СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА
METHOD TO MEASURE TIME INTERVAL

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в точных измерителях временных интервалов, в импульсной локации, экспериментальной физике и др.
Известен простейший способ измерения временного интервала путем его преобразования в числовой код, по принципу счета числа тактовых импульсов стабильной частоты, заполняющих измеряемый временной интервал, задаваемый сигнальными импульсами «старт» и «стоп» [1]. Предельная точность этого способа «прямого счета» ограничена дискретностью тактовых импульсов.
Известны пути повышения точности такого измерения без повышения тактовой частоты за счет введения интерполяционной поправки с помощью вспомогательных тактовых последовательностей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [2] измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN). Для определения поправки ΔN в этом способе используют дополнительную последовательность тактовых импульсов, сдвинутую относительно основной последовательности по частоте и синхронизированную с задержанным сигнальным импульсом.
При таком способе обработку информации и определение поправки ΔN производят в режиме реального времени, что требует сложной быстродействующей аппаратуры, подверженной к тому же риску грубых ошибок при воздействии электромагнитных наводок и помех и других неблагоприятных факторов, свойственных аналоговой обработке информации.
Задачей изобретения является повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.
и
1i
w
1i
w
iw
1i
w
2i
1i
w
2i
2i
1i
w
w
1i
w
2i
1i
w
2i
w
1i
w
2i
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения временного интервала Т путем формирования последовательности тактовых импульсов с периодом τ, синхронизированной с началом измеряемого интервала, формирования в конце интервала задержанного сигнального импульса известной формы, счета количества N тактовых импульсов между началом интервала и моментом регистрации задержанного импульса, формирования поправки ΔN и определения интервала Т по формуле Т=τ(N+ΔN), длительность Т сигнального импульса устанавливают более двух тактовых периодов τ, незадержанный сигнальный импульс предварительно оцифровывают с периодом τ и сохраняют результаты оцифровки в W≥3 массивах {S}, где i=1, 2,…, I - порядковый номер выборки в массиве, w - порядковый номер массива, I>2 - количество выборок, в процессе оцифровки в каждом массиве {S}, берут выборки незадержанного импульса в отсчитываемые от его начала моменты времени t=(w-1)τ/W+(i-1)-r, а начало его оцифровки задают таким образом, чтобы выборка с максимальным значением имела во всех массивах одинаковый порядковый номер, причем в набор выборочных значений массивов {S} включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее, в процессе измерения временного интервала задержанный сигнальный импульс оцифровывают с привязкой к тактовой последовательности, формируя массив {S}, при этом массивы {S} и {S} формируют с одинаковым количеством выборок I в каждом массиве, так, чтобы максимальная выборка в массиве {S} находилась в той же позиции, что и в массивах {S}, после чего формируют W оценок R=R({S}, {S}), характеризующих близость массивов {S} и {S}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R в наибольшей степени характеризует близость массивов {S} и {S}, и формируют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.
1i
w
2i
Для обеспечения максимальной чувствительности способа к положению задержанного сигнального импульса массивы {S} и {S} нормируют так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение.
к
э
к
к
э
к
Для исключения неучтенной систематической погрешности при определении временного интервала Т вводят дополнительную поправку ΔN, определяемую предварительно путем измерения эталонного интервала времени Т, вычисления поправки ΔN по формуле ΔN=(Т-Т)/τ, а в процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN).
1i
2i
2
2
w
На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса измерения временного интервала Т, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S} и {S}. На фиг.2 показан сигнальный импульс S(t) при нулевом сдвиге относительно тактового импульса (фиг.2а) и со сдвигом на 0,4 тактового периода (фиг.2б). Фиг.3 иллюстрирует формирование функции . Показаны зависимости вида , для значений сдвига сигнала S(t), равного 0 и 0,4 (W=10). На фиг.4а) и б) представлены реализации R при воздействии аддитивного шума при отношении сигнал/шум соответственно 100 и 30.
1
2
1i
1
1i
1
1i
w
1
1
1i
w
В начале измеряемого интервала времени Т формируют сигнальный импульс S(t)1, а в конце - импульс S(t)2. К импульсу 1 привязывают последовательность тактовых импульсов 3 таким образом, чтобы временное положение импульса 1 соответствовало массиву выборочных значений {S}. Массив {S}принадлежит к набору массивов {S} 4, определяемых предварительно оцифровкой первого сигнального импульса. При оцифровке импульса S(t) формируют W массивов его выборочных значений. Выборки в этих массивах определяют с периодом тактовой последовательности τ. Оцифровку производят так, чтобы первая выборка в каждом массиве была задержана относительно условного начала импульса S(t) на отрезок времени (w-1)τ/W, где w=1, 2,.…, W - порядковый номер массива {S}; W - количество массивов.
1i
w
1i
w
1
1i
w
max
Расчетами и экспериментально показано, что количество W массивов {S} должно быть не менее трех. В набор выборочных значений массивов {S}включают выборку с максимальным значением и по крайней мере по одной выборке слева и справа от нее. Количество выборок I во всех массивах должно быть одинаковым. Условное начало импульса S(t) выбирают так, чтобы при оцифровке во всех массивах {S}выборка с максимальным значением находилась на одинаковой позиции i=i.
