【word】 一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

【word】 一种基于电容充放电的时间间隔测量方法 一种基于电容充放电的时间间隔测量方法 己口I1年I1月 第]口卷第lI期_ 于电容充放电的时间间隔测量方法 张延锋许少衡 (1.华南理工大学电气信息与控制国家级实验教学示范中心广州510641;2.华南理工大学电力学院广州510641) 摘要:针对当前时间间隔测量方法中存在的问题,提出了脉冲计数法与时间一电压转换法结合的时间间隔测量新方法.通过 电容充放电分别测量脉冲计数法中小于一个时钟周期的前后时隙,克服了传统时间间隔测量方法的测量原理误差,提高了测 时精度,其测时的精度理论上可达皮秒量级.具有了脉冲计数法的测时长度和时间一电压转换法的测时精度,比常见的模拟时 间内插法等具有更小的测时盲区. 关键词:时间间隔测量;电容充放电;测量精度;时间常数 中图分类号:TM935文献标识码:A Amethodoftimeintervalmeasurement basedoncapacitorcharginganddischarging ZhangTingfengXuShaoheng. (1.NationalExperimentteachingDemonstrationcenterofEletricInformatio nandcontrol,Guangzhou510641,China; 2.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China) Abstract:Aimedattheshortcomingoftheexistingintimeintervalmeasurementmethods,anovelmethodoftimeinterval measurementbycombiningwiththepulsecountingmethodandtime—to—v oltageconversionisproposed.Thetimeinterval whichlessthanoneclockcycleswascaculatedbyusingtheprincipleofcapacitorcharginganddischarging.Thismethod completelyeliminatestraditionalmethods’principleerrorandimprovethemeasurementprecision.Thetheoreticalmeas— urementprecisioncouldbeashighasseveralpicoseconds.Thismethodhasasamemeasurementrangethanthepulse countingmethodandthesamemeasurementprecisionthantime—tO—volta geconversion,asmallerblindregionofranging thanthatoftheanalogtimeinterpolation. Keywords:timeintervalmeasurement;capacitorcharginganddischarging;measurementaccuracy;timeconstant 0引言 时间间隔测量技术在通信,雷达,卫星及导航定位等 领域都有着非常广泛的作用.因此,如何高精度测量出时 间间隔是测量领域一直关注的问题.当前广泛应用的 时间间隔测量方法是脉冲计数法及相关的扩展方法,如模 拟内插法,延迟线内插法等,这类方法最大的缺点是无法 完全克服测量原理误差.此外,测量范围与测量精度的矛 盾,测量精度与测量实时性的矛盾也限制了这些方法的 使用. 本文研究一种电容充放电与脉冲计数法相结合的时 问间隔测量方法,该方法可以完全克服原理误差对时间间 隔测量精度的影响,其测量精度只与A/D转换器的位数 有关,且测量范围大;实时性好. 收稿日期:2011-8—5 — 3O一 1时间间隔测量方法 当前,时间间隔测量所采用的测量方法多以脉冲计数 法为基础.脉冲计数法是采用频率稳定的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 时钟信号 对被测时间间隔进行量化,通过对量化时钟计数来测量时 间间隔的方法.其测量原理如图1所示. 量化 时钟 中国科技核心期刊 『’]===皿 图1脉冲计数法测量时间间隔原理 己口I1年I1月 一第]口卷第1J期 量化时钟频率为,对应的周期To一1/fo,在待测 脉冲上升沿启动计数器计数,下一个待测脉冲上升沿结束 计数,计数器得到的脉冲为,则由脉冲计数法求得待测 脉冲时间间隔T为: Tx—nT.(1) 脉冲计数法测量范围广,容易实现并且节约成本,能 够作到实时处理.