基于FPGA的时间间隔测量仪的设计说明

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1、毕业设计说明书基于FPGA的时间间隔测量仪的设计学生： 学号： 学 院：专 业：指导教师：2012年 6 月35 / 41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，并对事件延迟插法、时钟延

2、迟插法、以与差分延迟插法三种时间插法的仿真验证，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 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。

3、关键词：FPGA，时间间隔测量，差分延迟插法，延迟线ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,thedemandofhigh-precision timeand frequencyareincreasingly higher.The traditional Disciplined Clock System (adaptive frequency calibration system) adopts analog or semi-digital system,which use high precisiontime-interva

4、lcountermeasuretimepart.But it exists shortcoming such as:high cost,largeimpactbyenvironmentalfactors.Developmentofmicroelectronicstechnology,and promotethedevelopmentofprogrammablelogictechnology.Therehas been a low price, suitableforengineeringapplications offieldprogrammablegatearray(FPGA).Soreac

5、hing precise time-interval measure based on FPGAhas the great practical significance.This paper analysis the commonly methods of time-interval. And the event delay interpolation method,the clock delay interpolation and the interpolation of three differential delaytimeinterpolationsofthesimulationres

6、ultsshowthatthedifferentialdelaylinebased onthehighestresolutionmeasurements,aminimum consumptionofhardwareresources.On thisbasis,Idesigntorealizinga43psdelaydifferenceofdifferentialdelaybasedonCyclone IIseriesofAlterasEP2C8Q208C8N chip.Anintegratedhigh-precisiontimeinterval measurement module be de

7、signed and embedded in FPGA.I determine the specific measurementfortimeinterval:design bycrudeandfinemeasurement.Themainmodulesare:System clockmodule,coarsemeasurementmodule,andfinemeasurementunits,data processinganddatatransmissionmodules.FinallyusetheVerilogHDL softwaretosimulate the entire progra

8、min the Quartus9.0.TheFPGA-basedtimeintervalmeasurementaccuracyof200ps,withhighaccuracy,highintegration,easy-to-transplantcharacteristics.Itisabetterdesign,has a good application prospects.Key words:FPGA，Time interval measurement，Differential delay interpolation ， Delay line目录1.1研究背景与意义11.2国外发展现状31.

9、3论文主要研究容62 时间间隔测量的基本原理与方法82.1时间间隔测量的一般技术指标82.1.1准确度82.1.2频率稳定度82.1.3分辨率92.1.4精度92.2直接计数法92.3时间插法102.3.1插基础102.3.2模拟插法102.3.3游标插法112.3.4延迟插法122.3.5差分延迟插法133 基于FPGA的时间插法的研究143.1可编程逻辑器件简述143.1.1 FPGA 的发展153.1.2 FPGA 的结构与工作原理153.1.3FPGA设计基础163.2基于FPGA的延迟时间插法193.2.1 延迟单元分析193.2.2延迟时间插测量分析214总体设计254.1实现方案

10、254.2主要模块设计与实现254.2.1 系统时钟产生模块264.2.2测量模块274.2.3 数据处理模块294.2.4数据存储模块304.2.5通信模块304.2.6显示模块315 结论33参考文献34致361 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

11、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

12、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

13、 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与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

14、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

15、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围将时间同步控制在几纳秒的手段，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、我国的北斗以与长坡等)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与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

16、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1.2 GPS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

17、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围4。1.2国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( Very Large Scale Integrated)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( Time to D

18、igital Converter)。美国PTTI(Precision Time and Time Interval)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,Vi

19、rtex-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Jozef Kalisz,Ryszard Szplet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的部,构建差分延迟线(

20、Differential DelayLine)，得到LSB为100-200ps 的系统。另一中典型的设计方式是Zielinski M 和 Chaberski D等人提出的,他们主要采用XILINX公司的Virtex系列FPGA XCV300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(Tapped Delay Line Method)，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

21、通道 125ps分辨率的时间间隔测量，小量程测量围为3ns7.6s，可用2个通道，大量程测量围为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，莉利用 FPGA 设计的游标时间插器测时分辨率可达到1ns5；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FP

