基于FPGA的时间间隔测量仪的设计 精品.docx

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毕业设计说明书

基于FPGA的时间间隔测量仪的设计

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2012年6月

摘要

随着科技的飞速发展，人们对高精度的时间频率的需求越来越高，传统可驯钟系统（自动校频系统）是模拟或半数字体制，其时差测量单元采用高精度时间间隔计数器，存在成本高、调试困难和不易建立模型等缺点。

微电子技术的发展，推动了可编程逻辑技术的发展，出现了价格低廉、适合工程应用的现场可编程逻辑器件（FPGA），因此采用FPGA实现高精度时间间隔测量具有很大的现实意义。

本文详细分析了几种传统时间间隔测量方法，深入研究了延迟单元在FPGA中的实现方法，并对事件延迟内插法、时钟延迟内插法、以及差分延迟内插法三种时间内插法的仿真验证，结果表明，基于差分延迟线测量的分辨率最高，消耗硬件资源最少。

在此基础之上，在Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N芯片中实现分辨率为43ps的差分延迟链，采用粗细结合测量的方案，设计了一个集成在FPGA内的高精度时间间隔测量模块。

设计主要包括四个部分：

系统时钟模块、粗测量单元、细测量单元、数据处理与数据传输模块，并在QuartusII开发环境下通过VerilogHDL语言对模块进行软件实现。

基于FPGA的时间间隔测量的精度达到200ps，具有高精度、集成度高、易于移植的特点，是一种较优的设计方案，有着很好的应用前景。

关键词：

FPGA，时间间隔测量，差分延迟内插法，延迟线

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thedemandofhigh-precisiontimeandfrequencyareincreasinglyhigher.ThetraditionalDisciplinedClockSystem（adaptivefrequencycalibrationsystem）adoptsanalogorsemi-digitalsystem,whichusehighprecisiontime-intervalcountermeasuretimepart.Butitexistsshortcomingsuchas:

highcost,largeimpactbyenvironmentalfactors.Developmentofmicroelectronicstechnology,andpromotethedevelopmentofprogrammablelogictechnology.Therehasbeenalowprice,suitableforengineeringapplicationsoffieldprogrammablegatearray（FPGA）.Soreachingprecisetime-intervalmeasurebasedonFPGAhasthegreatpracticalsignificance.

Thispaperanalysisthecommonlymethodsoftime-interval.Andtheeventdelayinterpolationmethod,theclockdelayinterpolationandtheinterpolationofthreedifferentialdelaytimeinterpolationsofthesimulationresultsshowthatthedifferentialdelaylinebasedonthehighestresolutionmeasurements,aminimumconsumptionofhardwareresources.Onthisbasis,Idesigntorealizinga43psdelaydifferenceofdifferentialdelaybasedonCycloneIIseriesofAlteras’EP2C8Q208C8Nchip.Anintegratedhigh-precisiontimeintervalmeasurementmodulebedesignedandembeddedinFPGA.Ideterminethespecificmeasurementfortimeinterval:

designbycrudeandfinemeasurement.Themainmodulesare:

Systemclockmodule,coarsemeasurementmodule,andfinemeasurementunits,dataprocessinganddatatransmissionmodules.FinallyusetheVerilogHDLsoftwaretosimulatetheentireprogramintheQuartus9.0.

TheFPGA-basedtimeintervalmeasurementaccuracyof200ps,withhighaccuracy,highintegration,easy-to-transplantcharacteristics.Itisabetterdesign,hasagoodapplicationprospects.

Keywords:

FPGA，Timeintervalmeasurement，Differentialdelayinterpolation，Delayline

1绪论

1.1研究背景与意义

现代科学技术的发展建立在精密测量基础之上，对时间间隔测量技术，尤其是对高精度高分辨率的时间间隔测量技术的研究具有重大的意义，无论是在通讯、电子仪器、导航定位、航天航空、天文，还是计量、电子技术等领域都离不开高精度的时间间隔测量[1]。

时间间隔测量以稳定的周期性运动为基础，以选定的标准周期倍数或分数为时间单位进行测量。

人类对时间间隔的测量经历了圭表、机械钟、石英钟、原子钟等不同阶段。

随着社会生产力的迅猛提高和科学技术的飞速发展，人们对时间由时间的基本单位导出的物理量——频率的准确度提出了越来越高的要求，即对时间间隔测量分辨率和精度的要求不断提高。

