一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

理论与方法

澜勰渊嬲嬲豳鳓黼辫期

１年ｌ１月

第］口卷第ＪＩ期——曩

己口ｌ

一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

张廷锋１许少衡２

（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

Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄ

Ｏｎ

ｃａｐａｃｉｔｏｒｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ

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（１．ＮａｔｉｏｎａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇ‘Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ

ｃｅｎｔｅｒ

ｏｆＥ１ｅｔｒｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ，Ｇｕａｎ９２ｈｏｕ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｐｕｌｓｅｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｉｍｅ—ｔｏ—ｖ０１ｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｗｈｉｃｈｌｅｓｓｔｈａｎ

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ｅｒｒｏｒ

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ｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｓａｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈａｎｔｉｍｅ—ｔ０＿ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ａｓｍａｌｌｅｒｂｌｉｎｄｒｅｇｉｏｎｏｆｒａｎｇｉｎｇｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅａｎａｌｏｇｔｉｍｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ．ＫｅｙｗｏｒｔＩｓ：

ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃａｐａｃｉｔｏｒｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ；ｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔ

Ｏ

引言

ｌ

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

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ｎ４］。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间间隔测量方法，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，其测鼍精度只与Ａ／Ｄ转换器的位数有关，且测量范围大，实时性好。

法为基础。脉冲计数法是采用频率稳定的标准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

ｆ疋

图ｌ脉冲计数法测量时间间隔原理

收稿日期：２０１１—８—５

—３０一

中国科技核心期刊

第３口卷第ｌ

己口１１年ｆ１月

Ｉ期嘲潮翮剽徽粼黼黼黼，塞鹣参ｔ瓢。一。

理论与方法

量化时钟频率为＾，对应的周期瓦＝ｌ／＾，在待测到２，恒压源Ｖ。通过电阻Ｒ对电容Ｃ充电，电容电压耽如

脉冲上升沿启动计数器计数，下一个待测脉冲上升沿结束图３所示由零开始上升，其上升规律如式（３）：

计数，计数器得到的脉冲为竹，则由脉冲计数法求得待测

Ｖｃ（￡）＝Ｖｓ（１一ｅ一纛）

（３）

脉冲时间间隔ｎ为：

胄

Ｔｘ＝竹丁ｏ

（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：

２

Ｔｘ一行Ｔｏ＋丁ｌ—Ｔｚ

（２）

比较式（１）、式（２）可得脉冲计数法的测量误差为图２电容充放电的时间间隔测量原理

△下＝Ｔ。一Ｔ２，其最大值为一个量化时钟周期Ｔ０，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿不同步，且待测当第一个量化时钟上升沿到来时，Ａ／Ｄ转换器通过时间间隔并非量化时钟周期的整数倍。该误差称为脉冲隔离放大器对电容电压Ｖ。进行采样量化，则由式（３）可得计数法的原理误差。假如量化时钟的频率为１０ＭＨｚ，则到电容充电的时间（Ｔ，）为：

由原理误差引起的最大测量误差为△Ｔ。。＝Ｔｏ＝１／，ｏ一

Ｔ１＝ｆ＝一目ＣＩｎ（１一ｙｃ／Ｖｓ）

（４）

１００

ｎｓ，这对于许多测量过程，如激光测距等是远远不能

随着电容充电的进行，电容电压ｎ趋近于Ｕ。当下一

达到测量精度要求的。要减少原理误差，最直接的方法就个待测脉冲上升沿到来时，计数器闸门关闭，停止对量化是提高量化时钟频率以缩小量化时钟周期瓦，但频率的时钟计数，获得量化时钟个数珂。则计数时间可由式（１）得提高是有限度的，它受到诸如成本等各种因素的制约，因到。同时，电子开关Ｓ由２切换到１，电容Ｃ通过电阻Ｒ放为频率越高对器件、电路的要求越高。除了原理误差之电，电容电压Ｖ。如图３所示由ｙ。开始下降，其变化规律如外，量化时钟的不稳定度△Ｔｏ／瓦是另外一个误差因素，式（５）：

