利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量
高精度短时间间隔测量方法及应用
总第170期2008年第8期 舰船电子工程S hi p E lectronic Engineering V ol .28N o .8 175 高精度短时间间隔测量方法及应用3袁湘辉 吴文全(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)摘 要 介绍了一种通过积分将短时间间隔扩展为长时间的测量方法,并对测量误差进行了分析。
结果表明,应用本方法采用普通器件就可以对短时间间隔进行高精度测量,可应用于高精度小相位差测量等场合。
关键词 测量;短时间;积分中图分类号 TN 707A High Precision M easurem ent M ethod for L ittle Tim eIn terval and Its App licationYuan X ian ghu i W u W enquan(Coll ege of E lectronic E nginee ri ng,N ava l U nive rsity of E nginee ring,W uhan 430033)A b s tra c t A m e t hod of m easuring little ti m e inte rva l through int egral circuit is introduced in this paper,and the m easured e rrors is analyzed by t his m ethod .Based on thi s m ethod,a hi gh p recision can be obtained using ordinary devices in the field of m easuring little phase difference .Ke y w o rd s m easure m ent,little ti m e interva l ,integral C l a s s N um be r TN 7071 引言通用时间间隔测量是采用电子计数器测量,在要测量的时间间隔内电子计数器进行计数,根据计数的个数就可以得到时间间隔。
基于TDC-GP22的45pS分辨率时间间隔测试电路
基于TDC-GP22的45pS分辨率时间间隔测试电路作者：汪剑杨健来源：《中国新通信》2016年第23期【摘要】时间间隔测试是利用GPS、北斗等秒脉冲驯服晶振或铷钟，产生再生秒脉冲的基础，时间间隔的测试精度直接关系到晶振或铷钟的驯服精度和再生秒的稳定度。
该文提出了基于ACAM公司的超声波流量计TDC-GP22和FPGA AFS600实现的高精度时间间隔测试方案，TDC-GP22芯片利用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，该方案在AFS600内部设计了粗计数器和精确脉宽产生电路和单片机，实验结果表明，测试分辨率可达45pS，测试精度优于100pS。
【关键词】 TDC-GP22 时间间隔测试时间数字转换器一、引言在航天、电力、通信、银行等领域都需要较高精度的时间基准和标准频率信号，保证测试数据的有效性和控制的准确性，虽然GPS和北斗模块的秒信号精度达到100nS，但是其所给精度是在一定置信概率下的精度，不能保证每一秒都在需要的精度范围内，因此通常的应用是利用GPS或北斗来驯服晶振或铷钟，使晶振或铷钟的长期稳定度提高一个等级，同时利用晶振或铷钟的分频秒作为再生秒，克服GPS或北斗秒信号的短期不稳定性。
而时间间隔测试是GPS或北斗驯服晶振或铷钟的基础，本文利用ACAM公司的TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片，设计了一款时间间隔测试电路，分辨率可达45pS。
二、基本原理时间间隔测试的基本原理，晶振或铷钟的分频秒前沿与GPS或北斗秒的前沿会产生一个时间间隔T，用周期为T0的填充脉冲来填充该时间间隔，利用填充脉冲个数与填充脉冲周期的乘积来表示时间间隔，其测试得到的脉宽为T2+T0，而实际脉冲宽度为T1+T2+T3，这样就产生量化误差T0-T1-T3，该误差小于一个脉冲周期。
当采用较高精度的填充频率时T2的精度就较高，误差主要来源于量化误差T1和T3，如何提高T1和T3的测试精度是提高测试分辨率的关键。
时间间隔测量
高精度时间间隔测量方法综述摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。
在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。
文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。
