短時間測量實驗裝置的設(shè)計分析

賈廣華

（江蘇省精創(chuàng)電氣股份有限公司，江蘇徐州，221116）

1 時間測量技術(shù)分析

1.1 直接計數(shù)法

直流計數(shù)法是現(xiàn)階段短時間測量中最為簡單的一種測量方法，通過起始信號進行計數(shù)，并且在停止信號到來之際，停止計數(shù)。為了測量這一段時間間隔，需要將計數(shù)器的數(shù)值與不同計數(shù)器時間周期相乘，從而得出這一段時間的準確數(shù)值。在實際測量中，需要技術(shù)人員對于直接計數(shù)法的誤差進行分析，從而進一步提高計時的準確性。為此，在該方法使用中，需要提高基準時鐘頻率，從而降低實驗誤差。如果在實驗裝置設(shè)計中選擇直接計數(shù)法，需要對該計數(shù)器的工作頻率進行合理選擇，確保實驗裝置數(shù)據(jù)能夠正常計數(shù)。

1.2 時間內(nèi)插法

時間內(nèi)插法的使用主要是依靠集成電路與FPGA技術(shù)，在使用中，結(jié)合時鐘相移與延遲鏈等內(nèi)容，對短時間測量裝置進行分析，對于測量短時間有著重要應(yīng)用。目前在市場上已經(jīng)存在適合短時間測量的芯片，能夠完成短時間測量工作。例如：ACAM公司的TDC芯片主要使用了時間內(nèi)插法的相關(guān)理論，在實驗階段，能夠?qū)r間控制在一定范圍內(nèi)，提高時間內(nèi)插法的精度。其主要使用原理，是依靠FPGA內(nèi)部的加法器來進行測量，當起始信號到來時，該設(shè)備能夠?qū)⑦M位信號進行傳遞，主要依靠FPGA設(shè)備的延遲鏈延遲時間來對短時間進行測量。這種技術(shù)的優(yōu)勢能夠提高實際測量精度，但是該技術(shù)的使用會受到外界環(huán)境的影響，在使用時需要技術(shù)人員對于延遲時間進行校準。

1.3 游標法

游標法的使用類似于長度測量中的游標卡尺工作方式，在使用階段，需要使用振蕩器，只有在觸發(fā)信號開始時才會對振蕩器信號進行測量。目前，游標法的使用主要是使用兩種振蕩器，兩種振蕩周期存在差別，一般情況下，第二種振蕩器的周期應(yīng)該小于第一種振蕩器周期，并且在短時間進行測量之前，將兩者之間的差值進行詳細記錄。在測量短時間時，需要使用兩個不同的計數(shù)器對于振蕩器的數(shù)值進行記錄，游標法的使用原理，主要是與兩個振蕩周期的差值有關(guān)，如果兩者間隔越短，則表明該試驗結(jié)果精確度較高。在本次短時間測量實驗裝置設(shè)計中，主要選擇使用該方法，技術(shù)人員主要對振蕩器精度與相位進行分析，從而提高實驗裝置精度。

2 短時間測量實驗裝置設(shè)計

2.1 游標型模塊設(shè)計

在短時間測量中，技術(shù)人員選擇游標法來對短時間的間隔進行測量，在實驗裝置設(shè)計中，需要技術(shù)人員使用振蕩器、計數(shù)器與鑒相器等電子設(shè)備，共同完成實驗測量裝置。現(xiàn)階段振蕩器的使用頻率能夠被技術(shù)人員進行調(diào)整，將兩個不同的振蕩器頻率進行有效設(shè)計，從而提高短時間測量工作精度。

游標型模塊設(shè)計工作主要依靠兩個他激振蕩器、一個鑒相器、兩個計數(shù)器與數(shù)據(jù)處理模塊組成，該裝置的使用，類似于游標卡尺的使用方法，在使用階段，需要將電路中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及時輸入數(shù)據(jù)處理模塊，便于對這些數(shù)據(jù)進行有效處理。在游標型模塊設(shè)計中，他激振蕩器是該裝置的核心，在短時間測量時，主要依靠兩個振蕩器之間的差值，如果兩個他激振蕩器的周期差較小，短時間測量裝置的精確度越高。但在實際應(yīng)用中，會受到FPGA處理器速度的影響。因此，在設(shè)置兩個他激振蕩器工作頻率時，應(yīng)該符合游標型模塊的FPGA處理性能，避免工作頻率太高，造成整體設(shè)備的運行受到較大限制。