22、GA设计的时间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

23、，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

24、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

25、短的时间保持。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，频率一样，相位依次相差45，用这四路时钟信号的上

26、升沿驱动四个一样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一样的计数器对时间间隔闸门信号gate进行计数6。1.3论文主要研究容本文在时间间隔测量的理论基础上，对时间延迟插法展开研究，由仿真结果得出了差分延迟插法的优越性，并在 FPGA 中实现了差分延迟，提出了集成于FPGA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

27、现了差分延迟插法，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与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插法，间接测量方法主要有时间电压变换(T

28、DC)、游标时间插法和脉冲宽度压缩时间插法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，以与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

29、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

30、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(Least Significant Bit)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

31、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，计数器将无常工作。计数器

32、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围(即量程)，计数器的宽度每增加一位，测量围就能够扩大一倍。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，时间插方法是提高时间分辨率的有效方法。时间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

33、的进步，出现了越来越多的时间插方法，主要有：模拟插法、游标插法，延迟插法等10。2.3.1插基础在时间插技术中，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是时间插的测量对象。通过时间插，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

34、头代表进一步量化的刻度。图2.1时间插原理示意图在一些情况下，时间插测量对象是事件信号上升沿与前面时基上升沿之间的时间间隔，时基信号周期是已知的固定值时，就算对两种不同测量对象进行测量也可以达到同样的插效果。2.3.2模拟插法在电子测量中，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。综合诸多电子元器件的特性，可以发现电容与时间的关系较为密切。式2.1是一个RC充放电电路中电容两端电压的表达式。V(t)=V0(1e-t/R

35、C) （2.1）式2.1中充放电电压V(t)是时间的函数，式2.1将被测微小时间间隔和电压变量建立了映射关系，通过对电压精确测量可以间接测量微小时间间隔，电压的精确测量又可以转换为对另一个较长的时间间隔测量。在具体电路实现中，采用两个标准恒流源，两个电流源的电流值相差很大，分别作为充放电电流，通过电容充放电过程实现微小时间间隔测量。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插，测量精度与充放电电容的稳定性有很大关系。2.3.3游标插法游标插测时的方法来源于游标卡尺工

36、作原理，在游标插的方法中使用两个频率相差很小的时钟，一个作为主时钟，另一个为从时钟即游标时钟。游标法的测量原理(如图2.2游标法测量原理示意图)是依靠两个可启动振荡器来实现的，在时间间隔的开始时刻开启一个周期为T1的振荡器，在结束时刻开启另一个周期为T2的振荡器，而且T1稍大T2。然后对这两个振荡器分别计数，直到这两个振荡器输出的频率信号相位重合。此时周期为T1的振荡器计数表示的时间和周期为T2的振荡器计数表示的时间之差就是被测的时间间隔信号。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，但是在对较长时间的时间间隔测量中，这种方法比较实现。图2.2游标法测量原理示意图理论

37、上游标法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保持。因此，游标法通常结合插值法来测量，与模拟插法和时间幅度转换法类似，先利用直接计数器进行粗测，然后再采用游标法进行高分辨率测量。游标法优点在于能准确地测出少于一个延迟单元的时间，使得测量精度得以提高。但随着测量精度的提高，使用的器件数量将增多，测量误差将增大。测量精度主要依赖于延迟链的稳定度，测量围有限。2.3.4延迟插法延迟时间插技术，也称时钟移相法。所谓移相是指对于两路同频信号T，以其中一路为参考信号，另一路相对于该参考信号做超前或滞后的移动形成相位差。时钟移相有许多种方法，其中数字移相可采用延