1i
w
Полученный набор массивов {S} (шаблоны) сохраняют в памяти системы.
2
2i
1i
w
В процессе измерения временного интервала Т производят оцифровку второго сигнального импульса S(t) 2 в моменты прихода тактовых импульсов. По результатам оцифровки формируют массив {S} 5 таким образом, чтобы он содержал выборку с максимальным значением в той же позиции, что и в массивах {S}, а количество выборок в этом массиве равнялось I.
2i
1i
w
w
1i
w
2i
1i
w
2i
2i
После формирования массива {S} производят его сравнение с каждым из шаблонов {S}, путем формирования коэффициентов R=R({S}, {S}), характеризующих близость массивов {S} и {S}, например, в виде коэффициента корреляции  или среднего абсолютного отклонения . Затем определяют порядковый номер w=w* того шаблона, который по выбранному критерию ближе к массиву {S}, и определяют поправку ΔN по формуле ΔN=(w*-l)/W.
Пример.
Тактовая последовательность в условном масштабе времени t имеет период τ=1.
2
Сигнальные импульсы в этом масштабе описываются выражением S(t)=Atexp(-bt). Вид сигнальных импульсов при А=184 и b=1 представлен на фиг.2. Как видно из графика, длительность сигнального импульса составляет 8 периодов тактовой частоты, а амплитуда в условном масштабе равна 100. Начало сигнального импульса 1 фиг.2а) условно привязано ко второму тактовому импульсу, а сигнальный импульс на фиг.2б) сдвинут относительно этого положения на 0,4 тактовых периода.
1i
w
1
В результате оцифровки первого сигнального импульса получены десять массивов {S} нормированных выборочных значений сигнала S(t), приведенных в табл.1.
Таблица 1
Массивы {S<sub>1i</sub>}<sub>w</sub>, выборочных значений сигнала S<sub>1</sub>(t)=S(t)=At<sup>2</sup>exp(-bt)
Массив (шаблон)
№ выборки
i=1
i=2
i=3
i=4
i=5
{S<sub>1i</sub>}<sub>1</sub>
0,3823
1,0000
0,9714
0,6851
0,4115
{S<sub>1i</sub>}<sub>2</sub>
0,4609
1,0000
0,9280
0,6411
0,3806
{S<sub>1i</sub>}<sub>3</sub>
0,5369
1,0000
0,8902
0,6032
0,3540
{S<sub>1i</sub>}<sub>4</sub>
0,6099
1,0000
0,8570
0,5702
0,3311
{S<sub>1i</sub>}<sub>5</sub>
0,6796
1,0000
0,8277
0,5413
0,3112
{S<sub>1i</sub>}<sub>6</sub>
0,7458
1,0000
0,8017
0,5159
0,2936
{S<sub>1i</sub>}<sub>7</sub>
0,8087
1,0000
0,7783
0,4932
0,2781
{S<sub>1i</sub>}<sub>8</sub>
0,8684
1,0000
0,7573
0,4730
0,2644
{S<sub>1i</sub>}<sub>9</sub>
0,9250
1,0000
0,7383
0,4549
0,2520
{S<sub>1i</sub>}<sub>10</sub>
0,9786
1,0000
0,7210
0,4385
0,2410
1
1i
Периодичность выборок равна тактовому периоду τ=1. Начальный сдвиг оцифровки w-го шаблона равен (w-1)/10, то есть первый шаблон имеет нулевой сдвиг, а сдвиг 10-го шаблона равен 0,9 периода тактовой последовательности. При оцифровке начало сигнала S(t) выбрано так, чтобы максимальная выборка приходилась на одну позицию во всех шаблонах (j=2). В каждом шаблоне оставлены выборки со значениями S>0,2. При этом количество выборок во всех шаблонах I=5.
2
2i
2
В результате оцифровки получены нормированные массивы сигнала S(t) с нулевым сдвигом и со сдвигом на 0,4 тактового периода. Результаты оцифровки {S} при двух значениях сдвига сигнала S(t), показанных на фиг.2, приведены в табл.2. Так же, как и в шаблонах, количество выборок I=5, а максимальная выборка находится во второй позиции.
Таблица 2
Результаты оцифровки {S<sub>2i</sub>} сигнального импульса S<sub>2</sub>(t) при его сдвиге на 0 и 0,4 тактового периода
сдвиг сигнала
№ выборки
i=1
i=2
i=3
i=4
i=5
0
0,3823
1,0000
0,9714
0,6851
0,4115
0,4
0,6796
1,0000
0,8277
0,5413
0,3112
2i
1i
w
Сравнение массивов {S} с шаблонами {S} производилось по критерию среднего абсолютного отклонения . Результаты сравнения приведены в Табл. 3 и на графиках фиг.3а) (нулевой сдвиг сигнала) и фиг.3б) (сдвиг сигнала равен 0,4).