高精度短时间间隔测量是由多学科、多技术领域交叉形成的一门专业技术，是高精度超声波测距、激光脉冲测距和雷达测距的基础。

在激光测距中，主要是要测量电磁波的发射波与反射波之间时间间隔，来确定被测距离，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。

现在高精度时间间隔测量已成为军事通信、卫星定位等航空航天和国防军事中不可或缺的关键技术。

近年来，社会的高速发展对时间间隔测量的精度提出了更高的要求。

在可编程逻辑器件（FPGA）单片上实现时间间隔测量已有大量成功的例子，相对于传统的设计方法，应用FPGA技术除了具有测量的准确度高和设备的稳定性强等优点外，更有系统集成度高、简单灵活、体积小、易于升级扩展和成本低廉等优点，因此通过编程在FPGA中实现高精度时间间隔测量具有深远的意义。

时统设备是时间统一系统的重要组成部分，它向用户提供标准时间频率信号，所以时统设备的性能已关系到整个时间统一系统各点的时间频率同步精度和稳定性，同时也关系到终端用户获取的时间频率信号的准确性和稳定。

因此，时统对提高时统设备的定时、校频性能的研究具有重要意义，而可驯钟技术是时统设备实现定时校频功能的主要方法之一[2]。

典型的时统设备如图1.1所示。

图1.1典型时统设备原理图

频率标准是时统设备的心脏，由于对站间同步误差和时统设备守时能力的要求不断提高，对时统设备的频率标准要求也越来越高。

以往时统设备大多配置高稳定石英晶体频率标准，由于受准确度的限制以及需要较长的开机预热过程等问题影响，在高精度求场合，单一的石英晶体频率标准已不能满足要求，组合型频率标准应运而生。

组合型频率标准将不同性能优势的频率标准，采用电子电路组合成比单个频率标准性能指标更为优良的频率标准，即可驯钟技术。

例如，时统设备曾采用铷原子频率标准输出的标准频率信号锁定高短稳石英晶体频率标准，使其输出的信号既有高频率准确度，又有良好的短期频率稳定度。

组合型频率标准是在现有频率标准无法满足时统设备对标准频率信号指标的全面要求的情况下采用的，它可发挥参加组合不同频率标准在某个或者某些指标方面的优势，如石英晶体频率标准在秒以下的频率稳定度好、铯原子频率标准准确度高、氢原子频率标准10s以上的频率稳定度好等。

近年来出现了另一种组合形式，即将频率标准与精密校频接收机相结合，利用接收到的标准时间频率信号校准本地频率标准的频率，使本地频率保持较高的准确度。

这种组合形式的代表为：

GPS可驯石英晶振、GPS可驯铷钟。

众所周知，石英晶体频率校准由于受到晶体老化等因素的影响，输出频率有较大的老化率，重现性也较差。

铷原子频率标准的重现性是原子频率标准中的最差者，同时漂移率也是最大的。

组合型频率标准接收机接收GPS、GLONASS、我国的北斗、长波等标准时间频率信号，使本地频率标准的频率跟踪频率时间频率信号从而达到减小重现性、同时减少老化或漂移对频率标准的影响[3]。

GPS技术是目前使用广泛的技术之一。

GPS技术提供了一个在全球范围内将时间同步控制在几纳秒内的手段，运用GPS技术的优良特性来控制本地振荡器的可驯钟技术也得到了的深入研究和广泛的使用。

然而其它能提高精度时间频率源的系统（如俄罗斯的GLONASS、我国的北斗以及长坡等）都因时间间隔精度的原因没能得到广泛的应用，相信随着我国北斗系统的不断发展和完善、长波授时台的改造以及欧洲伽利略系统的建成，基于各种高精度时间频率源的可驯钟必将得到更深广的研究和应用。

图1.2为GPS可驯钟系统，它通过GPS接收机得到标准的1ps信号作为参考标准，将其与本地晶振产生的1ps信号同时输入高分辨率的时间间隔计数器，进而得到时差，再将这个时差值送入主控制器（通常是一个单片机）进行处理得到一个电压控制信号，将高压控制信号送给压控振荡器来控制本地晶振，通过这样的方式来改善本地晶振的输出。

