專利名稱：同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法。
背景技術：
近年來由于通訊、郵電、導航、航空航天、電子行業(yè)、儀器儀表、國防軍工、計量、電力故障檢測和天文等領域的技術發(fā)展的需求不斷增長，對于時鐘和同步相關技術的應用和技術水平和復雜度發(fā)展要求也大大增加。就時間量的處理，其關鍵之處在于時鐘(頻率源) 技術、時間信號的測量和處理方法、以及信號的傳遞等。設立在不同地方的時鐘之間的嚴格同步常常是實現(xiàn)準確地空間量測量、定位、導航以及故障位置確定的基本條件。在時鐘實現(xiàn)準確同步的條件下，從傳輸延遲信息中就能夠得到準確的空間或者長度信息。因此，如何實現(xiàn)更準確的時鐘同步，獲得對傳輸延遲(時間間隔)的高精度測量，將影響到大量的應用對象的功能實現(xiàn)。這方面的技術發(fā)展不但具有精度上的發(fā)展空間，而且也具有應用面的大大拓展的前景。有價值的技術將會影響到多個行業(yè)的發(fā)展并且?guī)砭薮蟮男б妗Ｄ壳?，傳統(tǒng)的高精度的時間間隔測量方法有基于模擬時間擴展的計數(shù)法、基于AD 變換器的模擬時間-幅度轉換法、基于沖激振蕩器的時間游標法、抽頭及差分延遲線法等。時間擴展計數(shù)法采用模擬內插技術使所測時間間隔相對大小縮小1000倍，使計數(shù)器的分辨力提高了三個量級，但存在士 1個計數(shù)誤差，轉換時間長，非線性度大，不常使用；時間-幅度轉換法利用現(xiàn)代高速ADC，結合離散器件可達到1 20ps的分辨率，若采用ASIC 替代離散器件且與ECL電路配合使用，可使精度達到10ps，但這種方法模擬部分難以集成， 非線性難以消除。SR620就是用該法實現(xiàn)了最高達20ps的測量分辨率；時間游標法是一種以時間測量為基礎的計數(shù)方法，類似于機械游標卡尺的原理，其測量關鍵在于能較為準確的測出整周期數(shù)外的零頭或尾數(shù)，以提高時間的分辨力和準確度，避免了士 1個計數(shù)誤差，但這種方法需要高穩(wěn)定度的可啟動振蕩器和高精度的重合檢測電路，制作調試技術難度大、造價高，且受抖動的影響，轉換時間長，制作工藝復雜；抽頭延遲線法是由一組延遲單元組成，理論上這組延遲單元傳播時延相等，而時間間隔的測量是通過關門信號對開門信號在延遲線中的傳播進行采樣實現(xiàn)的。這種方法分辨率較高，且實現(xiàn)線路簡單，易于集成在數(shù)字電路上，可與PLL或DLL配合實現(xiàn)高精度測量。商用HP5371A就采用該結構，其分辨率達到200ps，此結構若在FPGA中實現(xiàn)，其分辨率為IOOps ；差分延遲線法是在抽頭延遲線法的基礎上發(fā)展而來的，采用CMOS FPGA的差分延遲線法可以實現(xiàn)200ps的分辨率，43s的量程，有的還可以達到IOOps的分辨率，若采用0. 7微米CMOS工藝的ASIC，可以實現(xiàn)30ps的分辨率。這種測量方法分辨率最高，易于集成在數(shù)字電路上，但結構比抽頭延時線法復雜； 由此可見，傳統(tǒng)高精度的時間間隔測量方法雖然達到了皮秒級的測量分辨率，但明顯電路設計復雜而且價格昂貴。脈沖填充法，成本較低，但測量誤差還停留在納秒級，根本不能滿足如激光測距、粒子飛行探測等精密測量的要求。由此可見，近20年來，基于時間間隔尤其是短時間間隔的測量方法在原理上并沒有得到大的實破，只是由傳統(tǒng)的測量方法結合微電子技術的發(fā)展及生產工藝的改進使測量分辨率較以前有所提高，但精度欠佳。因此，尋求新的測量原理和測量方法是解決問題的關鍵。時間同步檢測技術中，對于非周期信號或者采用非周期時間測量技術的測量分辨率高于IOps是非常困難的。時間間隔的精密測量不但要保證測量的精度而且也必須從可靠性、設備的復雜程度等方面考慮，同時也要考慮到測量環(huán)節(jié)和對于各時間信號之間的間隔具有控制“閉環(huán)”的特征。一般的時間測量方法，測量范圍寬，但測量精度不高；而基于時——空轉換的長度游標法具有測量精度高，但測量范圍有限的特點。后者利用了時間信號在空間傳輸中產生的延遲的準確性和穩(wěn)定性，根據(jù)延遲的長度確定被測時間間隔，簡單、 易行、分辨率很高。