Methods of Precise Time-interval Measurement Techniques
范晓东 刘光斌 刘 冬
(第二炮兵工程学院，陕西西安710025)
摘 要：时间间隔的测量是时频信号研究的基础，已经被越来越广泛的应用于科学试验和工程实践等各个领域，测量精度的提高是迫切需要解决的问题。本文介绍了脉冲计数法以及用于测量其原理误差的国内外常用精密时间间隔测量方法，分析了各自的优缺点以及误差，并指出其发展趋势，为新方法的研究提供参考。 关键词：时间间隔测量；模拟测时法；数字测时法；内插；误差来源
1 脉冲计数法智能药盒
脉冲计数法又称为粗计数法，是高分辨率测量的一
个基础方法，大多数测时方法都是以时钟计数法为基础
发展起来的，目的大都在于克服脉冲计数法的原理误差。
基本原理是在待测时间时间内用时钟脉冲进行填充，若时钟脉冲的周期为t0，填充脉冲个数为n0，则测得待测时间为t=n0t0，由于填充脉冲与待测时间边沿的相位关系有随机性，存在+1个字的计数误差Δt1和Δt2，则待测的实际时间间隔为:T=n0t0+Δt1-Δt2。
该方法测量范围广，容易实现并且节约成本，能够作到实时处理。但测量精度较低，主要取决于填充脉冲的频率，且存在计数误差。直接应用脉冲计数法进行测量的相对较少，在文献[1]采用了该方法，利用频率合成器产生112GH z高频稳定时钟信号，分辨率达0183ns。以下重点介绍国内外常用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精确测量，并且取得了非常好的效果。
误差来源:(1)由待测时间间隔与闸门的跳变沿不同步引起的+1个字误差，其大小取决于时钟脉冲的频率，可将脉冲计数法与其他测量方法相结合,Δt1和Δt2进行二次量化，提高分辨率;(2)触发误差。伴随输入信号而来的噪声和计数器内部产生的噪声，会使闸门提前或推后打开和关闭;(3)脉冲时钟带来的误差。脉冲时钟频率越低，则测量的精度越低；脉冲时钟的不稳定性也将造成误差。要减小该误差，只有提高脉冲时钟的性能，但同时会增加成本，带来电路板的布线、材料等方面的困难。2 模拟测时法
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1 时间延展法
时间延展法历史悠久，早在真空管时代就已经开始使用。该方法的实现有几种结构，最简单的一种是对电容大电流充电小电流放电来完成时间的放大。在时间放大技术中也使用到了积分技术，输入信号控制计数器的开始和积分器对基准电压进行积分，积分后的电压进行比较，结构框图如图1所示。所选取的基准电压U1< U2，经过一定时间后U C1=U C2，比较器反转，计数器停止计数。
图1 时间延展法结构框图
若起始电压值为0，则输出电压U C1,U C2可表示为
U C1=
1
R1C1∫
1
U1dt=
U1
R1C1
t,
U C2=
1
R2C2∫
1
U2dt=
U2
R2C2
t(1)当t=T时，两输出电压相等,U C1=U C2，则,
U2
R2C2
(T-Δt)=
U1
R1C1
T(2)若所选取两积分电路电容电阻相同，即R1=R2,C1 =C2，电压积分时间可表示为
T=
U2
(U2-U1)
Δt(3)由式(3)可见，只要选择合适的基准电压U1和U2，可将测量短时间间隔Δt转换为测量较长的时间间隔T。该结构对电源噪声、电容或者电流的非线形都很不敏感，因这些因素以相同方式影响两个支路，其影响得以抵消。
时间延展法测量精度较高，测量精度理论上可达皮秒量级。但其较大的死区时间，测量的实时性不好；属于模拟过程，在集成芯片中难以采用；受电压、温度变化的影响，模拟过程非线性不易控制。延展法主要代表是HP 公司的HP5306A型计数器，将短时间放大1000倍，分辨率达到011ns。另外一个比较经典的应用是日本KEK的
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范晓东等：精密时间测量技术
BE LLE 物理实验的T OP 系统，采用改进的基于时钟的时间放大原理，得到了25ps 的时间分辨率。