关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换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量化时钟频率为0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 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x T 为：()210T T T M N T x -+⋅-= （1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为：()0'T M N T x ⋅-= （2） 比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=∆，其最大值为一个量化时钟周期0T ，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：()()00'..T M N T M N T x ∆-+-∆=∆ （3）比较表达式（3）（2）：()()0''T T M N M N T T x x ∆+--∆=∆ （4） 根据电子计数法原理，()1±=-∆M N ，0'T T M N x=-，因此：00'0'T T T T T x x ∆⋅+±=∆ （5）00'T T T x ∆⋅即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T ∆，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。
时间频率和相位的测量概述
时间频率和相位的测量概述时间频率和相位的测量是对信号的特性进行量化和分析的重要手段。
在电子通信、无线电、声学和光学等领域中，时间频率和相位的准确测量对于确保系统性能和信号传输的可靠性非常关键。
时间频率的测量是衡量信号周期性的能力，频率是指单位时间内该信号重复的次数。
常见的测量方法有计数法和相位比较法。
计数法是通过计算信号周期内的脉冲数量来测量频率，比较简单直接，但对于信号较高频率和瞬态信号的测量精度有限。
相位比较法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的相位差来计算频率，通常使用鉴相器或锁相环等器件进行测量。
相位比较法具有高精度和宽测量范围的特点，适用于高精度和宽频率范围的测量需求。
相位的测量是衡量信号波形变化和时序关系的能力。
相位是指信号在一个周期内的位置或偏移量。
常用的相位测量方法有直接测量法和差分测量法。
直接测量法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的起始时间或位置来测量相位，适用于稳态信号和周期性信号的测量。
差分测量法是通过测量信号的前后时间差来计算相位，通常使用时钟同步和时间差测量技术，适用于非周期性和非稳态信号的测量。
在实际应用中，时间频率和相位的测量需要考虑到测量仪器的精度、稳定性和响应速度等因素。
常见的测量仪器包括示波器、频谱分析仪、计时器和定时器等。
此外，引入校准和校正等方法可以提高测量结果的准确性和可靠性。
总之，时间频率和相位的测量是对信号特性进行量化和分析的重要手段，广泛应用于各个领域。
随着科技的发展，测量技术也在不断进步，为更精确、稳定和高速的测量提供了更多选择。
时间频率和相位的测量在科学、工程和技术领域中起到了至关重要的作用。
从物理学到电子通信，从声学到天文学，准确测量时间频率和相位是理解和分析信号的基础，也是确保系统性能和信号传输的可靠性的关键。
时间频率是指信号在单位时间内重复的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。
测量时间频率的目的是了解信号的周期性。
高分辨率时间间隔测量技术研究
高分辨率时间间隔测量技术研究高分辨率时间间隔测量技术研究摘要：高分辨率时间间隔测量技术是现代科学研究和工程应用中至关重要的一项技术。
本文首先介绍了高分辨率时间间隔测量技术的背景和意义，然后详细阐述了高分辨率时间间隔测量技术的原理和方法，包括电子、光电和超快光学等多种测量方法。
最后，结合实际应用，探讨了高分辨率时间间隔测量技术在科学研究和工程实践中的应用前景和挑战。
一、引言时间是我们生活中最重要的基本物理量之一，同时在科学研究和工程实践中，精确测量时间间隔也显得尤为重要。
例如，在微纳尺度下的物理现象研究中，如超快动力学、量子计算等，需要对时间尺度进行高精度的测量。
而在通信、导航、雷达等应用中，高分辨率时间间隔测量技术也扮演着重要角色。
因此，高分辨率时间间隔测量技术的研究具有重要意义。
二、高分辨率时间间隔测量技术原理高分辨率时间间隔测量技术的原理可归纳为以下几个方面：电子测量、光电测量和超快光学测量。
其中，电子测量主要利用电子器件的响应特性来测量时间，常用的电子器件有瑞利发射二极管、微波谐振腔等。
光电测量则是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔，常用的光电器件有光纤、光电二极管等。
超快光学测量技术是利用超快激光器和特殊探测器来实现超快时间间隔的测量，可以达到亚飞秒甚至飞秒量级。
这些原理和方法提供了多样化的选择，并能根据需要灵活应用。
三、高分辨率时间间隔测量技术方法1. 电子测量方法电子测量方法主要通过测量电子器件的响应特性来测量时间间隔，具有较高的时间分辨率和精度。