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足提供一種同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法。一種同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法，采用具有不同分辨率的測量方法對被測時間間隔進行并行的分層次高精度測量，每層次的測量具有不同的測量范圍和測量精度，下一層測量總比上一層測量的測量分辨率和測量精度高，每一層測量都在CPU 的控制下進行，上一層測量結果輸入CPU，CPU根據(jù)該測量結果控制延時補償模塊確定延時量大小，在CPU控制下，延時量直接輸出到下一層測量，延時量輸出的同時，下一層測量開啟，同時上一層測量關閉。所述的同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法，所述具有不同分辨率的測量方法包括計數(shù)填充法、模擬內差法、游標法、量化時間延遲法、時間-數(shù)字轉換法、長度游標法。本發(fā)明采用分層次(包括粗測和精測)的時間測量方法，也就是采用時間——幅度轉換法作為粗測，而對于通過測量——控制調整使得兩個比對的Ipps信號之間的時間間隔小到一定程度(接近于同步)則采用精測的方法，即利用基于時一空轉換的長度游標法實現(xiàn)短時間間隔的精確測量。這樣，就時間同步測量、控制環(huán)節(jié)中分層次的時間測量方法來充分利用各種有缺陷的方法的優(yōu)點而避免了它們的缺點，實現(xiàn)時間信號的同步。對于導航衛(wèi)星系統(tǒng)中的Ipps信號，可先用一般方法對其進行粗測，其測量分辨率在1到幾ns ；當兩個比對的Ipps信號間的時間間隔通過測量和控制調整小于一定程度進入了精測方法的測量區(qū)域，再用基于時-空轉換的長度游標法進行精測。對于非周期信號其測量分辨率可以達到lps，最后將檢測結果反饋給控制電路，進行必要的時間同步校正，使得各路輸出的時間信號間的間隔進一步減小趨向準確的同步。如上所述，基于時一空轉換的長度游標法是將時間一空間關系與長度游標法相結合，利用信號在特定介質中的傳遞速度的高度準確性和穩(wěn)定性這一自然現(xiàn)象作為測量原理的。根據(jù)同軸電纜中的傳輸速度實驗，Ins的傳輸延遲是20厘米，Ips的傳輸延遲是0. 2毫米，結合相位重合檢測技術，通過對其長度量的精確控制達到時間測量的目的。使用這種分層次的時間測量方法，很好的解決了測量范圍和分辨率的問題，也充分利用時間信號傳遞的穩(wěn)定性達到了高分辨率的時間同步的控制。


圖1為分層次時間間隔測量方案；
圖2為時間_幅度轉換法的原理圖；(a)為轉換原理圖，(b)為轉換時間與電壓幅度的關系；圖3為基于延遲游標的高精度時間間隔測量系統(tǒng)。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明采用具有不同分辨率的測量方法對被測時間間隔進行并行的分層次高精度測量。每層次的測量都具有不同的測量范圍和測量精度，下一層測量總比上一層測量的測量分辨率和測量精度高。每一層測量都在CPU的控制下進行，上一層測量結果輸入CPU， CPU根據(jù)該測量結果控制延時補償模塊確定延時量大小，在CPU控制下，延時量直接輸出到下一層測量，延時量輸出的同時，下一層測量開啟，同時上一級測量關閉。比如若被測量時間間隔為24ps，第一層測量的分辨率為5ps，則有4ps不能被分辨，第一層測量結果應為 20ps，此時可延時20ps，則原被測時間間隔就變成了 4ps，而第二層的分辨率比第一層高， 比如3ps，則對第二層來說，被測時間間隔不是24ps而是4ps，第二層測量有Ips不能被分辨，繼續(xù)第三層，以此類推，直到達到同步要求為止。各測量環(huán)節(jié)的測量范圍逐級縮小，精度逐級提高。即對較長的被測時間間隔采用寬范圍的測量方法作為粗測，比如時間_幅度轉換法；然后通過控制、調整，使得兩個比對的Ipps信號之間的時間間隔小到一定程度(接近于同步)，再利用窄范圍、高精度的方法作為精測，比如延遲游標法。