该误差称为时标误差，大小为Ｔ，工・△Ｔｏ／Ｔｏ，可以看出待

Ｋ（ｆ）＝强一士

（５）

测脉冲间隔ｎ越大，时标误差越大，时标误差可以采用高

当下一个量化时钟上升沿到来时，Ａ／Ｄ转换器通过稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准。

隔离放大器对电容电压Ｖｃ进行采样量化，则由式（６）可得由于脉冲计数法在时间间隔测量中具有实现容易、测到电容放电的时间（Ｔ：）为：

时范围广等突出优点，目前，高精度时间间隔测量方法主Ｔ２＝￡＝同Ｃｌｎ（Ｖｒｓ／Ｖｃ）

（６）

要是在脉冲计数法的基础上，对量化误差Ｔ。和Ｔ２进行再由式（４＞、（６）可见，通过测量电容充放电过程的电压，次测量，以克服原理误差的影响。常见的方法主要有模拟可以在脉冲计数法的基础上，对量化误差Ｌ和ｔ进行再内插法Ⅲ、数字内插法‘“、延迟线内插法【“、游标法‘”，这次测量。则式（１）可用式（７）表示：

几种时间间隔测量方法首先是对Ｔ，和ｔ进行扩展，然后丁＿＝旭Ｔ。一同Ｃｌｎ（１一ｙａ／Ｖｓ）＋ｊａＣｌｎ（Ｖｃ２／Ｖｓ）（７）

重新计数。这些方法受到电子计数法的束缚，只是减小而通过后续微处理器对式（７）进行运算处理，实现对时不能完全克服原理误差，且存在较大的测量盲区。此外还间间隔的高精度测量。

有时间一电压转换法哺３，时间一相位转换法口。妇等。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…生厂］流非线性影响；时间一相位转换法在正弦波９０。与２７０６处，量化时钟

存在微分过零点，些许的采样误差将会导致很大的相位提门ｉ几ｎ

取误差¨“。

ｎ…删

厂

２基于电容充放电的时间间隔测量方法

图３

电容充放电测量时间间隔的方法属于时间一电压转换时间间隔测量中电容的电压变化曲线

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，通过精确测虽电容上的电压，计算出电容充放电的３

时间常数ＲＣ的选取

时间，在脉冲计数法的基础上，实现对量化误差Ｔ。和瓦的再次测量。其原理如图２所示，主要由恒压源，ＲＣ回图４为不同时间常数ＲＣ电路充电过程的时间一电压

路，电子开关，隔离放大器，以及Ａ／Ｄ变换器组成。

曲线图，从图可以看出，电容在充电开始时电压的变化率当如图１所示的待测脉冲上升沿到来时，计数器闸门最大，充电结束时电压的变化率最小，为了保证Ａ／Ｄ变换打开，开始对量化时钟计数。同时，电子开关ｓ由ｌ切换

器具有较高的分辨率，必须保证电容在充电结柬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

一３１—

理论与方法

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１年Ｉ１月

第］口卷第１Ｉ期－豳麓

己口ｆ

一个量化时钟周期Ｌ，在量化时钟周期确定后，电容电压的变化率由时间常数ＲＣ决定。图４为３种不同时间常数对应的充电曲线。从图４可见，时间常数如果太小，如图４中曲线ｌ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。

ｌ

容充放电最大时间￡。。＝１Ｔ。，为了充分利用Ａ／Ｄ转换器

资源，通过隔离放大器，使％＝弧。则由Ａ／Ｄ转换器引

起的最大量化误差为△Ｔ—Ｔｏ／２。，ｍ为Ａ／Ｄ转换器位数，设量化时钟频率＾＝１０ＭＨｚ，则Ｌ—ｌｏｏｎｓ，Ａ／Ｄ转换器为１４位，则△丁一Ｔｏ／２‘＝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，具有高的输入阻抗、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。