误差来源:(1)原理误差。时间延展法在本质上并非消除量化误差，而是在不增加计数时钟频率的情况下，扩大时间间隔，将误差减小若干倍;(2)非线形误差。时间的延展属于模拟过程，其非线性不易控制，存在不可预测的误差。该误差可通过线性补偿、分段线性补偿、或全段非线性补偿来提高测量精度;(3)随机误差，如时间抖动、时钟的相位噪声、温度电压变化等。212 时间—幅度转换法为克服了时间延展法转换时间过长、非线性不易控制等问题，改进后出现了时间—幅度转换法。在待测时间T 内用恒流源I 给电容C 充电,
电容两端的电压随时间以一定函数关系不断增大，将时间量转化为易测的电压量。待测时间停止时电容停止充电，将电容C 上的电压V 送到ADC 进行模数转换，再进行换算即可得出待测时间。其原理如图2所示。
图2 时间—幅度转换法原理图
该方法中A/D 转换时间远远小于延展法的放电时间，能减少其非线性。但在测量过程中结果以模拟量传递，受到干扰因素较多，抗干扰性不强。文献利用时间幅度转换法法得到20ps 的分辨率。SR620型通用时间计数器就是利用这种方法实现了最高达25ps 的分辨率。文献所研制的时间间隔测量仪采用电容充放电技术结合双通道A/D 转换器，计数器时钟频率为10MHZ ，测量分辨率达到了400ps 。
误差来源:(1)时间幅度转换也是利用电容充放电来实现，属于模拟过程，存在非线形误差;(2)恒流源的不稳定性带来的误差。提高恒流源的稳定度来减小该误差的出现;(3)A/D 转换的误差将导致电压测量值存在误差，从而影响时间测量的最后结果。3 数字测时法311 游标法
游标法因其工作原理类似于游标卡尺而得名，第一个纯数字的时间转换法就是游标法，它实际上是一种数字时间扩展法。用时间间隔的开始和结束信号分别开启
周期为T1和T2(略小于T1)的时钟信号，分辨率r =T 1
-
T 2。然后对这两个时钟分别计数，当重合电路检测到
这两个时钟信号相位重合时，计数器停止计数。若两个独立的计数器存储结果为n1和n2，忽略量化误差，测量结果为:
T =n 1T 1-n 2T 2=(n 1-n 2)T 1+n 2(T 1-T 2)=(n 1
-n 2)T 1+n 2r
(4)游标法分辨率较前几种方法有显著提高，但高分辨
率依赖于两个时钟信号稳定度与可靠性，对时钟性能的要求高。另外高精度的重合检测电路也是游标法中非常重要的部分，要求电路精度较高。文献[4]介绍了一种用游标法实现的芯片，能在31215MH z 下达到60ps 的分辨率;HP5370B 型时时间计数器是采用游标法测量的典型例子，其测量精度可达20ps ，是至今为止最好的商用时间间隔计数器。
误差来源:(1)对于时钟的要求比前面所提到的方法要高，因此时钟信号的精度也是误差的主要来源;(2)由于两个时钟信号的频率非常接近，如果相互之间不进行屏蔽，可能因为频率牵引而不能正常工作产生误差;(3)要实现高精度、高分辨率测量，重合检测电路的工作速度及准确度也应该保证，沿重合鉴别电路也是造成误差的原因。312 延迟线法 延迟线法分为抽头延迟线法与差分延迟线法，其本质是采用多个小延迟单元来精确量化短时间间隔。
最开始固定延迟线是利用同轴电缆来实现，随着半导体技术和大规模集成电路的发展，利用集成的延迟线，开发了多
种新的方法。这一领域第一个发明出现在80年代早期,
后来又使用锁相环P LL 和延迟锁定环D LL 技术来获取高稳定以及进行自校准时延。焙烧炉
(1)抽头延迟线法
抽头延迟法，也叫时延法。该方法的基本原理是用串联N 个具有相同时延的延迟单元构成的延迟链。“开始”脉冲通过延迟链传播，直到“停止”脉冲出现时停止，此时信号会停留在某个延时单元上，记录该延时单元的位置和信号己经通过的延时单元的个数K，则可以得出
所测时间间隔的长度T =K
τ。结构图如图3所示。图3 抽头延迟线法结构图
高压阻尼线关于抽头延迟线法，文献都应用了的该方法，并有较
为详细的介绍。文献用FPG A 实现的基本抽头延迟线的分辨率达到100ps 。HP5371A 型通用计数器采用该原理,