38、迟实现，用延迟时间的长短来决定两个时钟信号间的相位差。在数字移相的具体电路中，如果延迟时间选择合适，采用多少级延迟，就可以有多少个同频时钟。如果这些延迟单元的延迟相等，并且延迟总和等于时钟周期T，那么测量分辨率就等于延迟单元的延迟，每个延迟单元输出信号与输入信号同频，在相位上延迟了2/T，触发器为记录装置，Qi(0iN )为锁存输出，触发器输出为温度计(thermometer)码。图2.4中的开始信号为事件信号，结束信号为时基信号。这种插技术转换率较高，适用于实时测量系统。延迟时间插技术是通过延迟单元，将一个时钟周期的时间间隔进一步量化，这种延迟插技术又为量化时延法。图 2.3延迟插技术示意图

39、延迟单元的延迟特性决定了插测量的分辨率。在延迟插技术中，由许多延迟相等的延迟单元级联在一起形成一个延迟链。由于时间具有单向流逝的特点，人们很难将逝去的时间间隔无失真地进行再现。延迟插技术就是通过延迟单元滞延了被测时间间隔的流逝过程，通过延迟链中位于不同空间位置的延迟单元来表征时间间隔的细微量化。从某种意义上讲，延迟插技术是通过空间来换取时间的一种技术手段。目前，延迟插技术是提高测时分辨率的主要技术，是如今国外微电子和电子测量领域的研究热点，研究方向主要有延迟单元的设计工艺、延迟单元延迟的非均匀性评估与非均匀性的补偿和误差修正等。2.3.5差分延迟插法差分延迟插法将被测量时间间隔的开始信号和停止

40、信号分别通过两路延迟链，其中开始信号通过的延迟链中每个延迟单元的量化延迟时间应略大于停止信号通过的延迟链中每个延迟单元的量化延迟时间。由于这个原因，两路信号经过各自的量化延迟电路过程中，在某一时刻会出现理论上的重合点C。根据发生重合时所经过的延迟级数可以计算出被测量的时间间隔。差分延迟线结构是由两组延迟单元构成，其中一组延迟单元的延迟时间为1，另一组延迟单元的延迟时间为2，每一对延迟单元之间搭配一个触发器。与基本延迟线结构一样，延迟单元是电平触发，而触发器是边沿触发。采用这种差分延迟线结构，最终系统分辨率为：=12 (2.2)其中1略大于2。采用差分延迟得到的输出结果，与基本延迟线结构的结果一

41、样，是一个类似于温度计结构的输出，即一连串1后加一连串0，在1和0跳变时说明出现重合点。3 基于FPGA的时间插法的研究微电子技术的飞速发展，给时间间隔测量带来了新的革命，尤其是可编程逻辑设计技术的出现。国外学者利用可编程逻辑设计技术，不断的改进测量方法，使对时间间隔的测量朝着高速率高精度的方向发展。基于延迟时间插的时间间隔测量法在可编程逻辑设计的基础上得到了很好的实现和应用，近年来，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，同时，可编程逻辑器件(FPGA)与ASIC相比，具有开发周期短，灵活性强的特点，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1

42、1。3.1可编程逻辑器件简述随着微电子设计技术与工艺的迅猛发展，创造了数字化时代，数字集成电路不断的自我更新，它由电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路(VLSIC)逐步发展到今天的有特定功能的专用集成电路(ASIC)。ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是ASIC因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，这种灵活的方法可以根据需要，在实验室就能设计，可以随时更改大规模数字逻辑，随时研制自己的ASIC并马上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的思想。可编程逻辑器件

43、随着微电子制造工艺的发展取得了很大的进步。今天的可编程逻辑器件已经发展为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程器件(CPLD)和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。新一代的FPGA 甚至集成了中央处理器(CPU)或(DSP)核，在一片FPGA上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统(SOPC，SystemOn Programmable Chip)提供了强大的硬件支持12。现场可编程门阵列(FPGA)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现，让方便快捷的实现时间间隔测量成为可能。基于TDC的高精度时间间隔测量方法，就是利用信号在介质中传输稳定这一特点进行设计的。这种方法在时频测控领域