例如，利用瑞利发射二极管的特性，通过测量出光电信号的到达时间，可以实现纳秒或亚纳秒级别的时间间隔测量。
此外，微波谐振腔也可以用来测量时间间隔，其分辨率可以达到皮秒级别。
2. 光电测量方法光电测量方法是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔。
常用的光电器件包括光纤和光电二极管。
光纤可以传输光信号并保持信号的时间分辨率。
光电二极管则能将光信号转化为电信号，再通过电路对电信号进行测量。
应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１７ Ｎｏ������ １１
应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
严培辉，陈殿仁，李兴广，陈 磊，王远洋
（ 长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 １３００２２）
摘要：针对当前脉冲激光测距雷达中时间间隔测量精度低的问题，文中提出了一种高精度时间间 隔测量方法。 该方法采用双环形振荡器作为时间内插器，利用其输出的可控频率时钟信号对时间间隔 做内插和逼近，实现时间间隔的粗测量和精测量，然后结合改进的时域互相关算法对测量结果做估计。 实验结果表明，当环形振荡器的时钟为 ５０ ＭＨｚ 时，时间测误差小于 ２０ ｐｓ。 关键词：激光雷达；时间间隔测量；时间内插器；延时锁定环；环形振荡器；时域互相关 中图分类号：ＴＮ８７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１１－０１０４－０４
第 １１ 期
严培辉等：应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
１ ０５
号的采样数据，作时域互相关运算，得到时间间隔的 估计。 再将粗测时间间隔、细测时间间隔和估计值相 加得到最终的时间间隔测量值。
基金项目：国家自然科学基金重点支持项目（ ９１４３８０２４） 收稿日期：２０１６－１２－０３
求极高，因此还处于实验室研究阶段。 本文针对以上 问题，提出了采用双环形振荡器作为时间内插器，将 时间内插法［５－６］ 和逐步逼近法［７－８］ 相结合，再利用时域 互相关算法做估计的高精度时间间隔测量方法。 １ 时间间隔测量的基本原理
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｉｎｇ ｒａｄａｒ，ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ， ａ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒ⁃ ｐｏｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏ ｄｏ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ， ａｎｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ பைடு நூலகம்ｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｃｒｏｓｓ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２０ ｐｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｃｌｏｃｋ ｉｓ ５０ ＭＨｚ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ； ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ； ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ； ｄｅｌａｙ ｌｏｏｐ； ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ； ｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎ ｃｒｏｓｓ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
使用相位测量技术进行高精度距离测量
使用相位测量技术进行高精度距离测量近年来，随着科学技术的不断进步和应用范围的扩大，测量技术也取得了重大突破。
其中，相位测量技术作为一种高精度测量手段，被广泛应用于工业、航空航天、医学和通信等领域。
本文将介绍相位测量技术的原理以及在高精度距离测量中的应用。
首先，我们来了解相位测量技术的原理。
相位测量技术是一种基于光、电、无线电等波的相位差来进行测量的方法。
通过测量波的相位差，可以得到被测物体与参考物体之间的距离。
相位测量技术可以分为连续相位测量和离散相位测量两种方式。
连续相位测量是指以连续变化的相位作为参数进行测量的方法。
在连续相位测量中，通过将被测对象和参考对象的波信号进行相互干涉，得到干涉图像。
利用干涉图像中波的相位差与距离之间的关系，可以计算出被测物体与参考物体之间的距离。
