Многоканальное устройство для измерения временных интервалов
MULTICHANNEL DEVICE FOR MEASURING TIME INTERVALS

Многоканальное устройство для измерения временных интервалов относится к области измерительной и вычислительной техники и может использоваться, например, в многолучевых лазерных дальномерах и лазерных локаторах для измерения времени распространения лазерного излучения.
Известны одноканальные и многоканальные измерители временных интервалов, принцип работы которых основан на прямом подсчете многоразрядными счетчиками числа импульсов опорной частоты, укладывающихся в измеряемый временной интервал (см., например, патент РФ №2455672 «Многоканальный измеритель временных интервалов»). Недостатком данного типа устройств является низкая точность измерения, обусловленная ограниченным быстродействием многоразрядных счетчиков.
Известны также измерители временных интервалов, принцип работы которых основан на использовании многоотводной линии задержки (см., например, патент РФ №2393519 «Рециркуляционный преобразователь время-код»). Недостатками данного типа устройств являются сложность изготовления и калибровки многоотводной линии задержки, что затрудняет их использование в многоканальных измерителях временных интервалов, а также необходимость термостабилизации схемы для сохранения калиброванных значений задержек в многоотводной линии задержки.
Известны также измерители временных интервалов, принцип работы которых основан на использовании сдвинутых по фазе тактовых сигналов одинаковой частоты (например, «Low resource FPGA-based Time to Digital Converter», Cornell University, 2012, Alessandro Balla, Matteo Beretta, Paolo Ciambrone, Maurizio Gatta, Francesco Gonnella, Lorenzo Iafolla, Matteo Mascolo, Roberto Messi, Dario Moricciani, Domenico Riondino, http://arxiv.org/vc/arxiv/papers/1206/1206.0679v3.pdf). Недостатками данного типа устройств являются относительно низкая точность измерения и ее сильная зависимость от качества опорного тактового сигнала высокой частоты.
Известны также измерители временных интервалов, принцип работы которых основан на использовании нониусных генераторов (например, «Нониусный измеритель временных интервалов», патент РФ №2128853). Недостатками данного типа устройств являются высокая сложность схемной реализации, затрудняющая создание многоканального устройства, а также температурный дрейф параметров нониусных генераторов, частота которых должна быть известна с высокой точностью.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является одноканальный нониусный измеритель времени, в котором существенно упрощена схемная реализация при сохранении высокой точности измерения временного интервала («FPGA-Based High Area Efficient Time-To-Digital IP Design», Kun-Shan University, 2006, M.C. Lin, G.R. Tsai, C.Y. Liu, S.S. Chu, TENCON 2006. 2006 IEEE Region 10 Conference, Department of Electronics Engineering, http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=4142396&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D4142396).
старт
стоп
1
2
изм.
1
старт
2
стоп
Данный измеритель времени содержит канал измерения, состоящий из двух триггеров, двух мультивибраторов, двух счетчиков и фазового детектора. Импульс, длительность которого необходимо измерить, поступает на тактовый вход первого триггера, работающего по фронту сигнала, и на тактовый вход второго триггера, работающего по срезу сигнала, выходы триггеров подключаются к запускающим входам первого и второго мультивибраторов соответственно, выходы мультивибраторов подключаются соответственно к первому и второму счетчикам, а также подключаются к входам фазового детектора, выход которого подключается к входам очистки первого и второго триггеров. Данный измеритель времени работает следующим образом. После появления переднего фронта измеряемого импульса первый триггер переключается в состояние «лог. 1», и это значение поступает на управляющий вход первого мультивибратора, который начинает вырабатывать импульсы с периодом Т. Импульсы от первого мультивибратора поступают на первый счетчик. После появления заднего фронта измеряемого импульса второй триггер переключается в состояние «лог. 1», и это значение поступает на управляющий вход второго мультивибратора, который начинает вырабатывать импульсы с периодом Т. Импульсы от второго мультивибратора поступают на второй счетчик. Также импульсы от обоих мультивибраторов поступают на фазовый детектор, который выдает на выходе сигнал «лог. 1» в тот момент, когда фазы сигналов от мультивибраторов совпадут. Сигнал от фазового детектора сбрасывает два триггера в состояние «лог. 0», мультивибраторы прекращают генерацию, и в счетчиках фиксируются значения C и С. Измеренный временной интервал вычисляется по формуле Т=(C-1)×Т-(С-1)×Т. Недостатками данного устройства являются необходимость точного измерения частоты каждого мультивибратора, наличие температурного дрейфа частоты генерации мультивибраторов, а также наличие только одного измерительного канала. Термостабилизация схемы существенно усложняет конструкцию прибора и повышает энергопотребление схемы в целом. Также, в ряде случаев (например, в многолучевых лазерных локаторах) требуются многоканальные измерители временных интервалов, нуждающиеся в тщательной калибровке каждого канала.