Ｏ．８

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。

ｏ

Ｏ・６

０．４

Ｏ．２

Ｏ

Ｏ．２

Ｏ．４

０．６

ｆ

Ｏ．８ｌ

图４

３种不同时间常数对应的充电

参考文献

为了找到最佳的解值，可在Ｌ点求式（３）对舵的导

数，得式（８）：

Ｉ＝Ｊ］孙杰，潘继飞．高精度时间间隔测量方法综述［Ｊ］．计

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∥ｍ

５

Ｋ志８一懈

（８）

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式（８）导数取得最大值时粥值即为最佳的ＲＣ值［”］。要求式（８）在船变化过程中的最大值，也就是求其导数为。时的船值。对式（８）求导并令其等于ｏ，可得式（９）：

Ⅳ可斋＋蒜］＝ｏ

精度。

电容放电曲线的分析与取值与充电曲线一致。

㈣

Ｉ＝Ｉ］

ＡＨＯＬＡＲ，ＭＹＬＬＹＬＡＲ．Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓ—ｕｒｉｒｌｇｔｈｅｔｉｍｅ－ｏｆ＿ｆｌｉｇｈｔｉｎｆａｓｔｌａｓｅｒｒａｎｇｅＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１９８６（６５４）：１９—２５．

由式（９）解得：船＝ｏ．５丁０。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

∞］口］口］

ｆｉｎｄｉｎｇ口］．

邢燕．高精度时间间隔测量系统［Ｊ］．电子测量技术，

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屈八一，周渭，陈发喜，等．高精度时间间隔测量仪的研制［Ｊ］．仪器仪表学报，２００９，３０（７）：１４７６—１４８０．

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ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

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

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｃｉｒｅｕｉｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ∞］

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

ｏｎ

Ｎｕｃｌｅａｒｓｃｉｅｎｃｅ．

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ＲＡＩＳＡＮＥＮ—ＲＵｏＴＳＡＬＡＩＮＥＮＥ，ＲＡＨＫＯＮＥＮＴ，

计数器输出ｎ、量化时钟周期Ｔｏ、充放电电阻电容船、恒压源ｙ。、电容充放电电压Ｋ。、％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Ｌ，当前常规的铷原子频率标准的稳定度已经达到了１０．１１的量级，对于如

１０

ＫｏＳＴＡＭＯＶＡＡＲＡＪ．Ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ

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ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ

ｗｉｔｈｂｕｉｌｔ—ｉｎｄｕａ卜

ｓｌｏｐｅＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ

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ｍｓ待测量范围，由频率稳定度导致的时间测量误差仅

ｐ］潘继飞，姜秋喜，毕大平．基于内插采样技术的高精度时间间隔测量方法口］．系统工程与电子技术．２００６，

２８（１１）：１６３３—１６３６．

为ｏ。ｌｐｓ，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。Ｋ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

（下转第３５页）

一３２一

中国科技核心期刊

己口Ｉ｜年ｆ１月第３口卷第ｌ

ｌ期圈嘲鼹翱冁熙嘲圈燃

理论与方法

断技术综述［Ｊ］．测试技术学报，２００５，１９（２）：２０４—２０８．［５］刘正升，蒋恚忠，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）：２ｌ一２４．［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．

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ｌ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，维护系统正常工作；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Ⅲ。１“，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。

［７］宋东，马飞，壬传清．一种电子系统测试性模型的研究

与应用［ｊ］．电子测量与仪器学报，２０ｌｏ，ｚ４（９）：６６－７２．［８］胡彭炜，杨福兴，何玉璩．电子设备自动测试系统的环

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［１０］焦乾芬。张兴敢。柏业超，等．雷达接收机自动测试系

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，Ｂ１Ｔ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、显著地缩短诊断时闻、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

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［３］ＤＲＥＥＲ，ＹＯＵＮＧＮ．ＲｏｌｅｏｆＢＩＴｉｎｓｕｐｐｏｒｔｓｙ５ｔｅｍｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄ

作者简介

ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．１ＥＥＥＡ８ＬＥ

ｓｙｓｔｅｍ

ｍａｇａｚｉｎｅ，２００４（８）：４８２—４８３．

郑文荣，工程师，博士。研究方向为舰炮武器系统试验与鉴定。

［４］蔡金燕，肖小峰，梁玉英，等．电子设备智能监测与诊

＿ＨＩｈ，’●—１ｈｊ一～～，１ｈ，一－－－’’｜—＿ｈ，’¨∥一‰＾－・’‰．，＿¨一●ｐ一～ｈ“，＿＿＿—～｜－。啪ｆＨ√＿ＩＰ。吣－Ⅲ¨—呐＾—～一¨７’－—ｍＨ。～，～ｍ—咖Ｐ‘‰，＿＿—ｈ—＿－，’●，～，１－，＿忡一一１ｈ，‰—｜一ｈ。’－４ｑ－一－１■Ｈ‘ｈ，。－。’睁

（上接第３２页）

［１０］潘继飞．姜秋喜．一种高精度时间间隔测量方法及仿

真验证［Ｊ］．光电技术应用，２００７，２２（６）：７ｌ＿７３．［１１］李丙启．高精度时间间隔测量方法的研究［ｊ］．电测与

仪表，２０１１，４８（４）：９０一９２．

７９—８１．

作者简介

张廷锋，硕士，工程师，主要从事电子技术应用研究。

［１２］王刚，李桂林．基于改进式电容充放电的纳秒级时间

测量技术［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１１（２）：

中国科技核心期刊

一３５—

一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张廷锋， 许少衡， Zhang Tingfeng， Xu Shaoheng

张廷锋,Zhang Tingfeng(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)， 许少衡,XuShaoheng(华南理工大学电力学院,广州,510641)国外电子测量技术

Foreign Electronic Measurement Technology2011,30(11)3次

1. 孙杰. 潘继飞 高精度时间间隔测量方法综述[期刊论文]-计算机测量与控制 2007(02)2. 杨志强. 宋跃 一种高精度时间间隔计数器的校准方法[期刊论文]-国外电子测量技术 2009(05)

3. 李树洲. 史丰丰. 张小朋 皮秒级时间间隔测量精度检定方法的研究[期刊论文]-电子测量与仪器学报 2010(06)4. AHOLA R. MYLLYLA R A new method for measuring the time-of-flight in fast laser range finding 1986(654)5. 邢燕 高精度时间间隔测量系统[期刊论文]-电子测量技术 2010(05)

6. 屈八一. 周渭. 陈发喜 高精度时间间隔测量仪的研制[期刊论文]-仪器仪表学报 2009(07)

7. GORBICS M. ROBERTS S K. ROBERTS K M A high resolution multihit time to digital converter integrated cireuit[外文期刊]1997(03)

8. RAISANEN-RUOTSALAINEN E. RAHKONEN T. KOSTAMOVAARA J Time interval measurements using time-to-voltage conversion withbuilt-in dualslope A/D conversion 1991

9. 潘继飞. 姜秋喜. 毕大平 基于内插采样技术的高精度时间间隔测量方法[期刊论文]-系统工程与电子技术 2006(11)10. 潘继飞. 姜秋喜 一种高精度时间间隔测量方法及仿真验证[期刊论文]-光电技术应用 2007(06)11. 李丙启 高精度时间间隔测量方法的研究[期刊论文]-电测与仪表 2011(04)

12. 王刚. 李桂林 基于改进式电容充放电的纳秒级时间测量技术[期刊论文]-单片机与嵌入式系统应用 2011(02)

1. 张大为. 孙阳. 刘迪 一种笔记本电池保护板测试仪的设计[期刊论文]-国外电子测量技术 2012(7)2. 赵苏坤. 汪普宏 一种高分辨率数字时间鉴别器设计[期刊论文]-国外电子测量技术 2012(10)3. 王云鹏. 续博雄. 殷卫真 基于FPGA的嵌入式数字Q表设计[期刊论文]-电子测量技术 2012(5)

