基于时间数字转换技术的超短时间间隔测量
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～ 一 一 一 一
４ 讨 论
本 文引入 Ａ ｇ ｉ ｌ ｅ ｎ ｔ ８ １ １ １ ０ Ａ 码 形 发 生 器 ， 即
所谓 时 间数字 转 换技 术 ，其 是一 种基 于 信号和逻辑 门电路绝对 传输时间的新型时间间 隔测量方法 。时 间数字转 换技术测量 时 ，被测 短 时间间隔开启信号 穿过 非门链 ，此时被测时 间间隔结束信号会把各 延时单位 此刻的状 态转 存 入配套的动态存储器 内，而此状态信 息会被 数据 预处理 ，再被传人单 片机 ，最后 经单片机 处理 后求出被测时间间隔 。 该技 术测 量 时间 间隔 具有 如下 特点 ：时 间值 无需 经 Ｄ ／ Ａ转换 而直 接转 换到 数字 码 ； Ｔ ＤＣ与 单 片机 接 口可 实 现 Ｔ ＤＣ测 量 控 制 和 Ｔ ＤＣ测 量 结 果 的 获 取 即处 理 ；Ｔ ＤＣ可 完 成 ２ ｎ ｓ 的 超短 时 间 间 隔 测量 ； Ｔ Ｄ Ｃ测 量 具 备 ６ ５ ｐ ｓ的分辨 率 ，即 ０ ． ９ ８ ｃ ｍ 的单次 测量精度 。 现就 时间数字转换技术 （ Ｔ ＤＣ）的具 体计算做
Ｔ Ｄ Ｃ的 校准要 求测量 １ 个／ ２个 参 考 时 钟 周期 ，且 需把测量数 据 以 Ｃ ＡＬ１ ／ ＣＡ Ｌ ２的形式 存储 到指 定位 置 。此时 ，Ｔ ＤＣ内部计 算单 元 ＡＬ ｕ便 可做 相应 的校准 计算 ，其计 算 ＝Ａ ＨＩ Ｔ（ Ｃ Ａ Ｌ２一Ｃ Ａ Ｌ１ ）
测 距 往 往 遭 遏 纳 秒 级 超 短 时 间 间
和温度 ，需就 Ｔ ＤＣ做校 准测量 ，而 Ｔ ＤＣ的校 准测量 多 由 Ｔ ＤＣ内部的 标定 电路 和锁相 电路
完成 。
３ ． ５定５ ￣ Ａ Ｌ Ｕ 的计算方式
Ｔ Ｄ Ｃ的脉冲信 号输入通道包括 ｓ ｔ ｏ ｐ ｔ ／ ２通 道和 ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 通 道 ，且 可就任 何两 个通 道信 号间 的时 差做 自由定义 。较为 常见 的计 算方 式包 括ｓ ｔ ｏ ｐ １ ・ ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 和 ｓ ｔ ｏ ｐ １ 一 ｓ ｔ ｏ ｐ ２， 其 中 ｓ ｔ ｏ ｐ Ｉ ｓ ｔ ａ ｔ ｒ 为计 算脉 冲开始 信 号与停 止 信号 问的 时差 ； ｓ ｔ ｏ ｐ１ 一 ｓ ｔ ｏ ｐ ２计算方 式的脉冲开 始信号 为 ｓ ｔ ｏ ｐ ２ 通道、脉冲停 止信号 为 ｓ ｔ ｏ ｐ Ｉ通道 、触 发信号 为ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 通道 （ 仅用作 Ｔ ＤＣ测量过程 的启动 ）。 后者 可通 过平均法实现测量精 度的提 高，但其 输 出频率 较前者低 。
ＣＡＬ２ ＣＡＬｌ＝ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ
７ ７ ｍｅ：ＲＥＳ
—
Ｘ
ｒ ｅ ｆ毒２ Ｃ ｖ
上 述 方程 式 中 ：
【 关键词 】时间数 字转换技 术 （ Ｔ Ｄ Ｃ） 超短 时
间 间 隔测 量 校 准测 量
～
一
～
～
—
—
Ｔ Ｄｃ校 准计数结果 ； 被测 时间间隔内门电路计数值 ； １ 个 参考时钟 周期 内 Ｔ ＤＣ的电路计
３ ． １选择／ 输入触发方式
