时间频率信号精密测量计数器的设计与实现

李泽宁，温淑敏，何磊磊，隋朋洲

(内蒙古工业大学 理学院，内蒙古 呼和浩特010051)

时间频率信号精密测量计数器的设计与实现

李泽宁，温淑敏，何磊磊，隋朋洲

(内蒙古工业大学 理学院，内蒙古 呼和浩特010051)

在对时间频率信号计数器测量原理及测量误差分析的基础上，综合采用多周期同步法及时间-幅度转换方法，设计了LV-1606型通用频率计数器方案并完成了样机研制和指标测试。可以达到测量频率0.001 Hz～200 MHz,测量分辨率10位/s，时间测量20 ns～1 s，时间间隔测量分辨率60 ps，测量精度可达1 ns。该设计方法对测量仪器、深空通信、雷达测距、航空航天和导航定位等领域的精密时间频率信号测量具有借鉴意义。

时间间隔测量；FPGA；多周期同步；时间-幅度转换器

0 引言

时间频率信号精密测量是由多学科、多技术领域交叉形成的一门专业技术，该技术广泛应用在测量仪器、深空通信、雷达测距、航空航天和导航定位等领域。

常用的测量方法包括[1-5]：脉冲计数法、多周期同步法、时间延展法、时间-幅度转换法、游标法以及延迟线法等，但单独使用一种方法都难于实现宽频段高精度频率、时间测量。

本文根据工程要求，综合应用不同测量方法，设计了简单可行的高精度频率时间测量方案，并完成了样机研制和指标测试。

1 LV-1606型计数器总体设计

LV-1606计数器具有时间间隔、频率、脉冲宽度、上升/下降时间及周期等的测量能力。A/D采用AD7542电路满足测量分辨率要求，FPGA选用EP1C3T144C8N，MCU选用P1C24FJ128GA010，部分高速电路采用ECL器件。

在时间频率信号测量方法中，用常用的测量方法测量频率和周期时，测量低频信号频率的精度很低，都存在±1个字的基准计数时钟误差。多周期同步法是精度较高的一种，能在带宽范围内实现等精度测量，但仍然未解决±1个字的基准计数时钟误差，主要是因为预设闸门边沿与计数闸门边沿并不同步，如图1所示[7]。对预设闸门控制START脉冲和STOP脉冲进行周期同步后的基准计数时钟进行计数，利用被测信号周期对T同步，得到同步电路的输出STOP脉冲周期T准确地等于被测周期的整倍数[8]。采用时间-幅度转换法二次量化ΔT1和ΔT2误差信号，在MCU、FPGA归一化处理控制下，通过A/D将串行延时、并行计数，消除±1个字的基准计数时钟误差，提高精度。

将多周期同步法与时间幅度转换器方法相结合，能实现宽频范围内时间间隔的精密测量。

图1 计数器时间间隔测量波形图示

LV-1606型计数器主要由MCU、FPGA、倍频器、同步电路、时间-幅度转换器、显示器、程控接口等部分组成，如图2所示。采用多周期同步测量技术和时间-幅度转换技术，FPGA和MCU进行功能控制、测量时序控制、数据处理和结果显示。

图2 LV-1606型计数器原理框图

内部时钟频率为10 MHz。选择预设闸门控制时间START-STOP间为1 s，如图1所示。当START信号将闸门打开后寄存器即对基准计数时钟进行计数，到时间控制器STOP信号到来时将闸门关闭，将计数值n存入寄存器。同时再通过同步电路、时间-幅度控制器及MCU软件，实现时间数字转换，并分别测得ΔT1和ΔT2，通过计算得出时间频率间隔测量ΔT=ΔT1-ΔT2，被测信号闸门时间T=nTo+ΔT1-ΔT2。通过键盘控制信号参数运算，通过VFD显示相应参数值并由指示灯指示出来。

2 LV-1606计数器设计与实现

2.1 硬件设计

通过倍频器电路来实现对10 MHz时钟信号的倍频，得到FPGA所需要的20 MHz时钟信号，通过内部电路产生80 MHz时钟信号，时钟周期T=12.5 ns。用直接计数测频法，通过MCU产生的闸门，由FPGA计出被测信号触发事件的个数，并存储在寄存器中。由于计数闸门没有和信号同步，所以测量误差0～12.5 ns之间。

被测信号输入进LV-1606计数器后，首先需要进行50/1 MΩ和AC/DC的耦合处理以及衰减、低通滤波、限幅等的处理，进入高速比较器AD96687。由MCU控制D/A转换芯片AD7542来产生触发电平。

采用多周期同步技术，对时间和频率分别计数，并存储在寄存器中，通过同步电路、数字积分电路、时间-幅度转换器、FPGA和MCU软件实现时间-数字变换等高精度测量。时间基准周期为To，分辨率随着时间基准频率的增大而提高。

