[发明专利]高精度时间测量器

说明书

技术领域

    本发明中属于精密测量领域，具体涉及一种以集成电路方式制作的时间测量器，可用在各种需要对时间间隔进行精确测量的系统中。

背景技术

时间间隔的测量技术，尤其是高精度的时间间隔的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计，数字示波器，超声波热量表和水表等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事技术领域都离不开高精度的时间间隔测量技术。

时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高，对时间测量的精度要求已达到皮秒数量级，精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。同时时间间隔测量技术的实现方式也与其应用环境有很大关系。在很多小型化测量仪表应用中，需要将测量系统做得尽量小，方便携带和安装。在电池供电的测量仪表中，对测量方案的低功耗要求又很高。在小型化和低功耗这两方面，基于集成电路技术的时间间隔测量技术具有非常明显的优势。

现有的基于集成电路的时间间隔测量技术主要是基于反相器延时来实现的。其利用一个反相器的门延时作为最小测量时间间隔，这主要得益于集成电路工艺的进步，使得一个反相器的门延时可以达到100皮秒这个量级。这可以满足很多精密测量的需求，但是在某些应用场合，如超声波热量表尤其是超声波水表应用中，这个精度还不足够。

发明内容

   本发明的目的在于提出一种高精度时间测量器，本时间测量器不仅测量精度高，而且功耗低。

本发明提出的高精度时间测量器，由时钟产生电路，脉冲发生电路，输入比较器，时间数字转换器组成。核心原理是将时间转换成数字脉冲，对脉冲间的时间差精确测量。测量时，时间数字转换器发出START信号，控制脉冲发生器发射脉冲，输入比较器检测由STOP通道返回的脉冲，脉冲飞行一段时间后由STOP通道输入，输入比较器检测输入脉冲并转换成数字信号送到时间数字转换器，精确计算START和STOP间的时间差。

本发明中的时间数字转换器由两个积分器，一个比较器和一个计数器组成，测量时分粗计数和精计数两个过程。粗计数过程记录从START到STOP出现的参考时钟周期数。精计数过程中，STOP信号触发小时间常数的积分器工作，到下一个参考时钟沿结束。然后在参考时钟控制下，大时间常数的积分器开始工作，同时精计数开始，比较器一直比较两个积分器的输出，当比较器输出翻转时，得到精计数值。粗计数和精计数值输出给算术逻辑单元得到最终结果。由于两个积分器的时间常数之比大于等于N倍，N大于等于1000，得测量精度可以达到基准时钟周期的N分之一，大大提高测量精度。

本发明中的输入比较器具有失调电压自动调零和信号识别功能。比较器中有一个自动调零回路，能将主比较器的失调信息储存起来，从而达到消除失调电压的功能。通过失调电压自动调零技术，比较器可以准确判断输入信号的过零点，得到准确的时间差。输入比较器中有两个相同的比较器，其中一个比较器可在调零之后配置失调电压，这样可以保证输入信号到达一定强度后比较器再进行判断，同时避免干扰信号造成输入比较器误判断，确保得到准确的时间差。

本发明中的时间测量器通过不同时间常数的积分器将测量时间间隔放大数千倍，然后用参考时钟进行计数，测量精度为参考时钟周期的数千分之一，达到10皮秒的量级，完全可以满足超声波热量表和水表的需求。而且整个测量电路都可以集成电路上实现，测量方案小，可以满足各种小型化低功耗测量系统的需求。

附图说明

   图1是时间测量器的一种实施例的结构示意图。

   图2是时间测量器的工作流程示意图。

图3是时间数字转换器的具体结构示意图。

   图4是时间数字转换器的工作时序示意图。

图5是时间数字转换器精计数时序示意图。

   图6是输入比较器的结构示意图。

具体实施方式