同時，在游標型模塊設(shè)計工作中，重視對內(nèi)部延遲鏈的構(gòu)造工作，進一步提高整體數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于編譯器內(nèi)部單元會存在較多的延遲單元，這些延遲單元分散在不同區(qū)域，在游標型模塊設(shè)計中，由于這些數(shù)據(jù)鏈分散在各處需要技術(shù)人員使用級聯(lián)鏈或者其他方式將這些編譯器連接在一起，便于該設(shè)備能夠正常使用。

2.2 實驗裝置自檢模塊設(shè)計

現(xiàn)階段實驗中，重視自檢模塊的設(shè)計工作。由于短時間測量裝置的精度較高，在日常工作中，應(yīng)該重視設(shè)備的自檢工作，及時發(fā)現(xiàn)整體設(shè)備的不足。在對短時間測量裝置設(shè)計中，技術(shù)人員通常會使用分頻法與計數(shù)法兩種方式，對于短時間測量裝置進行分析。由于FPGA內(nèi)部布線存在差異，在日常使用中，這些測量的數(shù)據(jù)存在較大的變動。為了更為精確測量短時間的具體數(shù)值，通過自檢模塊數(shù)據(jù)處理，對相關(guān)參數(shù)進行校正。在該模塊設(shè)計中，其主要原理圖如圖1所示。

圖1 自檢模塊圖

由于游標法測量短時間需要對他激振蕩器的周期進行分析，短時間測量結(jié)果公式為：t=N1T1-N2T2。為了獲得更加準確的計算結(jié)果，在使用階段，需要對該振蕩頻率進行標定。該模塊在使用中，需要對兩個分頻器進行分析，通過對振蕩器兩個信號進行分頻，并且將其輸出到測試單元的輸出引腳上，從而提高測量工作質(zhì)量。通過分頻器的處理，能夠降低外界因數(shù)的影響，消除電路噪聲。目前，在實際測量中，自檢模塊的使用，能夠?qū)⑺ふ袷幤鞯闹芷谶M行擴大，便于數(shù)據(jù)處理模塊能夠進行直接測量。

在自檢模塊設(shè)計中，計數(shù)法的使用能夠與分頻法相互合作，進一步提高自檢工作質(zhì)量。在實際使用中，能夠消除TDC設(shè)備產(chǎn)生的周期計誤差，能夠提高測量結(jié)果的準確性，將實驗誤差控制在一定范圍內(nèi)。

2.3 實驗裝置成形模塊設(shè)計

在對短時間進行測量時，需要技術(shù)人員將成形模塊作為現(xiàn)階段工作的重點，主要使用甄別器，將兩個脈沖進行有效結(jié)合，從而正確測量實驗結(jié)果精度。該設(shè)備的使用，發(fā)揮游標法測量短時間的優(yōu)勢，測量兩個脈沖之間的間隔，有效利用成形模塊的重要作用，在短時間開始與結(jié)束信號期間對兩個不同他激振蕩器的頻率間隔時間進行分析，如果兩者的時間間隔過大，需要該設(shè)備及時產(chǎn)生復位信號，避免錯誤的試驗結(jié)果影響到測量工作，造成測量結(jié)果與實際值存在較大的差距。成形模塊的使用，主要是對兩個連續(xù)的脈沖進行分析，合理計算現(xiàn)階段數(shù)值。

2.4 其他模塊設(shè)計

為了發(fā)揮該實驗裝置的作用，在日常工作中，應(yīng)該重視其他配套設(shè)備的使用，從而在得到開始與結(jié)束信號期間，能夠?qū)蓚€不同周期的振蕩器工作情況進行標定。在正常模式下，需要對邏輯控制單元進行隔離設(shè)計，確保他激振蕩器能夠正確測量短時間間隔，在后續(xù)模塊的輔助下，能夠?qū)嶒灲Y(jié)果數(shù)據(jù)有效輸出。該裝置的使用，需要通過數(shù)據(jù)幀的格式將測量結(jié)果有效輸出，由USB接口模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，從而提高測量結(jié)果。