连续相位测量的优点是可以实现高精度的距离测量，但由于信号必须连续变化，因此受到测量范围的限制。
离散相位测量是指以离散的相位值作为参数进行测量的方法。
在离散相位测量中，通过对被测对象和参考对象的波信号进行相位调制，使得波信号的相位在某个范围内离散变化，然后通过相位解调的方法得到波的相位值。
根据波的相位值与距离之间的关系，可以计算出被测物体与参考物体之间的距离。
离散相位测量的优点是可以克服连续相位测量的测量范围限制，但由于相位值是离散的，会引入测量误差。
在高精度距离测量中，相位测量技术具有重要的应用价值。
例如，在航空航天领域，为了确保航天器的精确定位和姿态控制，需要进行高精度的距离测量。
相位测量技术可以通过测量卫星信号与地面接收站信号之间的相位差，实现对航天器的距离测量。
同样地，在工业领域，相位测量技术被应用于精密加工和质量控制中。
通过测量物体与工具之间的相位差，可以实现对物体的形状和尺寸进行高精度的测量。
除了航空航天和工业领域，相位测量技术还被广泛用于医学和通信领域。
在医学领域，相位测量技术可以用于测量人体的形态和运动变化，例如心脏的跳动和呼吸的变化。
高精度时间间隔测量方法综述
综述与评论计算机测量与控制.2007.15(2)Com puter Measurement &C ontrol145中华测控网chinamca.co m收稿日期:2006 03 06; 修回日期:2006 05 09。
作者简介:孙 杰(1975 ),男,安徽合肥人,讲师,主要从事测控技术方向的研究。
文章编号:1671 4598(2007)02 0141 04中图分类号:O63;TP273.5 文献标识码:A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)摘要:时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用,如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题,在分析电子计数法测量原理与误差的基础上,重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量,并且取得了非常好的效果;最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。
关键词:时间间隔;原理误差;内插;时间数字转换;时间幅度转换Methods of High Precision Time -Interval MeasurementSun Jie,Pan Jifei(Electr onic Eng ineering Instit ute o f PL A ,H efei 230037,China)Abstract:Technology of time-interval m easurement has been applied in many field s.H ow to improve its precision is an em ergent ques tion.On the basis of an alyz ing electron ic counter's principle and er ror,this paper puts emphasis upon introducing high precision time-inter val measu rements all over th e w orld.All th ese methods aim at electronic counter's principle error,and ob tain special s tly,the pro gress direction and ap plication foregr oun d of h igh precision tim e-interval meas urem ent meth ods are predicted.Key words :time interval;prin ciple error;interpolating;tim e-to-digital conversion;time-to-amplitude con version0 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。
高精度时间间隔测量技术与方法探析
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在现代科学和工程领域中具有重要的意义。
频率是指在单位时间内重复发生的事件或周期的次数。
时间是描述事件发生的顺序和持续时间的尺度。
相位则用来描述波形的相对位置关系。
测量这些参数的准确性和精度对于许多应用来说至关重要，包括通信系统、无线电频谱管理、精密仪器、天文学、地球物理学等等。
下面我们将详细介绍频率、时间和相位的测量方法和技术。
频率测量是指测量事件发生的频率或周期的次数。
常见的频率测量方法包括计数法、相位比较法、频率合成法等。
计数法是一种简单直接的方法，通过计算事件发生的次数来得到频率。