Таблица 3
Среднее абсолютное отклонение R<sub>w</sub> массива {S<sub>2i</sub>} от шаблонов {S<sub>1i</sub>}<sub>w</sub>
сдвиг сигнала
№ шаблона
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
0
0,1969
0,3752
0,5373
0,6851
0,8203
0,9448
1,0594
1,1655
1,2638
0,4
0,6851
0,4882
0,3099
0,1478
0
0,1352
0,2594
0,3743
1,1655
0,4804
w
Минимальное значение R 6 соответствует сдвигу сигнала на 0,4 тактового периода. По номеру w* соответствующего шаблона формируют поправку ΔN. В первом случае она равна (1-1)/10=0, а во втором (5-1)/10=0,4, что соответствует реальному сдвигу.
Приведенные результаты получены в отсутствие шумовых искажений.
В таблице 4 приведены результаты обработки данных по предлагаемому способу при воздействии нескольких реализаций аддитивного шума в полосе частот, соответствующей спектральной характеристике сигнала.
Таблица 4
Среднее абсолютное отклонение R<sub>w</sub> массива {S<sub>2i</sub>} от шаблонов {S<sub>1i</sub>}<sub>w</sub> при воздействии аддитивного шума. Подчеркнуты минимальные значения.
отношение сигнал/шум
№ шаблона
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
0,6779
0,481
0,3027
0,1406
<u>0,017</u>
0,1424
0,2669
0,3815
0,4876
0,5859
100
0,661
0,4641
0,2858
0,1237
<u>0,0241</u>
0,1593
0,2838
0,3984
0,5045
0,6028
100
0,7044
0,5075
0,3292
0,1671
<u>0,0317</u>
0,1159
0,2404
0,355
0,4611
0,5594
100
0,6898
0,4929
0,3146
0,1525
<u>0,0373</u>
0,1305
0,255
0,3696
0,4757
0,574
30
0,5743
0,3774
0,2041
<u>0.108</u>
0,128
0,246
0,3705
0,4851
0,5912
0,6895
30
0,6689
0,472
0,2937
<u>0,1316</u>
0,1502
0,1994
0,2759
0,3905
0,4966
0,5949
30
0,6955
0,4986
0,3203
0,1582
<u>0,048</u>
0,148
0,2493
0,3639
0,47
0,5683
30
0,81
0,6131
0,4348
0,2727
0,1249
<u>0,0537</u>
0,1348
0,2494
0,3555
0,4538
10
0,8918
0,6949
0,5166
0,3895
0,3811
0,3783
0,4088
0,454
0,4973
0,539
w
w
Из таблицы и графиков Фиг.4 видно, что при отношении сигнал/шум=100 зависимость R 6 от w практически не отличается от идеальной. При отношении сигнал/шум=30 положение минимума функции может смещаться в соседнюю позицию. При этом ошибка измерения временного интервала достигает 0,1τ. При дальнейшем уменьшении отношения сигнал/шум пик зависимости R становится менее выраженным, и это может привести к увеличению ошибки. Необходимо отметить, что в подобных условиях и при заданных ограничениях ошибка, присущая известному техническому решению [2] и другим подобным решениям, может превышать ошибку, обеспечиваемую предлагаемым способом, поскольку известные способы не предназначены для измерений в присутствии шумов и не оптимизированы по этому фактору. Ошибка в них может достигать длительности фронта сигнального импульса [1, стр.77].
1i
w
2i
Наибольшая однозначность и помехозащищенность измерений обеспечивается при нормировке массивов {S} и {S} так, чтобы их максимальные выборки имели одинаковое значение. В рассмотренном выше примере величина максимальной выборки всех массивов равна 1.
1i
w
1
э
к
э
э
э
к
*
Для того чтобы при формировании шаблонов {S} в каждом из них максимальная выборка находилась в одной позиции, начало импульса S(t), которым он привязывается к тактовой последовательности, выбирается условно. При этом может возникнуть систематический сдвиг оценки измерения, который исключают путем предварительной калибровки эталонным временным интервалом Т и определения соответствующей поправки ΔN=(Т-Т )/τ, где Т - измеренная величина эталонного интервала. В процессе измерения определяют оценку Т измеряемого интервала по формуле Т=τ(N+ΔN+ΔN).
T
0i
0i
w
Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F=25 МГц (тактовый период Т=40 нc). Количество массивов {S} W=100. Максимальные выборки всех массивов {S} находятся во 2-й позиции, а общее количество выборок К=5. Среднеквадратичная ошибка измерения интервала Т не превышает 0,4 нс (это соответствует ошибке измерения дальности 0,06 м). У известных приборов ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.
Предлагаемый способ измерения временного интервала по сравнению с известными способами обеспечивает значительно более точную оценку положения второго сигнального импульса по отношению к началу измеряемого интервала как в условиях воздействия шумов, так и в их отсутствие.
В результате использования способа обеспечивается существенное повышение точности и помехозащищенности измерения временного интервала стандартными аппаратными средствами.
Источники информации
1. Е.А.Мелешко «Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике». М.: Атомиздат, 1977, с.139.
2. Патент РФ №2133053, 1999. Е.И.Гурин. «Способ ускоренной нониусной интерполяции временных интервалов» - прототип.