延遲游標的每一級延遲確定了該測量環(huán)節(jié)的精度。在高精度時頻測量領域，測量范圍和測量精度很難同時兼顧高指標。然而，利用分層次的測量方法，使高精度的時間間隔測量同時滿足了測量范圍和高精度的需求，很好的結合了時間_幅度轉換法、延遲游標法以及一些傳統(tǒng)測量方法的優(yōu)點。參考圖1，測量I模塊較測量II模塊是粗測，測量范圍較寬，分辨率相對較低，把測量I的結果送入CPU，CPU根據(jù)測量I模塊的結果去控制“延時補償模塊”以確定延時量 (大小)，同時關閉測量I模塊并開啟測量II模塊。兩個Ipps之間時間間隔=測量I模塊的結果+低于測量I模塊的一個分辨率。同樣測量II模塊較(下一級)測量III模塊，測量范圍較寬，分辨率相對較低，把測量II模塊的結果送入CPU，CPU根據(jù)測量II模塊的結果去控制“延時補償模塊”以確定延時量(大小)，同時關閉測量II模塊并開啟測量III模塊，此時兩個Ipps之間時間間隔最大是一個測量I的分辨率，并且等于測量II的結果加上測量II的分辨率。如果還有超過第三層次的測量，往后依次類推……，直到測量的分辨率滿足測量要求為止。也就是各測量環(huán)節(jié)的測量范圍逐級縮小，精度逐級提高。最終使兩個比對的Ipps信號之間的時間間隔小到一定程度(接近于同步)。并行的分層次測量方案的特點在于，能夠根據(jù)被測間隔前一級的測量值對其進行相應的延時補償，然后利用更高精度的下一級測量方法對補償后的被測間隔再進行下一級的精測。從而，分層次的高分辨率測量同時兼顧了高精度和范圍兩個方面。對于比較大的時間間隔，先進行粗測，由于測量范圍比較寬，此類方法對應的分辨率一般較低。然后對被測Ipps信號做延時補償，補償值取上一級測量結果的準確值部分，使調整后被測間隔落在下一級的測量范圍內，再利用具有較高測量分辨率的方法進行測量。最終顯示的測量結果的測量分辨率為測量環(huán)節(jié)中的最高分辨率。其中，延時補償單元為高精度的可編程延時單元，其精度不低于測量環(huán)節(jié)的最高精度，我們當前采用的是無源器件構成延遲鏈路。由微控制器根據(jù)測量環(huán)節(jié)的測量結果確定延時的大小。對被測Ipps信號延時后再輸入到下一級測量環(huán)節(jié)，CPU同時選通這一級測量單元關閉其他測量單元。這樣的測量方案使測量成為了閉環(huán)的結構，最終使得兩路Ipps信號同步在允許的誤差范圍內。為了兼顧高精度和測量范圍，多種時間間隔測量方法的合理結合對Ipps信號的比對和修正是非常適用的。到多少層應視測量要求(測量所要求達到的分辨率和精度)而定，但必須遵循的規(guī)律是下一層測量總比上一層測量的測量分辨率和測量精度高。每一層測量都必須在CPU的控制下進行。 這里可以并行采用的測量技術包括了計數(shù)填充法、模擬內差法、游標法、量化時間延遲法、 時間-數(shù)字轉換法、長度游標法等。視兩個Ipps信號之間的時間間隔大小，并根據(jù)各測量方法之間的測量范圍按測量范圍大小做并行順序排列。排列好后由CPU根據(jù)上一層測量結果自動進入下一層測量。無論系統(tǒng)需要多少層測量，但同時只能有其中一層測量在起作用， 這一級測量方法總比上一級測量范圍窄、測量分辨率高和測量精度高。以圖1為例，第一層測量采用直接計數(shù)法。其測量分辨率受到時鐘信號頻率、量化誤差等很大影響。也可以采用多周期同步測量方法或者相檢寬帶測量方法，同時采用較高頻率的參考時鐘(如100MHz)作為填充，能大大減小量化誤差，達到IOns以內的測量分辨率。第二層測量采用時間_幅度轉換法。時間_幅度轉換法由時間間隔擴展法改進而來，它克服了時間間隔擴展法(模擬內插法)轉換時間過長、非線性難以控制等問題。圖2 是時間_幅度轉換法的原理圖?？梢钥闯?，與時間間隔擴展法不同的是，時間_幅度轉換法的放電過程改成了具有復位電路的高速A/D轉換，大大地減少了轉換時間。Ua為參考電位， 即滿刻度電位。電容C在時間T。內充電至某一電位U。，再經過一定時間T進行AD轉換。利用被測時間間隔控制高速開關，也就是電容C在被測時間間隔內充電。合適的元件參數(shù)可以使電容電壓Uc與時間t呈線性關系。