在计数法中，可以使用计时器来记录事件发生的次数，然后根据计时器的时间得到频率。
相位比较法主要是利用比较两个信号的相位差来得到频率。
这种方法常用于稳定的参考信号。
频率合成法是通过将多个信号相加或相乘来合成一个新的信号，然后再根据新信号的特性来获得频率。
这种方法广泛应用于频率合成器和锁相环等设备中。
时间测量是指测量事件发生的准确时间。
时间测量的方法包括脉冲计数法、时钟同步法、时间标准法等。
脉冲计数法是通过计数脉冲的数量来测量时间。
计数器是常用的脉冲计数设备，它可以根据脉冲的来自外界触发信号进行计数，并转换成相应的时间单位。
时钟同步法是利用多个时钟设备的同步性来测量时间。
通过将多个时钟设备的信号进行比较，可以得到一个准确的时间值。
时间标准法是通过使用一个精密的时间标准来测量时间。
国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）是常用的时间标准。
时间标准设备可以通过比较其与时间标准之间的差异来测量时间。
相位测量是指测量信号波形的相对位置关系。
相位测量的方法包括相位差测量法、频率转换法、相位解调法等。
相位差测量法是通过比较两个信号的相位差来得到相位。
常用的相位差测量设备有相位计和相干解调器。
频率转换法是通过将信号的频率变换到特定范围内，然后再进行相位的测量。
这种方法常用于高频信号的相位测量。
相位处理的概念更新及对任意频率的高分辨率测量与处理
用的主要是频率信号间以最大公因子频率、最小公倍数周期、量化相移分
辨率、等效鉴相频率频率及群周期等表征的相互相位关系。 最大公因子频率、最小公倍数周期、量化相移分辨率、等效鉴相频率频率
两异频信号之间的相位关系
4
一、相位处理的概念及更新
完全不同于常规信号间连续相位处理的周期群之间的群相位变化特征等。
可能影响到这方面的技术发展。利用任意频率信号间的周期群形成的群相位 差处理、相位干涉现象的捕捉、以及相位重合点的利用等，在射频范围内能
5.3×10-13
τ = 1s
2.1×10-13
τ = 10s
1.5×10-13
表2 锁定后的振荡器相位噪声指标
1 Hz -110dBc
10 Hz -125dBc
100 Hz -140dBc
5
• 不可以无限制地扩大这个概念及效果、影响等。 • 即使是再明显的规律性，也有一个上限限制。 • 相位处理的潜力能够被进一步地挖掘，但是其中的问题分析要 深入。不可能在原始的技术框架下异想天开地有任意的高精度 。 • 其缺陷在于：分辨率随着信号间的频率关系变化而变化，测量 的闸门以及响应时间也不一定很规范，除非采取一些辅助技术 。
捕捉和利用的关键现象就是相位的群同步现象。相位群同步的表现是信号 间实现的稳定不变的最小公倍数周期，也就是信号间呈严格的分、倍数关
系或者整数比例关系。测量中的相位群同步的捕获，有利于实现严格的多
周期、多周相的同步测量，大幅度地提高测量分辨率。在频率控制及复杂 PLL的构成中，实际上传统的方法也被动的实现了相位群同步。只是从高 精度的角度来看，方法比较复杂和繁琐。但是采用相位群处理和群同步的 方法更能够获得高的精度并且实现的途径也更简单。
基于相位调制的高精度测时理论研究
基于相位调制的高精度测时理论研究张朗;孔德仁;贾云飞【摘要】高精度时间间隔测量在炮口引信装定及破片速度测量中具有重要作用.目前,常用测时方法精度一般为0.1 μs,不能满足高精度测时场合的需要.为此,提出一种基于相位调制的时间间隔测量方法.在一定晶振频率下,通过数字移相技术获得n 路同频不同相的基准时钟分别驱动计数器.经分析,理论上测时精度可提高n倍,且结合FPGA技术,新方案设计的测量系统具有实现简单、稳定性好、成本低廉等特点.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】4页(P5-8)【关键词】仪器仪表技术;时间间隔;相位调制;移相;FPGA【作者】张朗;孔德仁;贾云飞【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ410.6在炮口测速装置中，需要将弹丸初速值作为弹道参数送入引信内置微处理器，并结合其他弹道参数，计算出引信装定时间。
为了实现精确控制炸点，大幅度增加弹丸毁伤概率，必然要求引信的定时精度很高［1］，从而需要一种高精度计时方法。
此外，在破片速度测量中，由于破片在飞行过程中姿态不稳定，速度变化不是一个平稳的过程，为了定量评判破片在某个瞬间或某个特征点的瞬时速度，在采用平均速度法v＝Δs／Δt时，要求区截装置的距离Δs尽可能小，而Δt尽可能趋近于零，这就对时间间隔的测量精度提出了很高的要求。
目前，常规测时仪一般采用脉冲计数法原理研制而成，测量精度通常为0.1μs，已经不能满足炮口引信装定和破片速度测量的精度要求。
采用倍频的方法虽在一定程度上可以提高测时精度，但过高倍频存在晶振稳定度及抖动等问题。
此外，倍频系数过高，大多数数字电路无法正常响应［2］。
因此，对高精度测时方法进行理论研究，寻求一种误差较小、精度高的综合方案十分有必要。
采用DSP技术实现高精度相位测量的研究
根据电路知识可知, 电压有效值的计算公式如下:
Ua =