被测信号输入LV-1606型计数器，经过前端的放大整形电路后进入同步电路，被测信号与闸门严格同步后一部分进入计数电路计量出To；取出严格同步后闸门的START信号和STOP信号与时钟信号经处理得到ΔT1、ΔT2，ΔT1与ΔT2经过时间-幅度转换电路得以精确测量，最终得到高精度的被测时间T=nTo+ΔT1-ΔT2。时间-幅度转换是LV-1606计数器的核心技术，该部分的电路直接影响ΔT1和ΔT2的测量，也就直接关系到计数器的稳定性和测量准确性。

作为计数器追求测量精度，原理上只要取基准频率值足够大，测量精度也就高，如基准频率值为10 GHz，测量精度可达到100 ps。但实际计数器应用中，要考虑设计实现的性价比。且器件的计数速度远没有这么快。所以要提高测量精度不能通过无限制的提高基准频率。

采用模拟内插技术，扩展误差信号。2个中断子程序使被测信号的START和STOP边沿被激活，启动2个计数器开始分别计数，完成误差ΔT测量。

通过预置闸门，得到计数闸门前沿、后沿都与被测信号经过2次同步，得到一个与被测信号完全同步的闸门，如图3所示[11]。

图3 同步电路原理图

在被测时间间隔ΔT很小时，后级时间—幅度变换器中电流的切换速率、充放电起点和终点的非线性使变换器性能急剧恶化。因此，把Start-to-Clock的脉冲宽度扩展为T+ΔT，即12.5～25 ns，有利于消除起点和终点死区和零区非线性。Q(ΔT)端输出即为被测的时间间隔Start-to-Clock。

利用触发电平就是通过电路处理输入及MCU归一化处理的待触发信号，找到其中间电位。

这样就取出了ΔT1时间间隔。同理，结束脉冲的信号经过相同的电路后，也可取出ΔT2时间间隔，这样为下一步做积分电路提供了需要的脉冲。

经过上述的电路，系统已经取到了短时间间隔ΔT1和ΔT2的脉冲信号Start_ck和Stop_ck。将2个脉冲信号转变为电压信号，可以使用积分电路实现。

通过一个积分电路可得到与时间成线性关系的电压信号，该信号被放大电路放大为取值范围为0～3.3 V的电压信号，该信号要转换为数字信号，需经过采样、采样-保持、量化编码。

在LV-1606型计数器采样-保持电路中，误差数字积分电路电平变换输出，经A/D转换器AD7875KN变换，MCU采集到AD7578数字电压信号，量化和归一化编码后，将其再由AD7542输出，得到一个比较稳定的触发电平。A/D转换器为12位，有212=4 096 bit，输入电压为0～5 V，设计电压范围为0～3.3 V，占AD7875KN的3.3/5的变化范围，即 4 096*3.3/5≈2 703。时间-数字变换器的理论分辨率为12.5 ns/2 703 ≈ 4.6 ps/bit。

2.2 软件设计

在LV-1606计数器整机控制程序存储在PIC16位单片机中，程序主要实现工作流程控制、数值运算等功能，包括整机的初始化、硬件计数控制、闸门控制、显示控制、计数运算、译码等部分，软件流程图如图4所示[12]。

图4 LV-1606计数器整机软件流程图

2.3 影响性能的因素分析

由于计数器的测量精度受到许多因素的影响，因此，在计数器设计时需要特别注意以下几个方面：

① 电源纹波干扰。因为高速测量单元的测量偏差与电源电压密切相关，在芯片额定电压范围内，纹波小于15 mV，电压越高，偏差越小，采用恒流源差动放大电路作为主体电路，接收整形级输出的脉冲信号，对脉冲信号幅度与电平进行精密调理，保证 50 Ω输出阻抗下 3.3 V幅度脉冲输出要求。因此本方案在电路设计时配置了稳压模块和电源滤波模块。

② 时钟的稳定性和准确性带来的误差。参考时钟(10 MHz)稳定性和准确性直接反映基准计数时钟(80 MHz)稳定性和准确性，影响对微小时间间隔的测量结果。建议参考时钟的稳定性应优于10-9。

③ 待测时间扩展的非线性误差。采用扩展1 000倍量化时钟对放电时间进行计时，扩展倍数即为分辨率提高的倍数，通过归一化处理，减少非线性对测量数据的影响[2]。

④ 高速器件的上升/下降时间对测量精度的影响较大，上升/下降时间越小，其测量精度越高，应尽量减小待测信号的上升/下降时间。本计数器采用ECL器件，上升/下降时间较小。