當t遠小于充電回路時常數(shù)時，Uc和t 便接近線性關系，從而將充電的時間間隔轉換成電壓量。對輸出電壓進行采樣后，通過AD 轉換得到的結果，再用直線擬合的方法計算出對應的時間間隔量。在實現(xiàn)過程中，不論哪種元件都存在一定的不確定度，而且運放也存在一定的失調電壓。這些因素的綜合影響，經過校準之后可消除。電壓轉換值與時間間隔間的對應關系需要通過相位差掃描的方法事先對應。這種方法可以達到150ps以內的測量分辨率。第三層測量以及后續(xù)的多重測量需采用其他具有更高分辨率的時間間隔測量法， 本方案采用可控延遲游標法。依靠信號傳輸延遲的高穩(wěn)定性和逐漸成熟的重合檢測技術， 在可控延遲游標法中把開門和關門信號分別送入兩個延遲通道，按照所要求的測量分辨率在傳輸介質上加入串行的可控延遲環(huán)節(jié)。兩通道上對應延遲環(huán)節(jié)的差值取決于所要求的測量分辨率。根據(jù)需要，構成串行延遲并且逐段對兩個相應延遲信號之間的重合狀況進行檢測，即采用延遲游標法的時間測量技術。這種測量方法用于短時間間隔測量方案如圖3所示。將這兩路信號輸入到如圖3所示的延遲游標法時間間隔測量系統(tǒng)中進行測量。每一級游標延遲時間由一組RC電路控制，現(xiàn)在設置在24ps。兩通道間由于走線不完全一致和器件差異所造成延遲差，也是通過RC進行調節(jié)。再進行測量前，需結合如前所述的時間間隔產生系統(tǒng)對測量系統(tǒng)進行校準，以保證每一級游標的對應分辨率的準確性。為了能夠確保被測時間間隔在此測量系統(tǒng)的測量范圍內，首先要保證被測間隔的大小。在結合微小時間間隔產生系統(tǒng)的基礎上，對所產生的時間間隔進行測量。實驗采用的D/A分辨率為12位，將IOMHz信號的一個周期進行212 ( = 4096)等分，所以設置的時間間隔分辨率為24. 4ps( = 100ns/212)。計算結果與測量結果如表1所示表1基于延遲游標的時間間隔測量數(shù)據(jù)
權利要求
1.一種同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法，其特征在于，采用具有不同分辨率的測量方法對被測時間間隔進行并行的分層次高精度測量；每層次的測量具有不同的測量范圍和測量精度，下一層測量總比上一層測量的測量分辨率和測量精度高，每一層測量都在CPU的控制下進行，上一層測量結果輸入CPU，CPU根據(jù)該測量結果控制延時補償模塊確定延時量大小，在CPU控制下，延時量直接輸出到下一層測量，延時量輸出的同時，下一層測量開啟，同時上一層測量關閉。
2.根據(jù)權利要求1所述的同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法，其特征在于，所述具有不同分辨率的測量方法包括計數(shù)填充法、模擬內差法、游標法、量化時間延遲法、時間-數(shù)字轉換法、長度游標法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同步時鐘技術中的多層次時間測量和控制方法，采用具有不同分辨率的測量方法對被測時間間隔進行并行的分層次高精度測量；每層次的測量具有不同的測量范圍和測量精度，下一層測量總比上一層測量的測量分辨率和測量精度高，每一層測量都在CPU的控制下進行，上一層測量結果輸入CPU，CPU根據(jù)該測量結果控制延時補償模塊確定延時量大小，在CPU控制下，延時量直接輸出到下一層測量，延時量輸出的同時，下一層測量開啟，同時上一層測量關閉。使用這種分層次的時間測量方法，很好的解決了測量范圍和分辨率的問題，也充分利用時間信號傳遞的穩(wěn)定性達到了高分辨率的時間同步的控制。
文檔編號G04F13/00GK102323739SQ20111027941
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權日2011年9月20日
發(fā)明者于建國, 任景英, 周渭, 安小宇, 崔光照, 師寶山, 張勛才, 方向前, 曹玲芝, 李小明, 杜保強, ?，? 王卓亞, 王延峰, 董紹鋒, 謝澤會, 路立平, 過金超, 魏平俊 申請人:鄭州輕工業(yè)學院