專利名稱：一種納米級脈沖信號采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有高精度要求的脈沖信號采集的方法，特別是一種新型納米級脈沖信號采集方法。
背景技術：
脈沖信號是一種廣泛使用的信號，可以應用與很多個領域，比如在國內捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中廣泛使用的慣性器件是機電式慣性傳感器，這些傳感器一般配用模擬再平衡回路，回路輸出模擬信號，再經過量化得到脈沖信號，所以在捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中經常需要對脈沖信號進行采集；同時在高精度測量要求的環(huán)境下使用的光柵尺的輸出信號也為脈沖信號，需要對脈沖信號進行采集，而這種信號往往頻率高，脈寬能到納米級，所要求的采集環(huán)境和采集方法也比較高。
目前，國內關于米集脈沖信號的方法一般集中在兩種方法。其一，傳統(tǒng)脈沖數(shù)據(jù)米集方法是通過信號的上 升沿觸發(fā)計數(shù)器進行計數(shù)，脈沖數(shù)為整數(shù)，此種方法的最大測量誤差為一個脈沖，時鐘頻率越高，測量誤差越小。但是頻率越高對芯片的性能要求也越高，例如要求Ins的測量誤差時，時鐘頻率就需要提高到1GHz，此時一般計數(shù)器芯片很難正常工作，同時也會帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題。其二，更為先進一點的脈沖采集方法是在采集的過程中設置兩組門閥脈沖信號，這兩組門閥信號的脈寬相同但是有90 度的時延，兩組門閥信號分別鎖存住前半周和后半周的待測脈沖信號計數(shù)值，再通過兩個半周的脈沖數(shù)相加可以得到一個時間段內的脈沖數(shù)，此種采集方法與傳統(tǒng)方法相比提高了一倍，而且具有一定的抗干擾性，但是這種方法在面對高頻率的脈沖信號的時候數(shù)據(jù)處理量太大，無法實現(xiàn)。因此為了滿足高精度采集要求，需要采用內部高精度時間基準計脈沖寬度的計數(shù)方法。發(fā)明內容
在絕大多數(shù)米集情況中，在一個米樣脈沖開始時刻和該時刻后的待測脈沖第一個上升沿之間有一段差距，而這個差距的值大于O而小于一個待測脈沖周期(在采樣脈沖結束時刻同樣有一個類似的差距)，傳統(tǒng)的采集方法無法測出這兩個差距的值而只能將此差距做為誤差忽略，而本方法致力于測量并計算出差距值進而達到減少誤差提高精度的目的。
為了滿足高精度納米級脈沖信號的要求，進一步提高采集精度，通過系統(tǒng)內部精準時鐘對脈沖寬度進行測量，其原理及具體實現(xiàn)方法如下
步驟一，采樣待測脈沖的時序，使用可編程邏輯器件來做定時采樣，每個采樣時鐘在內部生成2K采樣時鐘信號，以采樣時鐘的頻率發(fā)送中斷對脈沖細分時間進行計算，得出整數(shù)脈沖個數(shù)和小數(shù)脈沖數(shù)。
首先將采樣周期的整個時間分為三段，開始段，結束段和中間段
在開始段開始的標志是采樣脈沖開始時刻的前一個待測脈沖上升沿，結束的標志是下一個待測脈沖上升沿。
在結束段開始的標志是采樣脈沖結束時刻前一個待測脈沖上升沿，結束的標志是下一個待測脈沖上升沿。
開始段和結束段的長度均為一個待測脈沖周期。
在中間段開始的標志是采樣脈沖開 始段之后的第一個待測脈沖上升沿，結束的標志是采樣周期結束段之前的倒數(shù)第一個待測脈沖上升沿。
開始段的時間+中間段的時間+結束段的時間=整個采樣周期。
我們要測的是在一個采樣周期內有多少個待測脈沖周期，這個值可能是整數(shù)也可能是小數(shù)，小數(shù)的精度由計時時鐘頻率決定。
步驟二，對這三個段的時間分別測量，在測量前需要引入第三個脈沖稱之為基準脈沖，所述的基準脈沖頻率在150MHz以上，波形穩(wěn)定，并且與待測脈沖、采樣脈沖同步開啟，使其三者保持同步的時序
開始段時間測量將開始段分為兩組，這兩組的分界線是采樣脈沖的上升沿。開始段開始時刻至分界線的這一組的時間長度由基準脈沖測量，在這段時間內每遇到一個基準脈沖的上升沿就將可編程邏輯器件內部定義的regtl計數(shù)器的值加I (計數(shù)器初始值為 O),由此可得到這一組包含了 tl個基準脈沖周期值，同理可以得到第二組從分界線到開始段結束之間包含的t2個基準脈沖周期值。
中間段時間測量中間段的測量采用傳統(tǒng)的測量方法，在中間段的時間區(qū)域內，每碰到一個待測脈沖的上升沿就將計數(shù)寄存器的值加1，由此可得到這個中間段所包含的NO 個待測脈沖周期值。