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理论与方法

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己口ｌ

一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

张廷锋１许少衡２

（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

Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄ

Ｏｎ

ｃａｐａｃｉｔｏｒｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ

ＺｈａｎｇＴｉｎｇｆｅｎ９１

ＸｕＳｈａｏｈｅｎ９２

（１．ＮａｔｉｏｎａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇ‘Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ

ｃｅｎｔｅｒ

ｏｆＥ１ｅｔｒｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ，Ｇｕａｎ９２ｈｏｕ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｐｕｌｓｅｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｉｍｅ—ｔｏ—ｖ０１ｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｗｈｉｃｈｌｅｓｓｔｈａｎ

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ｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｓａｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈａｎｔｉｍｅ—ｔ０＿ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ａｓｍａｌｌｅｒｂｌｉｎｄｒｅｇｉｏｎｏｆｒａｎｇｉｎｇｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅａｎａｌｏｇｔｉｍｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ．ＫｅｙｗｏｒｔＩｓ：

ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃａｐａｃｉｔｏｒｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ；ｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔ

Ｏ

引言

ｌ

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

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ｎ４］。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间间隔测量方法，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，其测鼍精度只与Ａ／Ｄ转换器的位数有关，且测量范围大，实时性好。

法为基础。脉冲计数法是采用频率稳定的标准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

ｆ疋

图ｌ脉冲计数法测量时间间隔原理

收稿日期：２０１１—８—５

—３０一

中国科技核心期刊

第３口卷第ｌ

己口１１年ｆ１月

Ｉ期嘲潮翮剽徽粼黼黼黼，塞鹣参ｔ瓢。一。

理论与方法

量化时钟频率为＾，对应的周期瓦＝ｌ／＾，在待测到２，恒压源Ｖ。通过电阻Ｒ对电容Ｃ充电，电容电压耽如

脉冲上升沿启动计数器计数，下一个待测脉冲上升沿结束图３所示由零开始上升，其上升规律如式（３）：

计数，计数器得到的脉冲为竹，则由脉冲计数法求得待测

Ｖｃ（￡）＝Ｖｓ（１一ｅ一纛）

（３）

脉冲时间间隔ｎ为：

胄

Ｔｘ＝竹丁ｏ

（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：

２

Ｔｘ一行Ｔｏ＋丁ｌ—Ｔｚ

（２）

比较式（１）、式（２）可得脉冲计数法的测量误差为图２电容充放电的时间间隔测量原理

△下＝Ｔ。一Ｔ２，其最大值为一个量化时钟周期Ｔ０，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿不同步，且待测当第一个量化时钟上升沿到来时，Ａ／Ｄ转换器通过时间间隔并非量化时钟周期的整数倍。该误差称为脉冲隔离放大器对电容电压Ｖ。进行采样量化，则由式（３）可得计数法的原理误差。假如量化时钟的频率为１０ＭＨｚ，则到电容充电的时间（Ｔ，）为：

由原理误差引起的最大测量误差为△Ｔ。。＝Ｔｏ＝１／，ｏ一

Ｔ１＝ｆ＝一目ＣＩｎ（１一ｙｃ／Ｖｓ）

（４）

１００

ｎｓ，这对于许多测量过程，如激光测距等是远远不能

随着电容充电的进行，电容电压ｎ趋近于Ｕ。当下一

达到测量精度要求的。要减少原理误差，最直接的方法就个待测脉冲上升沿到来时，计数器闸门关闭，停止对量化是提高量化时钟频率以缩小量化时钟周期瓦，但频率的时钟计数，获得量化时钟个数珂。则计数时间可由式（１）得提高是有限度的，它受到诸如成本等各种因素的制约，因到。同时，电子开关Ｓ由２切换到１，电容Ｃ通过电阻Ｒ放为频率越高对器件、电路的要求越高。除了原理误差之电，电容电压Ｖ。如图３所示由ｙ。开始下降，其变化规律如外，量化时钟的不稳定度△Ｔｏ／瓦是另外一个误差因素，式（５）：

