达到皮秒数量级，精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。同时时间间隔测量技术的实现方式也与其应用环境有很大关系。在很多小型化測量仪表应用中，需要将测量系统做得尽量小，方便携帯和安装。在电池供电的测量仪表中，对测量方案的低功耗要求又很高。在小型化和低功耗这两方面，基于集成电路技术的时间间隔測量技术具有非常明显的优势。现有的基于集成电路的时间间隔测量技术主要是基于反相器延时来实现的。其利用一个反相器的门延时作为最小测量时间间隔，这主要得益于集成电路エ艺的进步，使得一个反相器的门延时可以达到100皮秒这个量级。这可以满足很多精密测量的需求，但是在某些应用场合，如超声波热量表尤其是超声波水表应用中，这个精度还不足够。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出ー种高精度时间测量器，本时间测量器不仅测量精度高，而且功耗低。本专利技术提出的高精度时间测量器，由时钟产生电路，脉冲发生电路，输入比较器，时间数字转换器组成。核心原理是将时间转换成数字脉冲，对脉冲间的时间差精确测量。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，输入比较器检测由STOP通道返回的脉冲，脉冲飞行一段时间后由STOP通道输入，输入比较器检测输入脉冲并转换成数字信号送到时间数字转换器，精确计算START和STOP间的时间差。本专利技术中的时间数字转换器由两个积分器，一个比较器和ー个计数器组成，測量时分粗计数和精计数两个过程。粗计数过程记录从START到STOP出现的參考时钟周期数。精计数过程中，STOP信号触发小时间常数的积分器工作，到下ー个參考时钟沿结束。然后在參考时钟控制下，大时间常数的积分器开始工作，同时精计数开始，比较器一直比较两个积分器的输出，当比较器输出翻转时，得到精计数值。粗计数和精计数值输出给算木逻辑单元得到最終結果。由于两个积分器的时间常数之比大于等于N倍，N大于等于1000，得測量精度可以达到基准时钟周期的N分之一，大大提高測量精度。本专利技术中的输入比较器具有失调电压自动调零和信号识别功能。比较器中有ー个自动调零回路，能将主比较器的失调信息储存起来，从而达到消除失调电压的功能。通过失调电压自动调零技木，比较器可以准确判断输入信号的过零点，得到准确的时间差。输入比较器中有两个相同的比较器，其中一个比较器可在调零之后配置失调电压，这样可以保证输入信号到达一定強度后比较器再进行判断，同时避免干扰信号造成输入比较器误判断，确保得到准确的时间差。本专利技术中的时间测量器通过不同时间常数的积分器将测量时间间隔放大数千倍，然后用參考时钟进行计数，測量精度为參考时钟周期的数千分之一，达到10皮秒的量级，完全可以满足超声波热量表和水表的需求。而且整个测量电路都可以集成电路上实现，测量方案小，可以满足各种小型化低功耗测量系统的需求。附图说明图1是时间测量器的一种实施例的结构示意图。图2是时间測量器的工作流程示意图。图3是时间数字转换器的具体结构示意图。图4是时间数字转换器的工作时序示意图。图5是时间数字转换器精计数时序示意图。图6是输入比较器的结构示意图。具体实施例方式图1显示时间测量器900的框图，包括一个时间数字转换器100，一个输入比较器200，一个脉冲发生器300，ー个时钟产生电路400，一个算术逻辑单元500和ー个接ロ电路600。测量开始时，时间数字转换器100发出START信号，控制脉冲发生器300发射脉冲，脉冲可由UP或DOWN通道发出，输入比较器200输入端可选择STOPl或者ST0P2通道，输入信号通过交流耦合输入，输入比较器200输入端直流电压为參考电压，当有信号输入时，输入比较器200输出STOP信号。时间数字转换器100将根据START和STOP信号分别进行粗计数和精计数，其中计数器的參考时钟由时钟产生电路400提供。计数结果都输出给算术逻辑单元500并精确计算START和STOP间的时间差。图2是时间測量器的工作流程图。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，脉冲经过一段飞行时间后，输入比较器检测到输入脉冲并送出STOP信号给时间数字转换器，时间数字转换器根据START和STOP信号分别进行粗计数和精计数，算木逻辑单元根据计数结果计算出精确的时间差。图3是时间数字转换器100的框图，包括ー个小时间常数积分器101，ー个大时间常数积分器102，一个比较器103，一个计数器104和控制电路105。大时间常数积分器102的时间常数是小时间常数积分器101的几千倍。