基于 两个 被测 脉冲 信号 间 的时 间测量 要 将 其生成 的 两路标 准时 间间 隔脉冲 信号 传 向 Ｄ Ｃ测 量 电路 ，再就 该两路 脉冲 信号做 相应 求 ，选定两个脉冲起始信号 的触发方式 ，即前 Ｔ 的 测量 ，此次 测量结 果表 明 ，Ｔ Ｄ Ｃ测量 时 间 沿触发或后沿触发 。 间 隔误 差的 波动 区 间为 － Ｏ ． ４ ７ — ０ ． ４ ５ ｎ ｓ ；时间 间 ３ ． ２选择测量范 围 隔 与测 量结 果 问呈 正相 关 ，究其 原 因：Ｔ ＤＣ 的时间测量分辨率为定值 ，则时间问 隔的不 同 基 于两 个被 测脉 冲信 号 间的 时间 间隔 ， 会引起测量精度 间存在某种差异 ，进而导致被 选定适宜 的 Ｔ ＤＣ测量 范围 ，而 Ｔ ＤＣ测量范围 测量 值 与对应 的测 试结 果 间呈 正相 关。总而 分为 两大量程 ，￣ ｐ ／ ｎ ） ， Ｕ 量范 围 Ｉ（ ２ ｎ ｓ １ ． ８ ｇ ｓ ）和 言 之，时 问数字转 换技 术 （ Ｔ ＤＣ ） 可 完成≥２ ｎ ｓ
ｔ ｈ ｅ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ・ 计算机技术应用
基于时间数 字转换技术的超短时 间间隔测量
文／ 崔 培 奎 李 正 矗。 许 春 影 。
对 脉 冲激 光 的近距 离高精度
～
数值 ；
…
待Ｔ ＤＣ中断信号被 传人单 片机后 ，其 会 立 即就 Ｔ ＤＣ的状 态寄存 器作 出判 断 ，并确 定 中断标 志位，再基于标 志位 的状态判 定单片机 的继续 操作 。一般 而言 ，Ｔ Ｄ Ｃ应基 于定 义 的 Ａ ｕ Ｌ计算方 式就 时间 间隔的逻 辑 门计 数结 果 予 以计算 ，待 Ｔ ＤＣ结 果寄存 器接 收到计算结 果 后 ，Ａ Ｌ Ｕ空 闲 中断便会 产生 ，待此 中断信 号被传人单 片机 后，在就时 间间隔做 时间级单 位处理 。时间级单位处理方法如下 ： 上述方程式 中： 单片机时间级单位处理结果 ； Ｔ Ｄ ｃ逻辑门计数结果 ； 参考时钟 ； 参考时钟 的分频因子。
３ ． ６ 片机 数 据 处 理
隔测 量 等问题 ， 而时 间数 字转换 技术 （ Ｔ Ｄ Ｃ）可 支持 ２ ｎ ｓ 超 短 时间 间隔 测量 ，且可 获 得皮 秒级 测量 分 辨 率，并 有效 攻 克 了传统 脉 冲 计 数 法 难 以 满 足 超 短 时 间 问 隔 测 量 的 尴 尬 事 实。 本 文从 Ｔ Ｄ Ｃ测 量 原 理、Ｔ Ｄ Ｃ校 准 测 量 、Ｔ Ｄ Ｃ测 量 的 实现 三 个 方 面剖 析基 于 Ｔ Ｄ Ｃ的超 短 时 间 间 隔测 量 。
～
数值 ；
～
一
般 而 言 ，测 量对 象 的脉冲 与对 应 的时
２个 参考时钟 周期 内 Ｔ ＤＣ门电路计
钟频率和对芯片性 能要 求呈负相关 ，即脉冲随 被测 时间间隔； 着时钟频率 的增 高而变 窄，此时对芯片性能的 参考 时钟 的分频 因子 。 要 求也变的更高 。 若要有效攻克上述测量难点 ， 时间数值转换技术 （ Ｔ ＤＣ）便 可提供 有效的解 ３ Ｔ Ｄ Ｃ 测 量 的 实 现 决办法 ，即 Ｔ Ｄ Ｃ可 完成皮 秒级时 间分辨率 和 时 间数 字 转换 技 术 （ Ｔ ＤＣ）的测 量流 程 超 短时间间隔的测量 。本文就基 于时间数字转 主要包括 如下环节 ：选择 ／ 输入触发方 式一选 换 技术 （ Ｔ ＤＣ）的超短 时间间隔测量 展开讨 论。 择测量范 围一选择参考 时钟一 选择 校准测量一 １时间数字转换技术 （ Ｔ Ｄ Ｏ ）的测量原理 定义 Ａ Ｌ ｕ计算方 式一 单片机数据 处理 。
４ 讨 论
本 文引入 Ａ ｇ ｉ ｌ ｅ ｎ ｔ ８ １ １ １ ０ Ａ 码 形 发 生 器 ， 即