该误差称为时标误差，大小为Ｔ，工・△Ｔｏ／Ｔｏ，可以看出待

Ｋ（ｆ）＝强一士

（５）

测脉冲间隔ｎ越大，时标误差越大，时标误差可以采用高

当下一个量化时钟上升沿到来时，Ａ／Ｄ转换器通过稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准。

隔离放大器对电容电压Ｖｃ进行采样量化，则由式（６）可得由于脉冲计数法在时间间隔测量中具有实现容易、测到电容放电的时间（Ｔ：）为：

时范围广等突出优点，目前，高精度时间间隔测量方法主Ｔ２＝￡＝同Ｃｌｎ（Ｖｒｓ／Ｖｃ）

（６）

要是在脉冲计数法的基础上，对量化误差Ｔ。和Ｔ２进行再由式（４＞、（６）可见，通过测量电容充放电过程的电压，次测量，以克服原理误差的影响。常见的方法主要有模拟可以在脉冲计数法的基础上，对量化误差Ｌ和ｔ进行再内插法Ⅲ、数字内插法‘“、延迟线内插法【“、游标法‘”，这次测量。则式（１）可用式（７）表示：

几种时间间隔测量方法首先是对Ｔ，和ｔ进行扩展，然后丁＿＝旭Ｔ。一同Ｃｌｎ（１一ｙａ／Ｖｓ）＋ｊａＣｌｎ（Ｖｃ２／Ｖｓ）（７）

重新计数。这些方法受到电子计数法的束缚，只是减小而通过后续微处理器对式（７）进行运算处理，实现对时不能完全克服原理误差，且存在较大的测量盲区。此外还间间隔的高精度测量。

有时间一电压转换法哺３，时间一相位转换法口。妇等。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…生厂］流非线性影响；时间一相位转换法在正弦波９０。与２７０６处，量化时钟

存在微分过零点，些许的采样误差将会导致很大的相位提门ｉ几ｎ

取误差¨“。

ｎ…删

厂

２基于电容充放电的时间间隔测量方法

图３

电容充放电测量时间间隔的方法属于时间一电压转换时间间隔测量中电容的电压变化曲线

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，通过精确测虽电容上的电压，计算出电容充放电的３

时间常数ＲＣ的选取

时间，在脉冲计数法的基础上，实现对量化误差Ｔ。和瓦的再次测量。其原理如图２所示，主要由恒压源，ＲＣ回图４为不同时间常数ＲＣ电路充电过程的时间一电压

路，电子开关，隔离放大器，以及Ａ／Ｄ变换器组成。

曲线图，从图可以看出，电容在充电开始时电压的变化率当如图１所示的待测脉冲上升沿到来时，计数器闸门最大，充电结束时电压的变化率最小，为了保证Ａ／Ｄ变换打开，开始对量化时钟计数。同时，电子开关ｓ由ｌ切换

器具有较高的分辨率，必须保证电容在充电结柬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

一３１—

理论与方法

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１年Ｉ１月

第］口卷第１Ｉ期－豳麓

己口ｆ

一个量化时钟周期Ｌ，在量化时钟周期确定后，电容电压的变化率由时间常数ＲＣ决定。图４为３种不同时间常数对应的充电曲线。从图４可见，时间常数如果太小，如图４中曲线ｌ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。

ｌ

容充放电最大时间￡。。＝１Ｔ。，为了充分利用Ａ／Ｄ转换器

资源，通过隔离放大器，使％＝弧。则由Ａ／Ｄ转换器引

起的最大量化误差为△Ｔ—Ｔｏ／２。，ｍ为Ａ／Ｄ转换器位数，设量化时钟频率＾＝１０ＭＨｚ，则Ｌ—ｌｏｏｎｓ，Ａ／Ｄ转换器为１４位，则△丁一Ｔｏ／２‘＝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，具有高的输入阻抗、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。