44、有着广泛的用途，可应用于激光定位系统、数字集成电路动态参数的检测装置等高精度测量。基于TDC的高精度时间间隔测量系统与其它时频测量系统相比具有电路结构简单、运算量少、体积小等优点。3.1.1 FPGA 的发展可编程逻辑器件是大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合计算机软件可以快速、方便地构建数字系统。广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。早期的可编程逻辑器件主要包括可编程只读存贮器(PROM、紫外线可擦除只读存贮 器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简

45、 单的数字逻辑功能。随后，出现了一种结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件 (PLD)，它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了开发成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计带来了革命性的变化。目前常用的可编程逻辑器件主要有简单的 逻辑阵列(PAL/GAL)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)等三大类13。本论文采用的是FPGA芯片。3.1.2 FPGA 的结构与工作原理FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔线(Anti-Fuse)工艺14。FPGA的基本组成部分有可编

46、程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和嵌专用硬核等，如图3.1所示。图3.1 简化的FPGA 结构原理图本论文选取的是Altera公司的FPGA芯片，因此下面主要以Altera公司的FPGA芯片为例介绍FPGA的基本结构和工作原理。3.1.3FPGA设计基础(1) 开发平台本文时间间隔测量的研究是基于Altera公司的FPGA，使用的开发软件QuartusII是Altera公司开发的综合性PLD开发软件15，这款软件不但支持MAX器件和MAX II系列CPLD，也支持最新的FPGA器件，如Cyclone，Cyclone II，Cyclone I

47、II和Stratix等大规模FPGA器件。Altera公司于2009年发布的QuartusII9.0全面支持Altera的收发器FPGA和HardCopyASIC系列产品，可以完成AlteraCPLD、FPGA和HardCopyASIC全系列产品的开发。最新版支持Altera新近发布的StratixIVGT和ArriaIIGXFPGA。包含LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第二方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第二方EDA工具。另外，Quartus II通过和DSPBuilder工具与

48、Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统。支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台16。(2) FPGA的开发语言目前，国外硬件描述语言的种类十分繁多，各大EDA公司、科研单位甚至高等学校都拥有自己的硬件描述语言。在这些硬件描述语言中，有些硬件描述语言已经成为IEEE标准，但是大多数的硬件描述语言还仅仅是一种工业标准。目前在我国广泛应用的硬件描述语言主要有：ABEL语言、AHDL语言、VerilogHDL语言和VHDL语言，其中VerilogHDL语言和VHDL语言最为流行。Des

49、ign VerilogHDL语言最早是由GDA公司设计师PhilMoorby在1983年开发出来的。PhilMoorby成功设计了Verilog-XL仿真器并于1986年提出了快速门级仿真的XL算法，这使得Verilog HDL语言变得更加丰富和完善。1989年，Candence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言从此成为Candence公司EDA设计环境中的硬件描述语言。1990年，Candence公司公开发表了Verilog HDL语言，并且成立LVI组织以促使Verilog HDL语言成为IEEE标准17，即IEEE Standard 1364-1995。由于Verilog

50、HDL语言从C语言发展而来的，因而它的应用也十分广泛。Gateway Design Automation 公司后来被 Cadence Design Systems于1990年所购并。现在Cadence对于Gateway公司的Verilog 和Verilog-XL模拟器拥有全部的财产权。VHDL的全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuit HardwareDescription Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076(简称87版)之后，各EDA公司相

51、继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口18。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的应用，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对 VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，(简称93版)。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言19。有专家认为，在新的世纪中，VHDL与Verilog 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL发展的较早，语法严格，

52、而Verilog HDL是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。在本系统的FPGA设计中采用的是Verilog-HDL硬件描述语言。(3)FPGA的设计流程一般来说，完整的FPGA 设计流程包括电路设计输入(Design Entry)、功能仿真、综合优化、综合后仿真、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤20。设计输入电路设计输入是指通过某些规的描述方式，将工程师电路构思输入给EDA工具。常用的设计输入方法有硬件描述语言(HDL)和原理图设计输入方法等。其中使用最为广泛的HDL语言是VHDL和Verilog HDL。功能仿真电路设计完成后，要用专用工具对设计进行功能仿