所谓 时 间数字 转 换技 术 ，其 是一 种基 于 信号和逻辑 门电路绝对 传输时间的新型时间间 隔测量方法 。时 间数字转 换技术测量 时 ，被测 短 时间间隔开启信号 穿过 非门链 ，此时被测时 间间隔结束信号会把各 延时单位 此刻的状 态转 存 入配套的动态存储器 内，而此状态信 息会被 数据 预处理 ，再被传人单 片机 ，最后 经单片机 处理 后求出被测时间间隔 。 该技 术测 量 时间 间隔 具有 如下 特点 ：时 间值 无需 经 Ｄ ／ Ａ转换 而直 接转 换到 数字 码 ； Ｔ ＤＣ与 单 片机 接 口可 实 现 Ｔ ＤＣ测 量 控 制 和 Ｔ ＤＣ测 量 结 果 的 获 取 即处 理 ；Ｔ ＤＣ可 完 成 ２ ｎ ｓ 的 超短 时 间 间 隔 测量 ； Ｔ Ｄ Ｃ测 量 具 备 ６ ５ ｐ ｓ的分辨 率 ，即 ０ ． ９ ８ ｃ ｍ 的单次 测量精度 。 现就 时间数字转换技术 （ Ｔ ＤＣ）的具 体计算做
Ｔ Ｄ Ｃ的 校准要 求测量 １ 个／ ２个 参 考 时 钟 周期 ，且 需把测量数 据 以 Ｃ ＡＬ１ ／ ＣＡ Ｌ ２的形式 存储 到指 定位 置 。此时 ，Ｔ ＤＣ内部计 算单 元 ＡＬ ｕ便 可做 相应 的校准 计算 ，其计 算 ＝Ａ ＨＩ Ｔ（ Ｃ Ａ Ｌ２一Ｃ Ａ Ｌ１ ）
测 距 往 往 遭 遏 纳 秒 级 超 短 时 间 间
和温度 ，需就 Ｔ ＤＣ做校 准测量 ，而 Ｔ ＤＣ的校 准测量 多 由 Ｔ ＤＣ内部的 标定 电路 和锁相 电路
完成 。
３ ． ５定５ ￣ Ａ Ｌ Ｕ 的计算方式
Ｔ Ｄ Ｃ的脉冲信 号输入通道包括 ｓ ｔ ｏ ｐ ｔ ／ ２通 道和 ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 通 道 ，且 可就任 何两 个通 道信 号间 的时 差做 自由定义 。较为 常见 的计 算方 式包 括ｓ ｔ ｏ ｐ １ ・ ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 和 ｓ ｔ ｏ ｐ １ 一 ｓ ｔ ｏ ｐ ２， 其 中 ｓ ｔ ｏ ｐ Ｉ ｓ ｔ ａ ｔ ｒ 为计 算脉 冲开始 信 号与停 止 信号 问的 时差 ； ｓ ｔ ｏ ｐ１ 一 ｓ ｔ ｏ ｐ ２计算方 式的脉冲开 始信号 为 ｓ ｔ ｏ ｐ ２ 通道、脉冲停 止信号 为 ｓ ｔ ｏ ｐ Ｉ通道 、触 发信号 为ｓ ｔ ａ ｒ ｔ 通道 （ 仅用作 Ｔ ＤＣ测量过程 的启动 ）。 后者 可通 过平均法实现测量精 度的提 高，但其 输 出频率 较前者低 。
ＣＡＬ２ ＣＡＬｌ＝ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ
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上 述 方程 式 中 ：
【 关键词 】时间数 字转换技 术 （ Ｔ Ｄ Ｃ） 超短 时
间 间 隔测 量 校 准测 量
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Ｔ Ｄｃ校 准计数结果 ； 被测 时间间隔内门电路计数值 ； １ 个 参考时钟 周期 内 Ｔ ＤＣ的电路计
３ ． １选择／ 输入触发方式