缺点是测量精度低,如图1所示,实际 的待测时间间隔应为: Tx=nTo+T1一T2(2) 比较式(1),式(2)可得脉冲计数法的测量误差为 AT=T,T,其最大值为一个量化时钟周期T.,产生的 原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿不同步,且待测 时间间隔并非量化时钟周期的整数倍.该误差称为脉冲 计数法的原理误差.假如量化时钟的频率为1OMHz,则 由原理误差引起的最大测量误差为?Tm…Tol/fo 100ns,这对于许多测量过程,如激光测距等是远远不能 达到测量精度要求的.要减少原理误差,最直接的方法就 是提高量化时钟频率以缩小量化时钟周期T.,但频率的 提高是有限度的,它受到诸如成本等各种因素的制约,因 为频率越高对器件,电路的要求越高.除了原理误差之 外,量化时钟的不稳定度?/是另外一个误差因素, 该误差称为时标误差,大小为Tz??To/T.,可以看出待 测脉冲间隔T越大,时标误差越大,时标误差可以采用高 稳定度的时钟来克服,比如铷原子频率标准. 由于脉冲计数法在时间间隔测量中具有实现容易,测 时范围广等突出优点,目前,高精度时间间隔测量方法主 要是在脉冲计数法的基础上,对量化误差T1和T进行再 次测量,以克服原理误差的影响.常见的方法主要有模拟 内插法?,数字内插法,延迟线内插法,游标法,这 几种时间间隔测量方法首先是对T和T.进行扩展,然后 重新计数.这些方法受到电子计数法的束缚,只是减小而 不能完全克服原理误差,且存在较大的测量盲区.此外还 有时间一电压转换法_8,时间一相位转换法.等.时间一电 压转换法采用恒流源对电容充电,测量精度容易受充电电 流非线性影响;时间一相位转换法在正弦波9O.与270.处, 存在微分过零点,些许的采样误差将会导致很大的相位提 取误差_】. 2基于电容充放电的时间间隔测量方法 电容充放电测量时间间隔的方法属于时间,电压转换 法的一种,是利用电容的充放电电压与充放电时间的函数 关系,通过精确测量电容上的电压,计算出电容充放电的 时间,在脉冲计数法的基础上,实现对量化误差丁和丁2 的再次测量.其原理如图2所示,主要由恒压源,RC回 路,电子开关,隔离放大器,以及A/D变换器组成. 当如图l所示的待测脉冲上升沿到来时,计数器闸门 打开,开始对量化时钟计数.同时,电子开关S由1切换 到2 图3 图2电容充放电的时间间隔测量原理 当第一个量化时钟上升沿到来时,A/D转换器通过 隔离放大器对电容电压进行采样量化,则由式(3)可得 到电容充电的时间(T)为: T1一t一一RCIn(1一Vc/vs)(4) 随着电容充电的进行,电容电压趋近于.当下一 个待测脉冲上升沿到来时,计数器闸门关闭,停止对量化 时钟计数,获得量化时钟个数.则计数时间可由式(1)得 到.同时,电子开关S由2切换到1,电容C通过电阻R放 电,电容电压如图3所示由开始下降,其变化规律如 式(5): V()一V一(5) 当下一个量化时钟上升沿到来时,A/D转换器通过 隔离放大器对电容电压进行采样量化,则由式(6)可得 到电容放电的时间(T)为: T2=t—RCln(Vs/Vc)(6) 由式(4),(6)可见,通过测量电容充放电过程的电压, 可以在脉冲计数法的基础上,对量化误差T和T.进行再 次测量.则式(1)可用式(7) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示: Tx—nT.一RCln(1一Vc1/vs)+RCln(Vc2/vs)(7) 通过后续微处理器对式(7)进行运算处理,实现对时 间间隔的高精度测量. 广]厂 nnnn…衄1 个:I: 电容电压:,,——,一一一一一一———: 图3时间间隔测量中电容的电压变化曲线 3时间常数RC的选取 图4为不同时间常数RC电路充电过程的时间一电压 曲线图,从图可以看出,电容在充电开始时电压的变化率 最大,充电结束时电压的变化率最小,为了保证A/D变换 器具有较高的分辨率,必须保证电容在充电结束时仍具有 较大的电压变化率.由于电容充放电时间T,T最长为 中国科技核心期刊 方法薯薯 周期,在量化时钟周期确定后,电容电压 间常数RC决定.图4为3种不同时间常 曲线.从图4可见,时间常数如果太小,如 图4中曲线1所示,显然在充电时间较长(如1To)的情况 下,在充电结束时会比曲线2的电压变化率低;而时间常 数选择得太大,就会如图4中曲线3所示,同样比曲线2 的电压变化率低.因此,需要找到一个如图4中曲线2所 对应的时间常数. 图43种不同时间常数对应的充电 为了找到最佳的RC值,可在丁0点求式(3)对RC的导 数,得式(8): 一 麦一L(8) 式(8)导数取得最大值时RC值即为最佳的RC值. 要求式(8)在RC变化过程中的最大值,也就是求其导数 为0时的RC值.对式(8)求导并令其等于0,可得式(9): rf-+]一o(9) 由式(9)解得:RC一0.5L.