53、真，验证电路功能是否符合设计要求。功能仿真有时候也被称为前仿真。通过仿真能与时发现设计中的错误，加快设计速度，提高设计的可靠性。综合优化综合优化(Synthesize)是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，RAM，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接(网表)，并根据目标与要求(约束条件)优化所生成的逻辑连接。综合后仿真综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，做综合后仿真。在仿真时，把综合生成的标准延迟文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延迟带来的影响。实现与布局布线综合结果的本质是一些由与、或、非门，触发器，RAM等基本逻辑单元组成的逻辑网表，与芯片实际的配置情况还有较大

54、差距。此时应该使用FPGA厂商提供的软件工具，根据所选芯片的型号，将综合输出的网表适配到具体FPGA器件上，这个过程就叫做实现。在实现过程中最主要的过程是布局布线(PAR，Place And Route)所谓布局是指将逻辑网表中的硬件原语或者底层单元合理地适配到FPGA结构部的固有硬件结构上。所谓布线是指根据布局的拓扑结构，利用FPGA部的各种连线资源，合理的连接各个单元的过程。时序仿真与验证将布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫做时序仿真或者布局布线后仿真，简称后仿真。布局布线之后生成的仿真时延文件包含的时延信息最全，不仅包含门时延，还包含实际布线时延，所以布线后仿真最准确

55、，能较好的反应芯片的实际工作情况。三个不同阶段仿真的区别：功能仿真的主要且的在于验证语言设计的电路结构和功能是否和设计意图相符；综合后仿真的主要且的在于验证综合后的电路结构是否与设计意图相符，是否存在歧义综合结果；布局布线后仿真，即时序仿真的主要且的在于验证是否存在时序违规。有时为了保证设计的可靠性，在时序仿真后还要做一些验证。板级仿真与验证在有些高速设计情况下还需要使用第二方的板级验证工具进行仿真和验证。调试与加载配置设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试。示波器和逻辑分析仪(LA,LogicAnalyzer)是逻辑设计的主要调试工具。3.2基于FPGA的延迟时

56、间插法直接计数法往往测量存在1个时钟误差，所以实际中往往用直接计数法结合延迟时间插法进行时间间隔的测量，直接计数法对时间间隔进行粗测量，延迟时间插技术用来对时钟与事件信号不同步的部分进行测量，克服单一的直接计数法所存在的1个时钟差，这种测量方法称为细测量21。延迟时间插技术是采用延迟单元对时间间隔进行量化。传统的延迟时间插技术的测时分辨率等于延迟单元的延迟，因此插过程对延迟单元的要求非常严格，随着分辨率的提高，延迟单元的级数增多，信号衰减会更加明显，对硬件资源的消耗将增加。针对这个问题，本节在FPGA芯片中对延迟单元进行研究基础上，在从理论分析上说明了差分延迟的优越性分辨率高以与节约硬件资源，

57、对常用的细测量方法进行了仿真实验，证明在FPGA中实现差分延迟插法的可行性。3.2.1延迟单元分析FPGA部有丰富的资源，特别是成千上万的可编程逻辑单元以与丰富的布线资源，可以利用其可编程逻辑单元和布线资源构成一样的延迟单元。如图3.2 所示，Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA的逻辑单元(LE)由一个LUT 加一个寄存器组成的，在大多数FPGA中，由16个逻辑单元构成一个逻辑阵列，每个芯片都有许多个逻辑阵列。FPGA中逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以充分利用其可编程的灵活性来改变其部连接和配置，根据FPGA传输延迟的可预测性与固定传输延迟的一致性，通过编程配置可以构成结构一

58、样且延迟一样的延迟单元。图3.2中，通过配置查找表来构成延迟基本单元 (LCELL)，信号由数据端DATAD端口输入，经查找表后从COMBOUT输出，这一传输路径构成一个LCELL。图3.2Altera部延迟单元配置在设计中要想获得高的分辨率和好的线性结果，那么延迟单元的延迟时间尽量小并且线性度好。在FPGA中由于延迟单元是由两部分即LCELL和逻辑单元间连线构成的，所以延迟单元的延迟特性取决于这两部分的延迟特性。(1) LCELL的延迟往往延迟单元中的LCELL是通过配置逻辑单元中的查找表得到的。从图3.2中可以看到，查找表有四个数据输入端口，分别为DATAA、DATAB、DATAC、DAT