Задачами предлагаемого устройства являются исключение необходимости в термостабилизации, что позволяет упростить техническую реализацию устройства и снизить энергопотребление, и создание многоканального устройства для эффективного использования, например, в многолучевых лазерных локаторах.
Первая задача решается за счет вычисления частоты генерации мультивибраторов в процессе работы измерителя путем дополнительного введения в устройство высокостабильного генератора секундных импульсов и генератора опорной частоты, блока измерения опорной частоты, блока измерения частоты мультивибраторов, контроллера, а также введением в схему сигнала принудительной генерации, подключенного к дополнительно введенному в схему мультивибраторов входу принудительной генерации.
Вторая задача решается на базе предлагаемого одноканального варианта исполнения устройства путем дополнительного введения n идентичных каналов измерения временных интервалов и коммутирующего блока.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения временных интервалов в одноканальном варианте исполнения.
На фиг. 2 приведена структурная схема многоканального устройства для измерения временных интервалов.
На фиг. 3 приведена временная диаграмма работы одного канала измерения.
Устройство для измерения временных интервалов в одноканальном варианте исполнения (фиг. 1) включает канал измерения временных интервалов, содержащий триггер фиксации момента начала измерения 1, триггер фиксации момента конца измерения 2, мультивибратор канала «старт» 3, фазовый детектор 4, мультивибратор канала «стоп» 5, счетчик канала «старт» 6 и счетчик канала «стоп» 7, а также содержит блок измерения опорной частоты 8, блок измерения частоты мультивибраторов 9, генератор секундных импульсов 10, генератор опорной частоты 11 и контроллер 12.
При этом выход генератора секундных импульсов 10 и выход генератора опорной частоты 11 подключены к входам блока измерения опорной частоты 8, выход которого подключается к входу контроллера 12; сигнал начала измерения временных интервалов подается на вход триггера фиксации момента начала измерения 1, выход которого подключается к управляющему входу мультивибратора 3, выход которого подключается к входу счетчика 6, первому входу фазового детектора 4 и блоку измерения частоты мультивибраторов 9; выход счетчика 6 подключается к входу контроллера 12; сигнал окончания временного интервала подается на вход триггера фиксации момента конца измерения 2, выход которого подключается к управляющему входу мультивибратора 5, выход которого подключается к входу счетчика 7, второму входу фазового детектора 4 и блоку измерения частоты мультивибраторов 9; выход счетчика 7 подключается к входу контроллера 12; выход фазового детектора 4 подключается к входу контроллера 12 и к входу сброса триггеров 1 и 2; на второй вход блока измерения частоты 9 подключается выход генератора опорной частоты 11; выход блока измерения частоты 9 подключается к входу контроллера 12.
Устройство для измерения временных интервалов в одноканальном варианте исполнения работает следующим образом.