图1.2GPS可驯钟系统

GPS可驯钟系统期望实现两个目标：

在GPS信号正常情况下，利用GPS信号提高本地晶振准确度和长期稳定度；同时在失去GPS信号情况下还能提高本地晶振保持能力。

达到这两个目的必须满足两个条件：

提高稳定性必须对晶振噪声建模，建模准确必须提高测量精度和分辨率。

对基于FPGA的时间间隔测量的研究，就是希望可以采用FPGA取代高分辨率时间间隔计数器，便于工程的应用。

基于FPGA的时间间隔测量必将大大促进可驯钟技术的应用发展，从而提高各类时统设备的应用范围[4]。

1.2国内外发展现状

随着科学技术的发展，精密时间测量数字化技术在自动检测设备、激光探测、医疗图形扫描、相位测量、频率测量等研究领域得到广泛应用。

美、日、欧等国家均对时间间隔测量技术作了大量研究，他们利用在集成电路即VLSI（VeryLargeScaleIntegrated）领域的优势，发展了大量成熟的精确测量时间间隔的技术，用IC方式实现了TDC（TimetoDigitalConverter）。

美国PTTI（PrecisionTimeandTimeInterval）年会决定每年对该专题进行讨论，美国国家科学院把它作为评估国家国防力量的重要标志之一，并把它列为国家须大力发展的科学技术之一。

相对来说，我国对这方面的技术研究还比较落后，一方面国外对VLSI技术控制严格，我国缺乏必要的技术交流和支持，完全是在空白的基础上进行研究；另一方面我国VLSI方面的研究起步比较晚，直到最近几年才相继有专家进行这方面的研究探索。

近几年来，可编程ASIC技术、CPLD和FPGA迅速发展，其中FPGA的发展尤为显著，Xilinx公司的Virtex芯片,Virtex-E芯片和Virtex-II芯片，Altera公司的FPGA系列芯片都已经达到了ASIC的工艺水平。

这些芯片具有很高的密度，可以在较高速的片上时钟下工作，例如Virtex-E系列芯片的片上时钟已经可以达到400MHz。

目前国外基于这种方法进行时间间隔测量的研究已较为成熟。

用FPGA实现间隔测量设计，在国外论文中有大量介绍，比较典型的设计有两种，一种是JozefKalisz,RyszardSzplet等人提出的设计,他们的设计采用的是QuickLogic公司的pASIC2系列FPGA。

该FPGA是基于0.65微米的CMOS工艺，采用逆熔丝结构。

在这系列FPGA的内部,构建差分延迟线（DifferentialDelayLine），得到LSB为100-200ps的系统。

另一中典型的设计方式是ZielinskiM和ChaberskiD等人提出的,他们主要采用XILINX公司的Virtex系列FPGAXCV300来实现[4]。

该FPGA是五层金属0.22微米CMOS工艺，采用基于RAM的结构。

该系统采用抽头延迟线法（TappedDelayLineMethod），取得100ps的LSB。

瑞典精密Pendulum公司，型号CNT-90，分辨率100ps；CNT-91，分辨率50ps。

德国ACAM公司研发的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1，可提供两通道250ps或单通道125ps分辨率的时间间隔测量，小量程测量范围为3ns~7.6μs，可用2个通道，大量程测量范围为60ns-200ms,ACAM公司的TDC系列是以用CMOS处理器实现的数字化传播时间的应用。

采用半导体过程，TDC实际分辨率在30ps-300ps之间。

在我国，基于FPGA实现的间隔测量设计也有了优秀的研究成果，刘莉利用FPGA设计的游标时间内插器测时分辨率可达到1ns[5]；周渭在频率和时间间隔测量方面做了非常深入的研究工作，在时间内插方面，采用量化时延技术获得了400ps的测时分辨率；辛明采用一定长度的导线作为延迟单元，用量化时延技术获取了lns的测时分辨率；中国科技大学的宋健、安琪等采用FPGA设计的时间内插器测量分辨率可达到100ps。

国产DL07-202电子测试仪，可在多种传感器的配合下测量导爆管、C4燃速和爆速等。

10MHz石英晶体振荡器，显示6位LED，时基精度10MHz+-30ppm，测量范围0-9999.9us，工作温度0-40摄氏度，相对湿度80%，计时分辨率0.1us。

下面再介绍下时间间隔测量的研究方法：

（1）传统的时间间隔测量方法包括：

1）直接计数法

直接计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。

直接计数法是基于脉冲的一种计数测量方法，又称为脉冲计数法。

计数法中的脉冲是指参考时钟信号，参考时钟信号是直接计数法测时的时间基准。

直接计数法的测量原理是基于同量纲物理量的比对，即用时基信号去填充被测时间间隔，通过对时基信号的脉冲计数来量化被测时间间隔。

优点：

原理简单，容易实现。

缺点：

精度只能达到ns级。

2）模拟内插法

将输入信号起始的触发脉冲与第一个计数脉冲之间的时间间隔和输入信号停止的触发脉冲与最后一个计数脉冲之间的时间间隔分别扩展1000倍，然后通过脉冲计数器测出单位周期的脉冲个数，并通过数据处理计数出实际时间间隔。

