[發(fā)明專利]同步時鐘技術(shù)中的多層次時間測量和控制方法

有效

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• 申請日: 2011-09-20
• 公開（公告）號: CN102323739A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜保強;周渭;崔光照;安小宇;董紹鋒;張勛才;于建國;魏平俊;方向前;曹玲芝;師寶山;路立平;過金超;謝澤會;任景英;李小明;王卓亞;牛瑩;王延峰
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)學(xué)院
• 主分類號: G04F13/00
• 分類號: G04F13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及同步時鐘技術(shù)中的多層次時間測量和控制方法。

背景技術(shù)

近年來由于通訊、郵電、導(dǎo)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(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展的需求不斷增長，對于時鐘和同步相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和技術(shù)水平和復(fù)雜度發(fā)展要求也大大增加。就時間量的處理，其關(guān)鍵之處在于時鐘(頻率源)技術(shù)、時間信號的測量和處理方法、以及信號的傳遞等。設(shè)立在不同地方的時鐘之間的嚴(yán)格同步常常是實現(xiàn)準(zhǔn)確地空間量測量、定位、導(dǎo)航以及故障位置確定的基本條件。在時鐘實現(xiàn)準(zhǔn)確同步的條件下，從傳輸延遲信息中就能夠得到準(zhǔn)確的空間或者長度信息。因此，如何實現(xiàn)更準(zhǔn)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(yīng)用對象的功能實現(xiàn)。這方面的技術(shù)發(fā)展不但具有精度上的發(fā)展空間，而且也具有應(yīng)用面的大大拓展的前景。有價值的技術(shù)將會影響到多個行業(yè)的發(fā)展并且?guī)砭薮蟮男б妗?/p>

目前，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(zhuǎn)換法、基于沖激振蕩器的時間游標(biāo)法、抽頭及差分延遲線法等。時間擴展計數(shù)法采用模擬內(nèi)插技術(shù)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±1個計數(shù)誤差，轉(zhuǎn)換時間長，非線性度大，不常使用；時間-幅度轉(zhuǎn)換法利用現(xiàn)代高速ADC，結(jié)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(biāo)法是一種以時間測量為基礎(chǔ)的計數(shù)方法，類似于機械游標(biāo)卡尺的原理，其測量關(guān)鍵在于能較為準(zhǔn)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(zhǔn)確度，避免了±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(diào)試技術(shù)難度大、造價高，且受抖動的影響，轉(zhuǎn)換時間長，制作工藝復(fù)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(guān)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(jié)構(gòu)，其分辨率達到200ps，此結(jié)構(gòu)若在FPGA中實現(xiàn)，其分辨率為100ps；差分延遲線法是在抽頭延遲線法的基礎(chǔ)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100ps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(jié)構(gòu)比抽頭延時線法復(fù)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(shè)計復(fù)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(jié)合微電子技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)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(guān)鍵。

時間同步檢測技術(shù)中，對于非周期信號或者采用非周期時間測量技術(shù)的測量分辨率高于10ps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(shè)備的復(fù)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(zhuǎn)換的長度游標(biāo)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(chǎn)生的延遲的準(zhǔn)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(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種同步時鐘技術(shù)中的多層次時間測量和控制方法。

一種同步時鐘技術(shù)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(jié)果輸入CPU，CPU根據(jù)該測量結(jié)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(guān)閉。