⑤ A/D变换启动的即时性同步性和量化产生误差。选用参考电压较小、分辨率较高的A/D器件。

⑥ 系统布局布线应考虑尽量减少传输线之间的寄生电容。在布局时PCB采用独立的“电源层”和“地层”，时间频率信号传输单独走层，其上下层都布放“地层”，起到一定的屏蔽和减少寄生电容效果。

3 测试数据与结果

通过E4421B、HP33250A输出信号对时间间隔精密测量指标进行测试，计数器多组测试和测试数据的分析得出，该计数器的测量误差在设计允许范围内，其测量频率、测量时间范围数据分别如表1、表2所示，主要性能指标能满足时间间隔测量要求。

表1 闸门1 s时，频率测量实际值对比

标准值实测值(闸门1s)0.001Hz0.00123Hz0.01Hz0.010034Hz1Hz0.999986Hz100Hz99.999993Hz1MHz1000000.002Hz100MHz100000000.1Hz200MHz200000000.5Hz

表2 测量时间间隔实际值对比

标准值实测值20ns19.865ns1μs1.000648μs1ms1.00000079ms1s1.000000000s

表3 多组时间间隔标准偏差

测量组数标准偏差结果/ps147254349450

由实验结果可以看出，LV-1606计数器频率测量范围0.001 Hz～200 MHz,测量分辨率10位/s，时间测量范围20 ns～1 s，时间间隔测量分辨率优于60 ps，测量精度可达1 ns。

4 结束语

文中介绍的时间间隔精密测量方法,结构简单,易于实现宽频带频率、时间间隔的高精度测量,性价比高，对于同类产品设计具有借鉴意义。

[1] 张延,黄佩诚.高精度时间间隔测量技术与方法[J].天文学进展,2006,24(1):1-15.

[2] 孙杰,潘继飞.高精度时间间隔测量方法综述[J].计算机测量与控制,2007,15(2):145-148.

[3] 张雪平.单片机多周期同步法提高测频准确度[J].电子测量技术,2004(3):50-51.

[4] 王文川,韩焱,张丕状.基于时间-数字转换的精密时差测量系统设计[J].现代电子技术，2009(4):29-31.

[5] 杨鸿武,张策,陆晓燕,等.一种改进式TAC的高精度时间间隔测量系统的实现[J].计算机测量与控制,2015,23(12):4008-4012.

[6] 施邵华,李孝辉,张慧君.基于TDC-GPX的多通道时间间隔测量系统设计[J].仪器仪表学报，2009(10)：252-256.

[7] 范晓东,刘光斌.精密时间间隔测量系统方案设计[J].无线电工程,2010(9):55-57.

[8] 吴劲松.时间间隔测量技术研究与应用[J].通信技术,2011(4):184-186.

[9] 车震平.一种高精度、大量程时间间隔计数器的设计[J].核电子学与探测技术,2011,31(6):598-600.

[11] 张一鸣.基于FPGA的数字频率计原理设计与实现[J].电子世界,2015(10):69-72.

[12] 端木琼，刘常杰.基于FPGA 的高分辨率时间数位转换器设计[J].现代科学仪器，2008(5):33-35.

[13] 王淑青,吴作健.基于单片机高精度测频方法的研究[J].湖北工业大学学报(自然科学版),2005,20(4):35-48.

DesignandImplementationofTime-FrequencySignalPrecisionMeasurementCounter

LI Ze-ning,WEN Shu-min,HE Lei-lei,SUI Peng-zhou

(College of Science,Inner Mongolia University of Technology,Inner Mongolia Hohhot 010051,China)

Based on an analysis on the measurement principle and measurement error of time-frequency signal counter,the LV-1606 general frequency counter is designed by a combination of multi-period synchronization method and time-amplitude conversion (TAC) method,and the prototype development and specifications test are completed.The measurement frequency range is 0.001 Hz～200 MHz,the measurement resolution is 10 bit/s,the time range is 20 ns～1 s,the time interval measurement resolution is 60 ps,the measurement precision can be up to 1 ns.The design method provides a good reference for the precise time-frequency signal measurement in the fields of measurement instruments,deep space communications,radar ranging,aerospace and satellite navigation,etc.

time interval measurement;FPGA;multi-period synchronization;time-amplitude conversion

TN911.7

A

1003-3114(2017)06-97-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.23

李泽宁,温淑敏,何磊磊,等.时间频率信号精密测量计数器的设计与实现[J].无线电通信技术,2017,43(6):97-100.

[LI Zening,WEN Shumin,HE Leilei,et al.Design and Implementation of Time-Frequency Signal Precision Measurement Counter[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):97-100.]

2017-07-20

内蒙古工业大学“大学生科技实验计划” 项目

李泽宁(1996—)，男，本科在读，主要研究方向：智能检测技术与控制。温淑敏(1970—)，女，博士，副教授，主要方向：半导体材料及半导体异质结构的光电性能的理论及实验研究。