优点：

提高测试精度。

3）时间幅度转换法

在电子测量中，对一个物理量的测量，可以将该物理量转换为其它物理量，通过测量转换后的物理量间接测量原物理量。

在时间内插技术中，为了获取小于时基周期的测时分辨率，可先将时间间隔转换为其它模拟量，再转换为数字量，这种方法又称时间幅度转换技术。

即利用恒定的电流对电容进行充电，将时间转换为电压，然后采用高速的A/D进行转换，对该电压数字化并记录下当时的电压值。

整个充放电过程就是把微小时间间隔成倍数增大的过程，这种测量方法使用了RC等模拟电路，被称为模拟内插测时法。

由于充放电过程中电压随时间的变化率不同，这种测量方法又称双斜式时间内插，测量精度与充放电电容的稳定性有很大关系。

优点：

实现很高的测量分辨率，转换时间短，等于A/D转换的时间。

缺点：

转换的非线性误差比较大、制作工艺较复杂。

4）长度游标法

测量原理是依靠两个可启动振荡器来实现的，理论上能够同时实现高分辨率和大量程测量，但是由于设计上的困难，其分辨率往往只能在较短的时间内保持。

因此，长度游标法通常结合插值法来测量。

游标法测量的高分辨率是由两个可启动振荡器的高稳定度与高可靠性保证的。

优点：

高分辨率。

缺点：

不能适用于较长的时间间隔测量中。

5）量化时延法

利用器件本身的延时特性，使事件信号通过这一系列的延时单元，依靠延时单元的延时稳定性，并在计算机的控制下对延时单元的状态进行高速采集和数据处理，从而实现对短时间间隔的精确测量。

（2）改进的测量方法

等效脉冲计数法,是基于数字移相技术的脉冲计数法的一种改进方法。

通过锁相环对原始输入时钟信号CLK倍频和移相后得到CLK0、CLK1、CLK2、CLK3，4个时钟信号，频率相同，相位依次相差45°，用这四路时钟信号的上升沿驱动四个相同的计数器对时间间隔闸门信号gate进行计数，同时利用这四路时钟信号的下降沿驱动另四个相同的计数器对时间间隔闸门信号gate进行计数[6]。

1.3论文主要研究内容

本文在时间间隔测量的理论基础上，对时间延迟内插法展开研究，由仿真结果得出了差分延迟内插法的优越性，并在FPGA中实现了差分延迟，提出了集成于FPGA内的设计方案，在FPGA中实现了测量方案的模块化设计，最后进行了整个系统的实验测试。

测试结果表明：

设计的时间间隔测量模块的分辨率约为43ps，精度达到200ps。

本文创新点如下：

（1）提出了用FPGA实现精密时间间隔测量代替高精度时间间隔计数器。

（2）提出了通过FPGA实现了差分延迟内插法，得到差分延迟链的分辨率为43ps。

（3）设计了基于FPGA的时间间隔测量模块，最终设计的时间间隔测量模块的精度可达到200ps。

2时间间隔测量的基本原理及方法

测量是利用数学方法和物理手段获得被测量物以标准单位表示的数值的过程，是人类对自然界中客观事物取得定量认识的过程。

对物理量的直接测量，实际上是一个比对过程。

这个比对过程通常是将被测物理量和一个具有标称值的物理量进行比对，这两个物理量具有同一量纲，此时具有标称值的物理量起到的就是标尺的作用，测量的结果就是得到被测物理量与标尺的倍数关系。

