短时间测量实验装置的设计分析

贾广华

（江苏省精创电气股份有限公司，江苏徐州，221116）

1 时间测量技术分析

1.1 直接计数法

直流计数法是现阶段短时间测量中最为简单的一种测量方法，通过起始信号进行计数，并且在停止信号到来之际，停止计数。为了测量这一段时间间隔，需要将计数器的数值与不同计数器时间周期相乘，从而得出这一段时间的准确数值。在实际测量中，需要技术人员对于直接计数法的误差进行分析，从而进一步提高计时的准确性。为此，在该方法使用中，需要提高基准时钟频率，从而降低实验误差。如果在实验装置设计中选择直接计数法，需要对该计数器的工作频率进行合理选择，确保实验装置数据能够正常计数。

1.2 时间内插法

时间内插法的使用主要是依靠集成电路与FPGA技术，在使用中，结合时钟相移与延迟链等内容，对短时间测量装置进行分析，对于测量短时间有着重要应用。目前在市场上已经存在适合短时间测量的芯片，能够完成短时间测量工作。例如：ACAM公司的TDC芯片主要使用了时间内插法的相关理论，在实验阶段，能够将时间控制在一定范围内，提高时间内插法的精度。其主要使用原理，是依靠FPGA内部的加法器来进行测量，当起始信号到来时，该设备能够将进位信号进行传递，主要依靠FPGA设备的延迟链延迟时间来对短时间进行测量。这种技术的优势能够提高实际测量精度，但是该技术的使用会受到外界环境的影响，在使用时需要技术人员对于延迟时间进行校准。

1.3 游标法

游标法的使用类似于长度测量中的游标卡尺工作方式，在使用阶段，需要使用振荡器，只有在触发信号开始时才会对振荡器信号进行测量。目前，游标法的使用主要是使用两种振荡器，两种振荡周期存在差别，一般情况下，第二种振荡器的周期应该小于第一种振荡器周期，并且在短时间进行测量之前，将两者之间的差值进行详细记录。在测量短时间时，需要使用两个不同的计数器对于振荡器的数值进行记录，游标法的使用原理，主要是与两个振荡周期的差值有关，如果两者间隔越短，则表明该试验结果精确度较高。在本次短时间测量实验装置设计中，主要选择使用该方法，技术人员主要对振荡器精度与相位进行分析，从而提高实验装置精度。

2 短时间测量实验装置设计

2.1 游标型模块设计

在短时间测量中，技术人员选择游标法来对短时间的间隔进行测量，在实验装置设计中，需要技术人员使用振荡器、计数器与鉴相器等电子设备，共同完成实验测量装置。现阶段振荡器的使用频率能够被技术人员进行调整，将两个不同的振荡器频率进行有效设计，从而提高短时间测量工作精度。

游标型模块设计工作主要依靠两个他激振荡器、一个鉴相器、两个计数器与数据处理模块组成，该装置的使用，类似于游标卡尺的使用方法，在使用阶段，需要将电路中产生的数据及时输入数据处理模块，便于对这些数据进行有效处理。在游标型模块设计中，他激振荡器是该装置的核心，在短时间测量时，主要依靠两个振荡器之间的差值，如果两个他激振荡器的周期差较小，短时间测量装置的精确度越高。但在实际应用中，会受到FPGA处理器速度的影响。因此，在设置两个他激振荡器工作频率时，应该符合游标型模块的FPGA处理性能，避免工作频率太高，造成整体设备的运行受到较大限制。

同时，在游标型模块设计工作中，重视对内部延迟链的构造工作，进一步提高整体数据质量。由于编译器内部单元会存在较多的延迟单元，这些延迟单元分散在不同区域，在游标型模块设计中，由于这些数据链分散在各处需要技术人员使用级联链或者其他方式将这些编译器连接在一起，便于该设备能够正常使用。

2.2 实验装置自检模块设计

现阶段实验中，重视自检模块的设计工作。由于短时间测量装置的精度较高，在日常工作中，应该重视设备的自检工作，及时发现整体设备的不足。在对短时间测量装置设计中，技术人员通常会使用分频法与计数法两种方式，对于短时间测量装置进行分析。由于FPGA内部布线存在差异，在日常使用中，这些测量的数据存在较大的变动。为了更为精确测量短时间的具体数值，通过自检模块数据处理，对相关参数进行校正。在该模块设计中，其主要原理图如图1所示。