2
Используя сигнал с высокостабильного генератора секундных импульсов 10 как опорный, блок измерения опорной частоты 8 производит измерение частоты сигнала на выходе генератора опорной частоты 11 и обновляет значение на выходе каждую секунду. Это значение считывается контроллером 12. Используя в качестве источника секундных импульсов приемник GPS/ГЛОНАСС или цезиевый генератор, можно получить значение нестабильности секундного интервала в пределах ±100 нс (PPSJ=100 нс) во всем диапазоне рабочих температур. Погрешность измерения опорной частоты F рассчитывается по формуле ΔF=PPSJ×F Гц. Так как сигнал опорной частоты является высокочастотным и составляет порядка 200 МГц, точность измерения его частоты составит примерно ΔF=20 Гц, что соответствует точности измерения периода опорной частоты ΔТ=ΔF/F=0,5 фс.
14
В некоторые моменты времени, например при реверсе сканирующего зеркала лазерного локатора, контроллер 12 переводит один из мультивибраторов (3 или 5) в состояние принудительной генерации и задает адрес этого мультивибратора в блоке измерения частоты мультивибраторов 9, который делит поступающую на его вход частоту на коэффициент D, задаваемый исходя из требуемой точности измерения периода генерации мультивибратора, после чего, используя опорную частоту, производит измерение количества периодов опорной частоты, укладывающихся в период поделенной на коэффициент D частоты мультивибратора. По завершении измерения данные передаются в контроллер 12, т.к. точность измерения периода опорной частоты составляет ±0.5 фс, эта погрешность умножается на измеренное значение и определяет погрешность измерения периода мультивибратора. Точность измерения периода мультивибратора в таком случае зависит от соотношения частоты мультивибратора, коэффициента D и опорной частоты, и для частоты мультивибратора 330 МГц, коэффициента D=2, опорной частоты 200 МГц соответствует 5 пс. При этом данная погрешность является случайной величиной с нормальным распределением, и с помощью усреднения по 64 последним измерениям можно добиться точности измерения периода мультивибратора 625 фс.
н
в
н
в
р
н
в
Мультивибраторы в измерительном канале имеют специальную архитектуру, такую что первый мультивибратор генерирует сигнал с периодом Т, а второй - Т, при этом Т>Т и разность периодов Т=Т-Т составляет несколько десятков пикосекунд.
н
в
Процедура измерения временных интервалов начинается при появлении возрастающего фронта на входе триггера 1 «Старт-импульс». При этом триггер 1 фиксирует появление импульса, и устанавливается в состояние логической «1», т.к. выход этого триггера подключен к управляющему входу мультивибратора 3, мультивибратор 3 начинает генерировать импульсы с периодом Т. Импульсы поступают на вход счетчика 6. Также они поступают на первый вход фазового детектора 4. После появления возрастающего фронта на входе «Стоп-импульс» триггер 2 фиксирует его и переходит в состояние логической «1». Этот сигнал запускает генерацию импульсов мультивибратором 5, с периодом Т. Импульсы поступают на вход счетчика 7. Также они поступают на второй вход фазового детектора 4. В момент совпадения фаз сигналов двух мультивибраторов фазовый детектор 4 вырабатывает импульс, сбрасывающий триггеры 1 и 2, таким образом прекращая генерацию мультивибраторов 3 и 5. Этот же импульс поступает на контроллер 12, сигнализируя о завершении измерения. Контроллер 12 производит считывание значений счетчиков 6 и 7.
Измеренный временной интервал, вычисляется по формуле:
где
Т - измеренный временной интервал,
1
C - значение счетчика 6,
2
С - значение счетчика 7,
D - коэффициент деления частоты мультивибратора в блоке измерения частоты мультивибраторов,
1
M - значение, полученное при измерении частоты мультивибратора 3 блоком измерения частоты мультивибраторов 9 (обозначает количество периодов опорной частоты укладывающихся в интервал времени, равный периоду сигнала мультивибратора, умноженного на коэффициент D),
2
М - значение, полученное при измерении частоты мультивибратора 5 блоком измерения частоты мультивибраторов 9,
F - частота опорного сигнала, полученная от блока измерения опорной частоты 8.