时间间隔直接测量方法主要有直接计数法和延迟时间内插法，间接测量方法主要有时间电压变换（TDC）、游标时间内插法和脉冲宽度压缩时间内插法[7]。

2.1时间间隔测量的一般技术指标

2.1.1准确度

频率源的频率准确度，定义为它的时间频率值与其频率标称值或定义值的相对偏差。

当确定了一个频率源的准确度时，除初始频率标准外，都需要有一个可以作为“参考”的频率标准。

例如：

铷原子频标，高稳定度石英晶体振荡器等。

目前能够作为这种参考的频率源有：

铯束频标、氢激射器频标、无线电标准时间和频率广播信号，以及任何一个准确度已知的频率源。

测量一个频率源的准确度时，会受到以下因素影响：

（1）参考标准的准确度和稳定度。

（2）被测标准的稳定度。

（3）测量方法和测量设备。

鉴于以上因素的影响，在实际测量时，一般要求参考标准的准确度要比被测标准频率高一个数量级，设备测量误差要比被测标准准确度小一个数量级或少1/3。

本论文提出的设计中目标精度是百皮秒，采用的参考频标是原子钟输出的10M信号（精度10-11）。

2.1.2频率稳定度

频率稳定度是衡量频率源的一项最重要的指标，是频率源所给频率值不稳定成份的定量描述。

稳定度表示信号在给定时间段内频率偏差或时间偏差的统计特性估计，即频率偏差或相位偏差相对于平均频率偏差或平均相位偏差的波动。

其时域描述为：

单位时间间隔内频率平均值的随机起伏程度。

在统计学上用方差表示频率稳定度。

由于闪烁噪声对频率源的影响，经典方差在表征频率稳定度上有严重的缺陷，因此频率稳定度的数学表征目前一致采用的是Allan方差（阿仑方差）。

2.1.3分辨率

分辨率是衡量时间间隔测量的主要性能指标之一，是系统可以分辨的最小时间间隔的能量。

通常用LSB（LeastSignificantBit）表示。

2.1.4精度

精度又称为确定度，即实际测量结果的偏差，精度以下几部分组成：

（1）量化误差：

量化误差是系统在时间数字化过程中产生的误差。

（2）非线性：

由于模—数转换过程中恒流源的不稳定性和延迟线电长度的不均匀性，非线性必然存在。

（3）抖动：

器件内部噪声、外部时钟信号相位不稳定、电源纹波都会引起系统的抖动。

随着时间间隔测量精度要求的不断提高，抖动成为了主要的误差来源[8]。

2.2直接计数法

直接计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。

直接计数法是基于脉冲的一种计数测量方法，又称为脉冲计数法。

计数法中的脉冲是指参考时钟信号，参考时钟信号是直接计数法测时的时间基准。

直接计数法的测量原理是基于同量纲物理量的比对，即用时基信号去填充被测时间间隔，通过对时基信号的脉冲计数来量化被测时间间隔。

为了提高脉冲计数法的测时分辨率，需要提高时基信号的频率。

目前，获取高频的时基信号已经不是难题，将锁相环（PLL）技术结合高稳定度晶体振荡器就可以产生高稳定度的高频时基信号。

但时基频率提高给脉冲计数法中计数器的设计带来了新的挑战。

考核计数器速度的参数是最大计数频率，当计数器的时钟信号频率高于最大计数频率时，计数器将无法正常工作。

计数器的位宽限制了计数器的最大计数频率，随着位数的增多，计数器的最大计数频率呈现降低的趋势。

计数器的位宽决定脉冲计数法的测量范围（即量程），计数器的宽度每增加一位，测量范围就能够扩大一倍。

在采用脉冲计数法测量时间间隔的过程中，测量分辨率和量程之间存在矛盾[9]。

2.3时间内插法

在时间间隔的测量过程中，直接计数法的分辨率远远不能满足测量要求，人们不断探索的其它方法的过程中发现，时间内插方法是提高时间分辨率的有效方法。

时间内插是在低分辨时基的基础上，获取高精度的一种测时技术。

早期的时间内插是采用抽头同轴电缆来实现的，由于电缆体积太大，很难实现一致性很好的精确时间延迟，电缆延迟线逐渐被淘汰。

随着半导体工业的不断发展和技术的进步，出现了越来越多的时间内插方法，主要有：

模拟内插法、游标内插法，延迟内插法等[10]。

2.3.1内插基础

在时间内插技术中，延迟线技术最为基础。

在ASIC设计中，用基本的CMOS门作为时间内插单元，是一种最简单直接的方法。

现代CMOS工艺的门延迟在100ps的量级，因此时间测量的精度就可以提高到100ps量级。

时间内插的测量分辨率比时基周期小，如图2.1所示，T0是被测事件信号上升沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T1是事件信号下降沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T0和T1是时间内插的测量对象。

通过时间内插，可以将T0和T1这些小于时基周期的微小时间间隔进一步量化。

图2.1的下半部分是T0和T1的放大示意图，箭头代表进一步量化的刻度。

图2.1时间内插原理示意图

在一些情况下，时间内插测量对象是事件信号