結束段時間測量將結束段分為兩組，這兩組的分界線是采樣脈沖的下一個上升沿。這兩組的時間長度與開始段時間測量方法一樣，最后得到結束段第一組值t4和結束段第二組值t5。
顯然tl+t2的值是一個待測脈沖周期，將它定義為t3，t4+t5的值也是一個待測脈沖周期，將它定義為t6 ；t3和t6不盡相同，因為它們各有誤差，誤差大小為兩個基準脈沖周期。
步驟三，根據(jù)公式計算
N = NO + t2/t3 + t4/t6
其中，N表示在一個采樣周期內包含的待測脈沖個數(shù)。
NO表示在中間段包含的待測脈沖個數(shù)
t2/t3表示在開始段包含的待測脈沖個數(shù)，其值是一個小數(shù)，代表的是采樣脈沖開始時刻和該時刻后的待測脈沖第一個上升沿之間有一段差距的值。
t4/t6表示在結束段包含的待測脈沖個數(shù)，其值是一個小數(shù)，代表的是采樣脈沖結束時刻和該時刻后的待測脈沖第一個上升沿之間有一段差距的值。
計算得到采樣周期內的脈沖數(shù)，同時在可編程邏輯器件內部生成通信接口 IP核， 可以把這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。根據(jù)其實現(xiàn)原理將這種脈沖采集命名為“脈沖細分數(shù)據(jù)采隹”ο
其中，所述的采集待測脈沖的時序的硬件使用差分轉換芯片來接收光柵尺和慣組的信號，保證最大程度的保證完整的光柵尺脈沖信號和慣組脈沖信號輸入。
本方法的特征在于
(I)對一個采樣周期內待測脈沖的開始和末尾進行了分段分組測量，將待測脈沖分為開始，中間和末尾三段，以較高的精度得到起始脈沖寬度和末尾脈沖寬度。
(2)使用高頻率高精度的芯片內部時鐘去做基準時鐘，保證了多組脈沖測量時的同步性和單組脈沖測量的可靠性。
(3)使用單芯片集成的方法(一片可編程邏輯器件)保證了硬件的小型化設計和采集的實時性。
(4)比傳統(tǒng)的時鐘測量和脈寬門閥測量方法的精度高出I個量級，尤其是在面對納米級的脈沖信號采集時。


圖I為采樣時序圖，
圖2為脈沖細分圖，
圖3為傳統(tǒng)脈沖采集圖。
具體實施方式
在某測試設備當中需要采集慣組的脈沖信號和光柵尺的脈沖信號，由于要求很高的采集精度，特采用了此種采集方法。
在采集系統(tǒng)的硬件設施方面使用了具有最大輸入頻率到52MHz的差分轉換芯片來接收光柵尺和慣組的信號，保證其能夠最大程度的保證完整的光柵尺脈沖信號和慣組脈沖信號輸入，將通過了差分轉換芯片的脈沖信號作為被測脈沖接入FPGA當中，在FPGA 內部產生高精度的192MHz計時時鐘和2K采樣時鐘，在FPGA內部生成寄存器分別記錄 tl, t2, t4, t5時段的基準計時時鐘數(shù)，寄存器的值在FPGA內部以2K的頻率不斷的讀取和計算，最終通過通信IP核輸出精確的脈沖計數(shù)。
在軟件設計方面，同樣還是以2Κ時鐘去進行數(shù)據(jù)采樣，在O. 5ms周期內脈沖計數(shù)與以前方式一致，但是在2K時鐘的上升沿處要對被測脈沖進行細分處理，通過內部較高頻率時鐘去對被測脈沖在上升沿處的脈沖間隔進行計時，如圖2所示，用計時脈沖得到tl t6等幾個時間值，最終如圖所示采樣周期內的脈沖數(shù)為
N = N0 + — + —B /6
根據(jù)目前測試設備設計的參數(shù)，測試設備運行速度最快時光柵尺脈沖輸出最大頻率為12M，而采集板內部的時鐘能達到192M，光柵尺、慣組脈沖采用此種方式采樣的量化誤差可以提高至少十幾倍，慣組脈沖提高精度就更多了。
此種采樣在提高采集精度的同時，通過采樣時鐘使光柵尺和慣組脈沖更準確同步，計算精度相對又有提聞。
傳統(tǒng)的采集方法如圖3所示，在可編程邏輯器件里面生成計數(shù)器，當2K采樣時鐘上升沿來的時候觸發(fā)計數(shù)器使能，當每個被測脈沖上升沿過來則計數(shù)器加一，在2K采樣時鐘第二個上升沿的時候鎖存計數(shù)器的值，這個時候讀取計數(shù)器里面的值就是在一個完整的 2K周期里面的脈沖個數(shù)NO。6
通過將脈沖細分方法與傳統(tǒng)采集方法進行比較，有如下不同
I.傳統(tǒng)采集方法只能計量整數(shù)的脈沖個數(shù)，在采樣時鐘首尾兩端不完整脈沖段的值被忽略，所以其采集方法最大誤差數(shù)為2個被測脈沖周期。
2.脈沖細分方法能夠測量首尾兩端不完整脈沖段的值，這個值的誤差與基準時鐘頻率有關，就本實用例來說其誤差為2個基準脈沖周期，但是基準脈沖周期明顯比被測脈沖周期要低得多，因此精度要高(基準脈沖頻率/被測脈沖頻率)倍。