Ｏ．８

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。

ｏ

Ｏ・６

０．４

Ｏ．２

Ｏ

Ｏ．２

Ｏ．４

０．６

ｆ

Ｏ．８ｌ

图４

３种不同时间常数对应的充电

参考文献

为了找到最佳的解值，可在Ｌ点求式（３）对舵的导

数，得式（８）：

Ｉ＝Ｊ］孙杰，潘继飞．高精度时间间隔测量方法综述［Ｊ］．计

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∥ｍ

５

Ｋ志８一懈

（８）

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式（８）导数取得最大值时粥值即为最佳的ＲＣ值［”］。要求式（８）在船变化过程中的最大值，也就是求其导数为。时的船值。对式（８）求导并令其等于ｏ，可得式（９）：

Ⅳ可斋＋蒜］＝ｏ

精度。

电容放电曲线的分析与取值与充电曲线一致。

㈣

Ｉ＝Ｉ］

ＡＨＯＬＡＲ，ＭＹＬＬＹＬＡＲ．Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓ—ｕｒｉｒｌｇｔｈｅｔｉｍｅ－ｏｆ＿ｆｌｉｇｈｔｉｎｆａｓｔｌａｓｅｒｒａｎｇｅＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１９８６（６５４）：１９—２５．

由式（９）解得：船＝ｏ．５丁０。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

∞］口］口］

ｆｉｎｄｉｎｇ口］．

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ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

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

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｃｉｒｅｕｉｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ∞］

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

ｏｎ

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ＲＡＩＳＡＮＥＮ—ＲＵｏＴＳＡＬＡＩＮＥＮＥ，ＲＡＨＫＯＮＥＮＴ，

计数器输出ｎ、量化时钟周期Ｔｏ、充放电电阻电容船、恒压源ｙ。、电容充放电电压Ｋ。、％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Ｌ，当前常规的铷原子频率标准的稳定度已经达到了１０．１１的量级，对于如

１０

ＫｏＳＴＡＭＯＶＡＡＲＡＪ．Ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ

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ｗｉｔｈｂｕｉｌｔ—ｉｎｄｕａ卜

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为ｏ。ｌｐｓ，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。Ｋ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

（下转第３５页）

一３２一

中国科技核心期刊

己口Ｉ｜年ｆ１月第３口卷第ｌ

ｌ期圈嘲鼹翱冁熙嘲圈燃

理论与方法

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航空兵器，２００７（５）：２６－２９．

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ｌ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，维护系统正常工作；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Ⅲ。１“，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。

［７］宋东，马飞，壬传清．一种电子系统测试性模型的研究

与应用［ｊ］．电子测量与仪器学报，２０ｌｏ，ｚ４（９）：６６－７２．［８］胡彭炜，杨福兴，何玉璩．电子设备自动测试系统的环

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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，Ｂ１Ｔ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、显著地缩短诊断时闻、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。

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作者简介

ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．１ＥＥＥＡ８ＬＥ

ｓｙｓｔｅｍ

ｍａｇａｚｉｎｅ，２００４（８）：４８２—４８３．

郑文荣，工程师，博士。研究方向为舰炮武器系统试验与鉴定。

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＿ＨＩｈ，’●—１ｈｊ一～～，１ｈ，一－－－’’｜—＿ｈ，’¨∥一‰＾－・’‰．，＿¨一●ｐ一～ｈ“，＿＿＿—～｜－。啪ｆＨ√＿ＩＰ。吣－Ⅲ¨—呐＾—～一¨７’－—ｍＨ。～，～ｍ—咖Ｐ‘‰，＿＿—ｈ—＿－，’●，～，１－，＿忡一一１ｈ，‰—｜一ｈ。’－４ｑ－一－１■Ｈ‘ｈ，。－。’睁

（上接第３２页）

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７９—８１．

作者简介

张廷锋，硕士，工程师，主要从事电子技术应用研究。

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测量技术［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１１（２）：

中国科技核心期刊

一３５—

一种基于电容充放电的时间间隔测量方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张廷锋， 许少衡， Zhang Tingfeng， Xu Shaoheng

张廷锋,Zhang Tingfeng(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)， 许少衡,XuShaoheng(华南理工大学电力学院,广州,510641)国外电子测量技术

Foreign Electronic Measurement Technology2011,30(11)3次

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