[发明专利]用两级级联延时线法测量时间间隔的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及高精度时间间隔测量技术，属于光盘读出信号分析检测领域

背景技术

最常见的测量时间间隔的方法是脉冲计数法，其原理如图1所示。待测信号的高/低电平(即时间间隔)控制高频计数器的开关，通过计算期间的脉冲数目就可以得到待测的时间宽度。假设测量得到的脉冲数目为n，计数时钟周期T₀，则实际测量结果T_w′是计数时钟周期的整数倍数nT₀。这种方法测量过程相对简单，但是测量精度和分辨率不易提高。由于待测信号的上升沿或下降沿相对于计数时钟的位置是随机的，不一定正好落在时钟的边沿上，测量值T′_w与真实值T_w存在误差：

ΔT_w＝T′_w-T_w＝T₂-T₁

这个误差是一个随机数，取值在-T₀～+T₀之间。不难看出，脉冲计数法要提高测量的精度和分辨率，则必须提高计数时钟的频率。例如若要达到1ns的分辨率，则时钟频率需要达到1GHz以上。虽然随着现代微电子技术的发展可以将时钟频率提高到3GHz，但是此时电路板的布线、材料选择、加工等问题和器件本身的价格，都会使系统成本过高，从工程和经济角度都将很成问题。可见单纯靠提高时钟频率提高精度并不能满足精密时间间隔测量的要求，从20世纪70年代开始，有人开始研究对计数周期的细分方法，测量不足整周期部分的时间宽度，从而达到减小测量误差、提高测量精度的目的。

目前主要的周期细分方法可归纳为以下四类：时幅转换法、间隔展宽法、游标法和延时线法。时幅转换法的核心思想是将小量的时间间隔利用电容充放电转换为电信号幅度(一般为电压幅度)，通过测量电压来间接测量时间间隔，如图2所示。由于是模拟电路处理，在转换过程中没有连续量离散化的过程，因此在转换过程中不存在量化误差。理论上，这种方法能够达到1ps的分辨率，但是实际电路中容易受到电流电压抖动、电路噪声和串扰、温度变化以及电容工作区非线性度的影响，导致电路稳定性较差。另外转换时间较长，不适合快速连续测量。电路调整也比较复杂。

间隔展宽法类似时幅转换法，同样利用电容充放电将时间间隔按比例扩展成间距比较大的时间间隔，然后再用脉冲计数法测量。它同样具有时幅转换法转换时间长、电路复杂、稳定性差的缺点。

游标法测量原理类似游标卡尺测距原理，它使用两路频率相差微小的时钟，其周期差值就是游标法所能达到的分辨率。理论上该方法同样可以提供到1ps的分辨率，并且可以采用纯数字电路实现。但是使用游标法最大的缺点是单发测量需要很长的转换时间，从而限制了它的应用范围。

相比较以上方法，延时线方法是最具优势的一类方法。因为其转换时间短，纯数字电路，容易集成在单个芯片中，结构紧凑，受外界干扰小，分辨率可以达到100ps以下。这类方法主要利用0逻辑单元延时或路径传输延时来对时间间隔进行数字化。目前有十种以上不同的延时线方法提出，然而大部分都是基于单级延时线或并联延时线设计，这就意味着通常需要几十甚至上百个的延时单元才能达到需要的分辨率，从而导致非线性度的增大和电路结构的扩大。Mantyniemi等设计了一种两级延时线的时间插值，从而大大减小了延时单元的数目。但是这种方法是基于数字CMOS技术按ASIC芯片设计的，一次设计的成本很高，尤其当少量生产时。而且设计过程相当复杂，且设计加工周期长。

发明内容：

本发明的目的：光盘读出信号抖晃特性是衡量整个光盘存储播放系统性能的一个重要指标，特别在高速系统中，该参数尤为重要。目前对于抖晃的测量主要应用时间间隔分析仪，其分辨率可达100ps，缺点是价格昂贵，而且不是专门针对光盘抖晃测量的仪器，操作不便，不易集成。本发明利用逻辑单元和信号传输的延时，提出了用两级级联延时线方法实现时域数字化，达到了皮秒级测量精度，并应用到高速光盘盘片的抖晃测量中。