在工程中, 常用的采样方法是对信号进行定时采 样, 也即每两个相邻的采样点间的时间间隔是固定的, 采样的速度满足香农采样定理即可。 这种采样电路在 设计中比较容易实现, 但这种办法难以满足电测仪器 高精度的要求。 在这里我们应用不同于定时采样电路 的另外一种方法, 即同步定点数采样, 即对一个周期 信号, 在一个固定的周期内, 不是以固定的时间间隔 来决定采样点, 而是在一个周期内采样固定的点数, 这 些采样点间的时间间隔相等, 而且在被测信号的由负 到正的过零点开始第一次采样。 采样序列和时间的对 应关系如下: 采样序列: X ( 1) , X ( 2) , X ( 3) , X ( 4) , X ( 5) , X ( 6) , X ( 7) …… 采样时刻: 0, t, 2 t, 3 t, 4 t, 5 t, 6 t…… 其中: t = T m ( T 为被测信号的周期, m 为一个周期内 的采样点数) 。 除定点数之外, 要求第一个采样点必须和被测信 号的零点对齐, 这即所说的同步的含义, 同步定点数采 样就是以被测信号的零点作为采样的起始点, 在被测 信号的一个完整周期内采样固定的点数, 如果被测信 号的周期缩短, 则每次采样的时间间隔随之缩短; 被测 信号的周期变长, 则每次采样的时间间隔也随之变长, 但采样的点数他不受被测信号的周期的影响, 是一个 固定值。 除采样外还有相关的支持算法, 在这种采样方 法的基础上再结合具体的数字算法就可以实现对周期 信号各参量的精确测量。 同步定点数采样电路是利用锁相环的倍频功能来 完成的。 由于被测信号是一个周期信号, 把他作为锁相 环的一个相位比较输入端, 锁相环的输出接到一个自 加载计数器的输入, 计数器的输出端再接到锁相环的 另一个相位比较输入端, 自加载计数器的计数值就是 我们规定的 m ( 一个周期内的采样点数) , 在电测仪器
相位计的三种实现方法终稿
相位计的三种实现方法南京大学电子科学与工程系曹丽剑031180003 武迪 041180105 文旭桦 041180101摘要 相位计在科学与生产中均有应用，而其实现方法也有很多。
本实验采用了三种分别基于模拟，数字，CPLD 和51单片机的方法实现相位差的自动测量和数显。
关键词 相位 模拟 数字 PLL A/D CPLD 51单片机 在电工仪表、同步检测的数据处理以及电子实验中，常常需要测量两列同频信号的相位差。
例如移相电路的移相值测量等。
相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，例如示波器。
但是这种方法误差较大，读数不方便。
为此，我们想设计一种数字显示的相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数字显示。
测量的分辨率可根据不同需要选择不同方案实现 0.1°或1°。
虽然实现方法很多，但充分利用所学知识决定采用以下三种方法实现：当选择模拟电路实现方法时，可测信号的频率范围为几Hz ～几MHz ，精度为 1°。
当选择数字电路实现方法时，可测信号的频率范围为几Hz ～几十kHz ，精度小于1°。
当选择高速相位计实现时，可测信号的频率范围为几Hz ～几十兆Hz ，精度为0.1°。
1 方案一 模拟电路实现方法制作原理：对于两个同频率的正弦或余弦输入信号Acos(wt+φ),Acos(wt+θ)相位差为φ—θ是所要测量的量。
，基于模拟电路的相位计实现框图参数计算：计算二阶低通滤波器的参数，由于异或门的输出为周期性矩形波，利用傅立叶频谱分析知，该信号的直流分量幅度与一个周期内高电平的占空比成正比，由此只要取异或门输出的直流分量经过一定比例的线形放大直接通过A/D 转换即可输出。
因此滤波器的截止频率就要小于输入信号的基频，设置f 为10hz ，利用传递函数计算滤波器的各参数。
另外由于7107的输入为0-2V 而滤波器的 输出为0-5V 因此中间需用一级OP 放大器，并能够调零。
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万方数据万方数据万方数据万方数据２６３０仪器仪表学报第２９卷图５高精度时ＩｂＪ删隔测赶系统样机实物ｎｇ５ＴｈｅｐｈｏｆｏｏｆｔｈｅｌｉｍｅｉｎｌｅｒｖａＩｍｅａｓｕｒｅｍｅｎＩｐｍｍｆｙｐｅ４．２测试结果网６给ｆＩ｛了采样率为ｌ【）ｏＭｓ／ｓ，量化位数为１４比特时，通道ｌ（ＣＨｌ）干¨通道２（ｃＨ２）进行的１００次测量结果。
此外，表２给出厂上文提到的３种情况下的各通道的槲位（时延）估计精度和时间Ｊ’日Ｊ隔测量精度。
由表中的数据，可以得出如Ｆ结论：１）单通道相位（时间）测量精度和双通道时间间隔测莆精度均在ｌＯｐｓ左右，三种情况的差异不太明显。
相对来说，时间间隔测量精度在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１４比特量化的最高，优于ｌＯｐｓ；在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１０比特量化时最低，略微超过１０ｐｓ。
２）实验结果基本上体现不出３种情况下的精度差异，均低于表ｌ的理论精度。
这是冈为单通道相位（时间）的估计结果受触发误差和被测频标信号抖动的影响。
这两个误差约为１０ｐｓ，远大于相位（时间）估计误差。
３）作为双通道差的时间间隔测量结果中消除了被测频标信号抖动的影响，应该精度高于单通道测量结果。