3 短時間測量實驗系統(tǒng)測試

3.1 振蕩器振蕩周期測試

目前，短時間測量實驗裝置的使用，需要對兩種不同的振蕩器數(shù)據(jù)進行分析，在TDC測量裝置使用中，對兩種振蕩周期進行測量，確保該實驗裝置處于正常狀態(tài)。在測量振蕩器的周期時，需要技術(shù)人員使用兩種不同的方法來測量振蕩器的周期。由于該設(shè)備模塊設(shè)計中，添加了自檢模塊，實驗人員能夠結(jié)合該模塊的使用，用于推算振蕩周期，判斷該設(shè)備能夠符合實際測量結(jié)果的需求。

在本次實驗中，主要使用512倍分頻進行輸出，將振蕩周期擴大512倍，并且通過數(shù)據(jù)處理模塊，將該數(shù)值用于計算，結(jié)合PLL產(chǎn)生的基準，從而提高測量工作質(zhì)量。根據(jù)該試驗可以得出，振蕩器周期由4.274us擴大到4.278us，隨著時間的推移，該振蕩周期會緩慢增大，在20分鐘后會恢復成為穩(wěn)定值。

通過對振蕩器的周期測量，可以發(fā)現(xiàn)兩個振蕩器周期的增加情況存在相似之處，并且隨著時間的推移，兩者保持較高的同步性。在試驗中，技術(shù)人員對兩者的穩(wěn)定值進行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者存在23ps的周期差。

3.2 線性度與精度測試

為了進一步提高實際測量結(jié)果，需要技術(shù)人員對于TDC設(shè)備的線性度與精度進行詳細測量。在試驗中，技術(shù)人員使用信號發(fā)生器，將時間間隔穩(wěn)定在一定數(shù)值。技術(shù)人員使用游標型TDC設(shè)備對該數(shù)值進行測量，能夠提高測量工作質(zhì)量。在對該設(shè)備線性度與精度進行測量時，將信號發(fā)生器設(shè)置為100ns，并且將不同的試驗結(jié)果進行記錄，使用數(shù)據(jù)分析方法，對于這些數(shù)值進行計算，通過計算這些測量結(jié)果的平均值與標準差，能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果進行擬合，從而完成該測試工作，對該設(shè)備的性能進行科學評判。在該實驗中，可以發(fā)現(xiàn)該測量結(jié)果之間最大差值為0.124ns，所有的測量數(shù)據(jù)的平均值小于實際時間，結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法，對于該設(shè)備的精度進行測量。目前，該設(shè)備的使用，能夠在測量短時間過程中，將實際測量誤差控制在3ns以內(nèi)。

3.3 實驗結(jié)果匯總

該設(shè)備的使用，不僅需要對內(nèi)部組成進行科學分析，還應(yīng)該重視對設(shè)備的測量工作。由于短時間測量需要較高的精確度，任何一項偏差將會造成試驗結(jié)果存在較大差距，造成該設(shè)備的使用存在較大的不足。

在對該設(shè)備進行系統(tǒng)測試階段，通過實際測量數(shù)據(jù)對該設(shè)備的試驗結(jié)果進行分析，將差值控制在一定范圍內(nèi)。目前，結(jié)合對設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，可以將誤差控制在3ns以內(nèi)。并且隨著時間的推移，技術(shù)人員為了降低累計誤差，提出了可行性處理方案，避免累計誤差過大，造成實驗結(jié)果存在較大誤差。游標型短時間測量裝置的使用，能夠提高測量精度。雖然現(xiàn)階段FPGA應(yīng)用中存在一定的不足，但是技術(shù)人員加強整體設(shè)計，能夠克服FPGA使用中出現(xiàn)的問題，從而提高測量工作質(zhì)量。