59、AD，由于经不同端口输入的传输延迟差别很大，那么选择哪个端口作为输入端非常重要，端口的选择将直接影响到延迟单元的延迟时间大小与线性，进而影响测量分辨率和精度。从器件的时序分析中可以看到，数据端DATAA、DATAB、DATA、DATAD经查找表由COMBOUT输出所需时间分别为651ps, 624ps,319ps,206ps(不同的芯片LCELL的值也不同)，为了使延迟单元的延迟时间尽量小，在这里选择数据端DATAD为LCELL的输入端，COMBOUT为其输出端，此时其延迟时间为206ps。(2) 逻辑单元间连线的延迟逻辑单元之间的连线有很多种，信号经连线的传输延迟也相应的有很多种。因此要得到

60、结构一样且延迟一样的延迟单元，必须使相邻两个 LCELL间的连线布线一致。通过多次试验发现，当相对位置一样且数据传输端口一致时，逻辑单元间的连线将是一致的，连线延迟也是一样的。3.2.2延迟时间插测量分析延迟时间插法采用延迟单元对时钟信号或事件(start/stop)信号进行延迟，从而产生高分辨率的时间刻度，对小于时基周期的微小时间间隔进一步量化。根据延迟单元所处的位置，时间插技术分为事件(start/stop)信号延迟插和时钟信号延迟插。（1) 事件信号延迟插图3.3所示的事件延迟插器由N个延迟单元、同步电路、锁存电路与延迟补偿电路组成，延迟单元的延迟为。图3.3 事件延迟插器事件信号沿经过

61、延迟补偿后，出现在补偿延迟电路的输出端，之后维持高电平。这个高电平经过延迟 后，出现在第1个延迟单元的输出端，每经过，下一个延迟单元的输出端将会出现上升沿信号，每个延迟单元的输出端与相应触发器的 D端相连。图3.3中下部的锁存信号是事件信号与时钟信号同步产生的22。当时钟信号的上升沿到来时，若此时事件信号为高电平，同步器产生锁存信号，锁存过程耗时等于补偿延迟。锁存信号上升沿锁定事件信号经过各延迟单元后的状态。假定时钟周期TCLK = N ，为事件信号与时钟信号之间的时间间隔，0 Tclk，锁存结果Qi(0 iN) 反映了的量化值，量化单位(即分辨率)为 。如表 3.1所示：表3.1 事件延迟插

62、技术的量化编码量化值Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q901000000000111000000002111000000031111000000411111000005111111000061111111000711111111008111111111091111111111在整个时间插过程中，1 的个数在随着量化值的增加递加，1 和 0 交替处对应位置反映了时间插的量化值。这个规律和水银柱温度计表征温度的规律一样，因此称Qi的编码为温度计编码。(2) 时钟信号延迟插如果对时钟信号CLK0进行延迟，将会得到一个与时基信号同频的时钟信号，两个时钟信号的相位不同。假定延迟为，时钟信号周期为Tc

63、lk，两个时钟信号的相移为2/Tclk。适当选取延迟单元的延迟，使=Tclk /N，N为整数，采用时钟数字移相技术可以获取一系列的同频时钟信号CLKi(0iN)，用N个时钟信号对事件信号EVENT进行锁定，锁定输出结果为Qi(0iN)，Qi可以量化EVENT与CLK0之间的时间间隔，从而实现时间插。如图3.4所示：图3.4时钟信号延迟插如表3.2所示事件信号延迟插与时基信号延迟插的量化编码正好相反。两种延迟时间插方法的测时分辨率都等于延迟单元的延迟，延迟单元的延迟特性直接影响了延迟时间插方法的分辨率与精度。表3.2 时基延迟插技术的量化编码量化值Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q901111111111101111111112001111111130001111111400001111115000001111160