图1 自检模块图

由于游标法测量短时间需要对他激振荡器的周期进行分析，短时间测量结果公式为：t=N1T1-N2T2。为了获得更加准确的计算结果，在使用阶段，需要对该振荡频率进行标定。该模块在使用中，需要对两个分频器进行分析，通过对振荡器两个信号进行分频，并且将其输出到测试单元的输出引脚上，从而提高测量工作质量。通过分频器的处理，能够降低外界因数的影响，消除电路噪声。目前，在实际测量中，自检模块的使用，能够将他激振荡器的周期进行扩大，便于数据处理模块能够进行直接测量。

在自检模块设计中，计数法的使用能够与分频法相互合作，进一步提高自检工作质量。在实际使用中，能够消除TDC设备产生的周期计误差，能够提高测量结果的准确性，将实验误差控制在一定范围内。

2.3 实验装置成形模块设计

在对短时间进行测量时，需要技术人员将成形模块作为现阶段工作的重点，主要使用甄别器，将两个脉冲进行有效结合，从而正确测量实验结果精度。该设备的使用，发挥游标法测量短时间的优势，测量两个脉冲之间的间隔，有效利用成形模块的重要作用，在短时间开始与结束信号期间对两个不同他激振荡器的频率间隔时间进行分析，如果两者的时间间隔过大，需要该设备及时产生复位信号，避免错误的试验结果影响到测量工作，造成测量结果与实际值存在较大的差距。成形模块的使用，主要是对两个连续的脉冲进行分析，合理计算现阶段数值。

2.4 其他模块设计

为了发挥该实验装置的作用，在日常工作中，应该重视其他配套设备的使用，从而在得到开始与结束信号期间，能够对两个不同周期的振荡器工作情况进行标定。在正常模式下，需要对逻辑控制单元进行隔离设计，确保他激振荡器能够正确测量短时间间隔，在后续模块的辅助下，能够将实验结果数据有效输出。该装置的使用，需要通过数据帧的格式将测量结果有效输出，由USB接口模块将数据传输到计算机上，从而提高测量结果。

3 短时间测量实验系统测试

3.1 振荡器振荡周期测试

目前，短时间测量实验装置的使用，需要对两种不同的振荡器数据进行分析，在TDC测量装置使用中，对两种振荡周期进行测量，确保该实验装置处于正常状态。在测量振荡器的周期时，需要技术人员使用两种不同的方法来测量振荡器的周期。由于该设备模块设计中，添加了自检模块，实验人员能够结合该模块的使用，用于推算振荡周期，判断该设备能够符合实际测量结果的需求。

在本次实验中，主要使用512倍分频进行输出，将振荡周期扩大512倍，并且通过数据处理模块，将该数值用于计算，结合PLL产生的基准，从而提高测量工作质量。根据该试验可以得出，振荡器周期由4.274us扩大到4.278us，随着时间的推移，该振荡周期会缓慢增大，在20分钟后会恢复成为稳定值。

通过对振荡器的周期测量，可以发现两个振荡器周期的增加情况存在相似之处，并且随着时间的推移，两者保持较高的同步性。在试验中，技术人员对两者的稳定值进行分析，可以发现两者存在23ps的周期差。

3.2 线性度与精度测试

为了进一步提高实际测量结果，需要技术人员对于TDC设备的线性度与精度进行详细测量。在试验中，技术人员使用信号发生器，将时间间隔稳定在一定数值。技术人员使用游标型TDC设备对该数值进行测量，能够提高测量工作质量。在对该设备线性度与精度进行测量时，将信号发生器设置为100ns，并且将不同的试验结果进行记录，使用数据分析方法，对于这些数值进行计算，通过计算这些测量结果的平均值与标准差，能够对试验结果进行拟合，从而完成该测试工作，对该设备的性能进行科学评判。在该实验中，可以发现该测量结果之间最大差值为0.124ns，所有的测量数据的平均值小于实际时间，结合数据分析方法，对于该设备的精度进行测量。目前，该设备的使用，能够在测量短时间过程中，将实际测量误差控制在3ns以内。

3.3 实验结果汇总

该设备的使用，不仅需要对内部组成进行科学分析，还应该重视对设备的测量工作。由于短时间测量需要较高的精确度，任何一项偏差将会造成试验结果存在较大差距，造成该设备的使用存在较大的不足。

在对该设备进行系统测试阶段，通过实际测量数据对该设备的试验结果进行分析，将差值控制在一定范围内。目前，结合对设备的测量数据，可以将误差控制在3ns以内。并且随着时间的推移，技术人员为了降低累计误差，提出了可行性处理方案，避免累计误差过大，造成实验结果存在较大误差。游标型短时间测量装置的使用，能够提高测量精度。虽然现阶段FPGA应用中存在一定的不足，但是技术人员加强整体设计，能够克服FPGA使用中出现的问题，从而提高测量工作质量。