綜合以上，該采集方法有以下明顯優(yōu)勢采集精度提高十幾倍，采集同步性更好、 計算精度越高。
權利要求
1.一種納米級脈沖信號采集方法，通過系統(tǒng)內部精準時鐘對脈沖寬度進行測量，其特征在于，具體步驟如下 步驟一，采樣待測脈沖的時序，使用可編程邏輯器件來做定時采樣，每個采樣時鐘在內部生成2K采樣時鐘信號，以采樣時鐘的頻率發(fā)送中斷對脈沖細分時間進行計算，得出整數(shù)脈沖個數(shù)和小數(shù)脈沖數(shù)； 首先將采樣周期的整個時間分為三段，開始段，結束段和中間段 在開始段開始的標志是采樣脈沖開始時刻的前一個待測脈沖上升沿，結束的標志是下一個待測脈沖上升沿； 在結束段開始的標志是采樣脈沖結束時刻前一個待測脈沖上升沿，結束的標志是下一個待測脈沖上升沿； 在中間段開始的標志是采樣脈沖開始段之后的第一個待測脈沖上升沿，結束的標志是采樣周期結束段之前的倒數(shù)第一個待測脈沖上升沿； 開始段的時間+中間段的時間+結束段的時間=整個采樣周期； 我們要測的是在一個采樣周期內有多少個待測脈沖周期，這個值可能是整數(shù)也可能是小數(shù)，小數(shù)的精度由計時時鐘頻率決定； 步驟二，對三個段的時間分別測量，在測量前引入第三個脈沖稱之為基準脈沖， 開始段時間測量將開始段分為兩組，這兩組的分界線是采樣脈沖的上升沿，開始段開始時刻至分界線的這一組的時間長度由基準脈沖測量，在這段時間內每遇到一個基準脈沖的上升沿就將可編程邏輯器件內部定義的regtl計數(shù)器的值加1，計數(shù)器初始值為O，由此可得到這一組包含了 tl個基準脈沖周期值，同理可以得到第二組從分界線到開始段結束之間包含的t2個基準脈沖周期值； 中間段時間測量中間段的測量采用的測量方法為，在中間段的時間區(qū)域內，每碰到一個待測脈沖的上升沿就將計數(shù)寄存器的值加1，由此可得到這個中間段所包含的NO個待測脈沖周期值； 結束段時間測量將結束段分為兩組，這兩組的分界線是采樣脈沖的下一個上升沿，這兩組的時間長度與開始段時間測量方法一樣，最后得到結束段第一組值t4和結束段第二組值t5 ； 將tl+t2的值定義為t3，將t4+t5的值定義為t6 ； 步驟三，根據(jù)公式計算N = NO + t2/t3 + t4/t6 其中，N表示在一個采樣周期內包含的待測脈沖個數(shù)， NO表示在中間段包含的待測脈沖個數(shù)， t2/t3表示在開始段包含的待測脈沖個數(shù)，其值是一個小數(shù)，代表的是采樣脈沖開始時刻和該時刻后的待測脈沖第一個上升沿之間有一段差距的值， t4/t6表示在結束段包含的待測脈沖個數(shù)，其值是一個小數(shù)，代表的是采樣脈沖結束時刻和該時刻后的待測脈沖第一個上升沿之間有一段差距的值， 計算得到采樣周期內的脈沖數(shù)，同時在可編程邏輯器件內部生成通信接口 IP核，把這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種納米級脈沖信號采集方法，其特征在于，所述基準脈沖頻率在150MHz以上，波形穩(wěn)定，并且與待測脈沖、采樣脈沖同步開啟。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種納米級脈沖信號采集方法，其特征在于，所述的采集待測脈沖的時序的硬件使用差分轉換芯片來接收光柵尺和慣組的信號，保證最大程度的保證完整的光柵尺脈沖信號和慣組脈沖信號輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米級脈沖信號采集方法。該方法針對納米級脈沖信號使用了一種新型的采集方法，通過內部基準計時時鐘與采樣時鐘的配合，對一個采樣周期內待測脈沖的開始和末尾進行了分段分組測量，將待測脈沖分為開始，中間和末尾三段，以較高的精度得到起始脈沖寬度和末尾脈沖寬度。能夠準確的測量出采樣時鐘的前端和后端的脈沖數(shù)t1,t2,t4,t5。使用高頻率高精度的芯片內部時鐘去做基準時鐘，使用單芯片集成的方法保證了硬件的小型化設計和采集的實時性。這樣的方法能夠彌補傳統(tǒng)采集方法無法采集前后端的缺點，具有較高的精度和實時性。
文檔編號G01R29/02GK102928677SQ201210447680
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權日2012年11月9日
發(fā)明者陽衛(wèi)平, 梁仁仁, 林能發(fā), 龍帆 申請人:湖南航天遠望測控技術有限公司