因此,对于一个确定的量 化时钟周期,需要选择一个合适的电容电阻组合,使其时 间常数为量化时钟周期的一半,即可实现时间测量的最大 精度. 电容放电曲线的分析与取值与充电曲线一致. 4测量精度分析 从式(7)可以看出,该时间间隔测量方法完全克服了 脉冲计数法的测量原理误差,与测量精度相关的因素有 计数器输出,l,量化时钟周期T0,充放电电阻电容RC,恒 压源V,电容充放电电压,.等.电路设计中应当针 对影响测量精度的因素采取相应的措施,其中计数器输出 不会有计数误差.对于量化时钟周期丁0,当前常规的铷原 子频率标准的稳定度已经达到了1O的量级,对于如 10ms待测量范围,由频率稳定度导致的时间测量误差仅 为0.1ps,因此,基准频率稳定度对时间间隔测量精度的 影响可以忽略.的测量误差主要来自电压采样的时 延,隔离放大器的性能以及A/D转换器的量化误差.电 一 32, 己口l1年I1月 第3口卷第1I期一 容充放电最大时间t…=1To,为了充分利用A/D转换器 资源,通过隔离放大器,使V=V..则由A/D转换器引 起的最大量化误差为?T:T./2,m为A/D转换器位数, 设量化时钟频率一10MHz,则一100ns,A/D转换 器为14位,则?丁=To/Z一7ps.其他影响测量精度的因 数有恒压源的稳定性,电容电阻的精度,电容器的漏电,隔 离放大器的性能以及充放电开关的开关延迟等,因此,电路 设计时应选用高稳定度的恒压源,精密且高温度稳定性,低 泄漏的电容电阻,具有高的输人阻抗,高共模抑制比和低失 调电压及温度漂移的隔离放大器以及快速电子开关. 5结束语 本文提出的基于电容充放电的时间间隔测量方法,完 全克服了电子计数法原理误差对测量精度的影响,并且保 持了脉冲计数法测量范围大,能够完成实时测量的优点. 同时,由于分别采用电容的充放电测量时间间隔的前后时 隙,比模拟内插法及其它时间一电压转换法具有更小的测 量盲区.且电路简单,容易实现.通过分析,其理论测时 精度可达ps级,可以应用于高精度时间间隔测量系统. 参考文献 中国科技核心期刊 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. 杨志强,宋跃.一种高精度时间间隔计数器的校准方 法EJ].国外电子测量技术,2009,28(5):31—34. 李树洲,史丰丰,张小朋,等.皮秒级时间间隔测量精 度检定方法的研究[J].电子测量与仪器,2010, 24(6):21-27. 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(下转第35页) ]]]]]]]]]l=fI!I 己口I1年ff月 第]D卷第1I期 在该系统中,BITE设备状态监控采用灰,绿,黄,红4 种颜色表示系统各设备的4种状态,分别是:未连接,正 常,故障1和故障2.故障1是指设备故障,但能继续工 作,或设备性能下降,可以降功能使用,维护系统正常丁 作;故障2是指设备故障,无法继续工作或者性能下降到 不能维持系统正常工作. 在BITE设备中,故障检测率与虚警率是衡量BIT系 统的最重要的技术指标,两者相辅相成,互相牵制,目 前在我们已应用的BIT系统中,BITE更注重的是设备的 自检测功能,而对于系统中故障的处理和决策,检测中存 在的虚警等并没有提出更多更高的要求,因此,BITE设备 在功能,性能等方面还存在完善和改进的空间. 3结束语 伴随着装备技术的发展,可靠性,可维修性和武器装 备的作战性能都是战斗力的重要组成部分,在舰炮武器系 统中,可靠性与可维修性是战斗力的根本保证,BIT技术 的应用已从最初的雷达系统逐渐地扩大应用到了全系统 中的各个设备,保证了全系统稳定可靠运行,提高了系统 故障诊断精确性,显着地缩短诊断时间,降低维修保障成 本和对维修人员的技能要求,从而提高装备的完好率,对 武器装备的发展具有重要的作用. 参考文献 [1] [2] [3] [4] 刘震,林辉.多电飞机电源系统智能机内测试诊断技 术研究[J].兵工,2007,28(11):1157—1361. 王宁,姬宪法,路通.边界扫描的BIT在某新型机载雷 达中的应用EJ].火力与指挥控制,2008,33(4):11l一 114,13O. DREER,Y0UNGN.RoleofBITinsupportsystem maintenanceandavailability[J].IEEEA&Esystem magazine,2004(8):482—483. 蔡金燕,肖小峰,梁玉英,等.电子设备智能监测与诊 誊薯理论与方法 断技术综述[J].测试技术,2005,19(2):204—208. [5]刘正升,蒋志忠,杨日杰.测试领域新技术的发展及 应用[J].国外电子测量技术,2009,28(1):21—24. [6]赵月琴.发射装置发控系统的测试性设计与实现[J]. 航空兵器,2007(5):26—29. 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