基于 两个 被测 脉冲 信号 间 的时 间测量 要 将 其生成 的 两路标 准时 间间 隔脉冲 信号 传 向 Ｄ Ｃ测 量 电路 ，再就 该两路 脉冲 信号做 相应 求 ，选定两个脉冲起始信号 的触发方式 ，即前 Ｔ 的 测量 ，此次 测量结 果表 明 ，Ｔ Ｄ Ｃ测量 时 间 沿触发或后沿触发 。 间 隔误 差的 波动 区 间为 － Ｏ ． ４ ７ — ０ ． ４ ５ ｎ ｓ ；时间 间 ３ ． ２选择测量范 围 隔 与测 量结 果 问呈 正相 关 ，究其 原 因：Ｔ ＤＣ 的时间测量分辨率为定值 ，则时间问 隔的不 同 基 于两 个被 测脉 冲信 号 间的 时间 间隔 ， 会引起测量精度 间存在某种差异 ，进而导致被 选定适宜 的 Ｔ ＤＣ测量 范围 ，而 Ｔ ＤＣ测量范围 测量 值 与对应 的测 试结 果 间呈 正相 关。总而 分为 两大量程 ，￣ ｐ ／ ｎ ） ， Ｕ 量范 围 Ｉ（ ２ ｎ ｓ １ ． ８ ｇ ｓ ）和 言 之，时 问数字转 换技 术 （ Ｔ ＤＣ ） 可 完成≥２ ｎ ｓ
ｔ ｈ ｅ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ・ 计算机技术应用
基于时间数 字转换技术的超短时 间间隔测量
文／ 崔 培 奎 李 正 矗。 许 春 影 。
对 脉 冲激 光 的近距 离高精度
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数值 ；
…
待Ｔ ＤＣ中断信号被 传人单 片机后 ，其 会 立 即就 Ｔ ＤＣ的状 态寄存 器作 出判 断 ，并确 定 中断标 志位，再基于标 志位 的状态判 定单片机 的继续 操作 。一般 而言 ，Ｔ Ｄ Ｃ应基 于定 义 的 Ａ ｕ Ｌ计算方 式就 时间 间隔的逻 辑 门计 数结 果 予 以计算 ，待 Ｔ ＤＣ结 果寄存 器接 收到计算结 果 后 ，Ａ Ｌ Ｕ空 闲 中断便会 产生 ，待此 中断信 号被传人单 片机 后，在就时 间间隔做 时间级单 位处理 。时间级单位处理方法如下 ： 上述方程式 中： 单片机时间级单位处理结果 ； Ｔ Ｄ ｃ逻辑门计数结果 ； 参考时钟 ； 参考时钟 的分频因子。
３ ． ６ 片机 数 据 处 理
隔测 量 等问题 ， 而时 间数 字转换 技术 （ Ｔ Ｄ Ｃ）可 支持 ２ ｎ ｓ 超 短 时间 间隔 测量 ，且可 获 得皮 秒级 测量 分 辨 率，并 有效 攻 克 了传统 脉 冲 计 数 法 难 以 满 足 超 短 时 间 问 隔 测 量 的 尴 尬 事 实。 本 文从 Ｔ Ｄ Ｃ测 量 原 理、Ｔ Ｄ Ｃ校 准 测 量 、Ｔ Ｄ Ｃ测 量 的 实现 三 个 方 面剖 析基 于 Ｔ Ｄ Ｃ的超 短 时 间 间 隔测 量 。
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数值 ；
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般 而 言 ，测 量对 象 的脉冲 与对 应 的时
２个 参考时钟 周期 内 Ｔ ＤＣ门电路计
钟频率和对芯片性 能要 求呈负相关 ，即脉冲随 被测 时间间隔； 着时钟频率 的增 高而变 窄，此时对芯片性能的 参考 时钟 的分频 因子 。 要 求也变的更高 。 若要有效攻克上述测量难点 ， 时间数值转换技术 （ Ｔ ＤＣ）便 可提供 有效的解 ３ Ｔ Ｄ Ｃ 测 量 的 实 现 决办法 ，即 Ｔ Ｄ Ｃ可 完成皮 秒级时 间分辨率 和 时 间数 字 转换 技 术 （ Ｔ ＤＣ）的测 量流 程 超 短时间间隔的测量 。本文就基 于时间数字转 主要包括 如下环节 ：选择 ／ 输入触发方 式一选 换 技术 （ Ｔ ＤＣ）的超短 时间间隔测量 展开讨 论。 择测量范 围一选择参考 时钟一 选择 校准测量一 １时间数字转换技术 （ Ｔ Ｄ Ｏ ）的测量原理 定义 Ａ Ｌ ｕ计算方 式一 单片机数据 处理 。