Устройство для измерения временных интервалов в многоканальном варианте исполнения (многоканальное устройство для измерения временных интервалов) (фиг. 2) содержит N триггеров фиксации момента начала измерения 1.1…1.N, N триггеров фиксации момента конца измерения 2.1…2.N, N мультивибраторов каналов «старт» 3.1…3.N, N фазовых детекторов 4.1…4.N, N мультивибраторов каналов «стоп» 5.1…5.N, N счетчиков каналов «старт» 6.1…6.N, N счетчиков каналов «стоп» 7.1…7.N, блок измерения опорной частоты 8, блок измерения частоты мультивибраторов 9, коммутирующий блок 13, генератор секундных импульсов 10, генератор опорной частоты 11 и контроллер 12.
При этом выход генератора секундных импульсов 10 и выход генератора опорной частоты 11 подключены к входам блока измерения опорной частоты 8, выход которого подключается к входу контроллера 12; сигнал начала измерения временных интервалов подается на входы триггеров фиксации момента начала измерения 1.1…1.N, выходы которых подключаются к управляющим входам мультивибраторов 3.1…3.N, выходы которых подключаются к входам счетчиков 6.1…6.N, первым входам фазовых детекторов 4.1…4.N и к входу блока измерения частоты мультивибраторов 9; выходы счетчиков 6.1…6.N подключаются к входу коммутирующего блока 13; сигналы окончания временных интервалов подаются на входы триггеров фиксации момента конца измерения 2.1…2.N, выходы которых подключаются к управляющим входам мультивибраторов 5.1…5.N, выходы которых подключаются к входам счетчиков 7.1…7.N, вторым входам фазовых детекторов 4.1…4.N и к входу блока измерения частоты мультивибраторов 9; выходы счетчиков 7.1…7.N подключаются к входу коммутирующего блока 13; выходы фазовых детекторов 4.1…4.N подключаются к входу контроллера 12 и к входу сброса триггеров 1.1…1.N и 2.1…2.N; на второй вход блока измерения частоты мультивибраторов 9 подключается выход генератора опорной частоты 11; выход блока измерения частоты мультивибраторов 9 подключается к входу контроллера 12; выход коммутирующего блока 13 подключается к входу контроллера 12.
Многоканальное устройство для измерения временных интервалов работает следующим образом.
Все блоки работают аналогично блокам измерителя временных интервалов в одноканальном исполнении, однако имеется ряд дополнений.
Все каналы измерения временных интервалов многоканального устройства работают параллельно. Все выходы фазовых детекторов 4.1…4.N подключены ко входам контроллера 12, а выходы счетчиков 6.1…6.N и 7.1…7.N подключены к входу коммутирующего блока 13. Измерения периода генерации всех мультивибраторов всех каналов происходят в блоке измерения частоты мультивибраторов 9 по очереди.
Временной интервал, измеренный конкретным каналом, вычисляется по формуле:
,
где
Т - измеренный временной интервал,
k
С1 - значение счетчика 6.k канала k,
k
С2 - значение счетчика 7.k канала k,
D - коэффициент деления частоты мультивибратора в блоке измерения частоты мультивибраторов,
k
M1 - значение, полученное при измерении частоты мультивибратора 3 канала к блоком измерения частоты 9 (обозначает количество периодов опорной частоты, укладывающихся в интервал времени, равный периоду сигнала мультивибратора, умноженного на коэффициент D),
k
М2 - значение, полученное при измерении частоты мультивибратора 5 канала k блоком измерения частоты 9,
F - частота опорного сигнала, полученная от блока измерения опорной частоты 8.
Техническим результатом является упрощение технической реализации устройства, снижение энергопотребления и повышение эффективности использования в многолучевых лазерных локаторах.