測量开始时，控制电路105发出复位信号，复位小时间常数积分器101和大时间常数积分器102，然后再发出START信号，同时计数器104开始粗计数过程。在收到输入比较器200发出的STOP信号的时候，小时间常数积分器101开始工作，比较器103正端输入电压开始下降，同时粗计数过程结束。待小时间常数积分器101工作结束之后，比较器103正端输入电压保持，控制电路105再控制大时间常数积分器102开始工作，比较器103负端输入电压开始下降，同时计数器104开始精计数过程。当比较器103负端输入电压下降到等于正端输入电压时，输出电压由高变成低，精计数过程结束。粗计数和精计数结果都将输出给后面的算木逻辑单元500。图4是时间数字转换器100的工作时序图，整个计数过程分为粗计数和精计数两个部分，由于START与參考时钟进行了同步，因此粗计数的时间为START开始到STOP出现后參考时钟的第一个上升沿之间的时间间隔，这个时间为參考时钟周期的整数倍。精计数为STOP到第一个參考时钟上升沿之间的时间间隔，所测时间间隔最大为ー个參考时钟周期。在粗计数和精计数之后，会再进行ー个计数校正过程。这个过程对ー个參考时钟周期进行精计数，算木逻辑单元500将以这个计数结果对之前的精计数结果进行修正。图5是时间数字转换器100精计数时序图，精计数决定时间数字转换的精度，本专利技术采用将精计数时间间隔放大的方法实现高精度。STOP信号由低变高时，触发小时间常数积分器101开始工作，到下一个參考时钟上升沿结束，比较器103的正端输入电压由VO下降到VI。同时參考时钟的上升沿又将触发大时间常数积分器102开始工作，比较器103负端电压由VO开始缓慢下降，经过n个參考时钟周期后下降到VI。这样就将精计数的这段时间间隔在时间轴上放大到了 n个參考时钟周期，再用參考时钟进行计数，计算放大之后的时间。放大倍数就是大时间常数积分器102和小时间常数积分器101时间常数的比值，因此很容易反推得到放大前精计数的时间间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度时间测量器，其特征在于：包括时间数字转换器（100），输入比较器（200），脉冲发生器（300），时钟产生电路（400），算术逻辑单元（500）；测量开始时，时间数字转换器（100）发出START信号，控制脉冲发生器（300）发射脉冲，脉冲由UP或DOWN通道发出，输入比较器（200）的STOP1或者STOP2通道，输入信号通过交流耦合输入，输入比较器（200）和参考电压为直流电压，当有START信号输入时，输入比较器200立刻输出STOP信号；时间数字转换器100根据START和STOP信号分别进行粗计数和/或精计数，其中计数器的参考时钟由时钟产生电路400提供；将计数结果都输出给算术逻辑单元500，由算术逻辑单元500精确计算START和STOP间的时间差。

【技术特征摘要】
1.一种高精度时间测量器，其特征在于包括时间数字转换器(100)，输入比较器(200)，脉冲发生器(300)，时钟产生电路(400)，算术逻辑单元(500);测量开始时，时间数字转换器(100)发出START信号，控制脉冲发生器(300)发射脉冲，脉冲由UP或DOWN通道发出，输入比较器(200)的STOPl或者ST0P2通道，输入信号通过交流耦合输入，输入比较器(200)和参考电压为直流电压，当有START信号输入时，输入比较器200立刻输出STOP信号；时间数字转换器100根据START和STOP信号分别进行粗计数和/或精计数，其中计数器的参考时钟由时钟产生电路400提供；将计数结果都输出给算术逻辑单元500，由算术逻辑单元500精确计算START和STOP间的时间差。2.根据权利要求1所述的时间测量器，其特征在于，所述的时间数字转换器(100)包括小时间常数积分器(101)，大时间常数积分器(102)，比较器(103)，计数器(104)和控制电路(105);所述大时间常数积分器(102)的时间常数是小时间常数积分器(101)的N倍，其中N大于等于1000 ;测量开始时，控制电路(105)发出复位信号，将小时间常数积分器(101)和大时间常数积分器(102)复位，然后，再发出START信号，同时计数器(104)开始粗计数过程；在收到输入比较器(200)发出的STOP信号的时候，小时间常数积分器(101)开始工作，比较器(103)正端输入电压开始下降，此时粗计数过程结...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵礼斌，
申请(专利权)人：邵礼斌，
类型：发明
国别省市：