但是｝｝１于实验系统巾两块采集卡之问时钟同步存在一定抖动，降低了测量结果的精度，凶而时间问隔的测量精度约为ｌＯｐｓ左右。
图６测量结果曲线（１００ＭＳ／８采样率、１４比特最化）¨ｇ．６Ｐｈａｓｅａｎｄ“ｍｅｊｎｌｅⅣａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ（ｓａｍＩ＇ｌｉｎｇｒａｔｅ１００ＭＳ／ｓ，】４ｂ）表２三种采样率下样机精度对比（厶ｒ－１０ＭＨｚ，Ⅳ＝ｌ０“）Ｔａｂｌｅ２Ａｃｃｕｒａｃｙｃｏｍｐａｒ勘ｎｕｎｄｅｒｔｈｒ托ｃ衄ｄｉ６０陋（矗ｆ－１０ＭＨｚ．～＝ｌ０２４）５结论从实验数据与理论结果对比，可以发现由于实验系统各环节引入的噪声，使得测试结果难以反映３种测试情况的差异。
综合来看，实验系统达到了ｌＯｐｓ的测肇精度。
由于采用两块数据采集卡进行实验，两块卡之间的采样时钟抖动抬高了测量系统的本底噪声。
下一步实验中将研制专用的数据采集和处理系统，在一块ＰＣＢ上完成时钟的分配，数据的采集和相位的实时解算，以达到小型化、实时性和更高的精度；同时降低系统造价。
如果对触发抖动和采样时钟的抖动处理得比较好，有望达到１ｐｓ精度。
此外，还需要进一步将相位（时延）估计算法移植到ＦＰＧＡ上实现，做到实时处理采集数据。
这样一来系统的测量速率主要由数据采集决定，对于１０２４点Ｆ盯，２５Ｍｓ／ｓ时数据采集时间为４．０９６×１０～ｓ，则最高测黾速牢可以做到２，４４１４×１０４Ｈｚ。
进一步提高采样率或者降低Ｆ丌点数，还可以提高测量速率。
如果从实际需求出发．还可以降低ＦｆＴｒ的点数，比如将Ⅳ降为６４，采样率ｆ为２５Ｍｓ／ｓ．比特位数１４ｂ，可以得到的理论测量精度仍然优于０．２ｐｓ。
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３２（４）：６２５击２９．作者简介朱样维．２００７年于田防科技大学获得博十学位，现为国防科技大学卫星导航研发ｆｆｌ心讲师，主要研究方向为卫星导航定位系统、时Ｉ＇日Ｊ同步、时频测量计量等。
地址：湖南省长沙市，国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航定位研发中心．４ｌＵＵ７３Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｕｘｉａｎｇｗｅｉ＠ｎｕｄｔ．ｅｄｕ．ｃｎＺｈｕＸｉａｎｇｗｅｉｏｂｔａｉｎｅｄＰｈＤｆｍｍＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅ—ｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏＩｏｇ）ｒｉｎ２００７．Ｎｏｗ，ｈｅｗｏｒｋｓ鹊ａｌｅｃｔｕｒｅｒｉｎＳａｔｅｌ－ｌｉｔｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎＲ＆ＤＣｅｎｔｅｒ，ＤｅｐａｎｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ铂ｅｎｃｅ锄ｄＥｎ百ｎｅｅｒｉｎｇｉｎ￡ｈｅａｒｅａｏｆｓａ￡ｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｃｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｉｍｅｓｙｎｃｈｍｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｉｍｅｆｂｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ａｄｄｒｅｓｓ：ＳａｔｅＩｌｉｔｅＮａｖｉｇ“呻Ｒ＆ＤＣｅｎｔｅｒ，ｓｃｈ００ＩｏｆＥｌｅｃｔｒ∞ｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＤＴ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４ｌ００７，Ｈｕｎａｎ．ＣｈｉｎａＥ—ｍａｉｌ：ｚｈｕｘｉａｎｇｗｅｉ＠ｎｕｄｔ．ｅｄｕ．ｃｎ孙广富。
２００６年于罔防科技大学获得博十学位，现为国防科技大学卫星导航研发中心副教授。
主要研究方向为卫星导航定位、仪器设计与实现和实时信号处理等。
ＳｕｎＧｕａｎ星加ｏｂｔａｊｎｅｄＰｈＤｆ南ｍＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｎ；ｉ竹ｏｆＤｅ．ｆｂｎｓｅ’１１ｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ２００６．Ｎｏｗ，ｈｅｗｏｒｋｓａｓａｎａｓｓｉｓｔａｎｃｅｐｍ—ｆｅｓｓｏｒｉｎＳａｌｅＪｌｊｔｅＮａｖｉｇａｔｊｏｎＲ＆ＤＣｅｎｔｅｒ，ＮＵＤＴ，ｗｈｏｓｅＪ＿：ｅ－ｓｅａｒｃｈａｒｅａｉｓｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ明ｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｓｉｇｎａｌｐｍｃｅｓｓｉｎｇ．万方数据。