4
2
《计量与测试技术》2010年第37卷第9期
其分辨率达到200ps 。芬兰Oulu 大学提出了一种基于二
级延迟链插值法的测时法，大大提高了一级插值法的精度，分辨率达6ps ，测时量程为1ms 。
(2)差分延迟线法
为了得到更高的测量精度，在抽头延迟线法的基础上，进一步发展了差分延时线方法。差分延迟线法由两组单元延时有细微差别的延迟链构成，两个延时链的差值作为所能测量的最小时间间隔。其原理类似于游标法，被测时间间隔T 的“开始”和“停止”脉冲送入延迟分别为τ1和τ2的延迟链中,τ1略大于τ2。若两路信号在第n 个延迟单元重合，则T =n (τ1-τ2)。分辨率为τ=τ1-τ2。
结构如图4所示
轻质隔墙条板。图4 差分延迟线法结构原理图
Jozef K alisz 基于0165um 的C M OS 工艺的FPG A ，采用
逆熔丝结构。在FPG A 内部构建差分延迟线，分辨率为
(100-200)ps 。在0135umC M OS 中的精度时间间隔测量实现，可以达到204us 的测量范围,1212ps 的分辨率，通过对非线性的修正使得标准差测量的均方根达到811ps ，这是目前已知的使用延迟线法所获得的最高精度。
通过以上对抽头延迟线法和差分延迟线法的介绍，可以看出延迟线法的突出优点是结构简单，可实现单片集成，做成小体积、便携式测距仪。且可将时间直接转换为数字，转换时间短。缺点是测量精度受限于延迟单元的最小延迟时间，且延迟单元的延迟特性易受温度、电压等条件的干扰。
误差来源:(1)延迟线法分辨率取决于延迟单元的延迟时间τ，因此会产生小于τ的误差，可通过提高延迟单元性能，缩小延迟时间来减小误差;(2)各延迟单元的延迟时间不均匀性。矫正的方法有平均法τ(取最大和最小值的平均)和矢量法等，其中矢量矫正法效果更佳;(3)随机误差，温度或电压的变化将引起延迟特性的变化，产生误差。(4)时间抖动引起的误差，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。4 小结
脱模剂原料
通过上述分析，时间间隔测量方法的发展趋势为:
(1)大量程。随着电子技术的发展，人们使用高性能的电子计数器进行时间间隔的测量。可将计数器计数的范围设计得比较大，从而使时间测量量程扩大。
(2)高分辨率。由于计数器对时间测量精度的限制，人们提出了时间插值法，通过使用插值器对不同步部分时间的测量大大提高了分辨率。
(3)数字化。随着半导体技术的进步和数字电路技术的成熟，数字法越来越受到重视，且在实现上通常与内插扩展原理相结合，以实现微小时间间隔的精确测量。
(4)无间隔测量。在一些情况下，比如利用时间间隔测量仪实现对信号频率的测量时，需要对时间间隔实时连续的测量。
本文对传统的时间间隔测量技术方法作了简要介绍，介绍了脉冲计数法以及用于测量其原理误差的常用精密时间间隔测量方法，如：时间延展法、时间-幅度转换法、游标法和延时线方法，讨论了各测量方法的优缺点，并分析了误差的来源及克服的方法，总结了时间测量方法的发展趋势，为以后提出新的时间间隔测量技术提供基础并做了必要的准备。
参考文献
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作者简介：范晓东，男，在读研究生。工作单位：第二炮兵工程学院。通讯地址:710025陕西省西安市灞桥区第二炮兵工程学院303教研室。
刘光斌，刘冬，第二炮兵工程学院(西安710025)。收稿时间:2010-03-30
(上接第22页)
参考文献
[1]JJ G 376-2007《电导率仪》.[2]C M -230电导率仪使用说明书.
作者简介：周中木，男，工程师。工作单位：重庆市计量质量检测研究院。通讯地址:400020重庆市江北区建北三村17号。
梁志华，重庆市计量质量检测研究院(重庆400020)。收稿时间:2009-10-10
52范晓东等：精密时间测量技术
>氟塑料离心泵结构图
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