專利名稱：基于現(xiàn)場可編程門陣列的回波飛行時(shí)間測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回波飛行時(shí)間測量方法，具體涉及一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的 回波飛行時(shí)間測量方法。
背景技術(shù)：
回波飛行時(shí)間是指信號或者物體從發(fā)射端通過介質(zhì)到達(dá)接收端所經(jīng)歷的時(shí)間間 隔長度，回波飛行時(shí)間測量在電子電路中通常轉(zhuǎn)換成兩個(gè)脈沖信號邊沿之間的時(shí)間間隔測 量，測量原理是在發(fā)射信號時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)回波信號達(dá)到閾值之后停止計(jì)時(shí)，從而測出信號 傳播的時(shí)間間隔，實(shí)際測量中待測飛行時(shí)間和脈沖計(jì)數(shù)法實(shí)際測得的飛行時(shí)間之間總是存 在誤差。為降低時(shí)間測量誤差，目前普遍采用的回波飛行時(shí)間的測量方法有直接法、模擬內(nèi) 插法以及延遲時(shí)間內(nèi)插法直接法是利用發(fā)射信號啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，回波信號停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 來測量回波飛行時(shí)間，該方法的缺點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)IOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz， 信號達(dá)到微波段，這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)， 在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)；模擬內(nèi)插法，也稱時(shí)間放大法，是通過一個(gè)高速轉(zhuǎn)換開關(guān)在測量時(shí) 間內(nèi)用大恒流源充電，而后用小恒流源放電，通過電容充放電時(shí)間特性將測量時(shí)間放大再 進(jìn)行回波飛行時(shí)間測量，該方法的缺點(diǎn)是利用對一個(gè)電容充放電以進(jìn)行測量，屬于模擬過 程，在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線性的問題，而且理想 的恒流源也難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性帶來的誤差可能高 達(dá)幾十ps;延遲時(shí)間內(nèi)插法是利用電子器件單元固有的延時(shí)作為測量時(shí)使用的標(biāo)尺來實(shí) 現(xiàn)時(shí)間差的測量，該方法的缺點(diǎn)是隨著測量分辨率的提高，要求延遲線長度越來越短，當(dāng)測 量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增加，延遲線長度的增加導(dǎo)致了積分非線性，并使得 溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的抖動(dòng)導(dǎo)致了回波飛行時(shí)間測量的誤差加大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于現(xiàn)場可編 程門陣列的測量回波飛行時(shí)間的方法，該回波飛行時(shí)間測量方法以脈沖計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)，通 過相位延遲技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間插值，能夠達(dá)到時(shí)間測量精度為90ps以下，克服了直接法要實(shí)現(xiàn) IOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz，信號達(dá)到微波段，這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn) 確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)；也克服了模擬內(nèi) 插法在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線性的問題，而且理想 的恒流源也難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性帶來的誤差可能高 達(dá)幾十ps的缺陷；還克服了延遲時(shí)間內(nèi)插法的隨著測量分辨率的提高，要求延遲線長度越 來越短，當(dāng)測量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增加，延遲線長度的增加導(dǎo)致了積分非 線性，并使得溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的抖動(dòng)導(dǎo)致了回波飛行時(shí)間測量的誤差 加大的缺陷。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量回波飛行時(shí)間的方法，步驟如下步驟1 將ΙΟΜΗζ-ΙΟΟΜΗζ范圍的低頻時(shí)鐘信號2輸入到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1 的倍頻/鎖相模塊3中，通過倍頻/鎖相模塊3中的鎖相環(huán)技術(shù)將低頻時(shí)鐘信號2的時(shí)鐘 頻率提高為550MHz以上的高頻時(shí)鐘信號4，并將該高頻時(shí)鐘信號4輸出到現(xiàn)場可編程門陣 列系統(tǒng)1的數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊5中；步驟2 通過數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊5中的時(shí)鐘管理技術(shù)對高頻時(shí)鐘信號4做去 抖動(dòng)處理，降低高頻時(shí)鐘信號4的抖動(dòng)和歪斜，得到穩(wěn)定的550MHz以上的高頻參考時(shí)鐘信 號6，并將該高頻參考時(shí)鐘信號6輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的相位延遲內(nèi)插模塊7 中；步驟3 將被測回波飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9輸入到脈沖生 成及整形電路10中，使計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9分別生成邊沿陡峭的開始Start 信號11和邊沿陡峭的結(jié)束Stop信號12，并將該開始Start信號11和結(jié)束 Stop信號12輸 出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中，其中η為大于或等于1的正 整數(shù)；步驟4 然后對輸入高頻參考時(shí)鐘信號6做延遲內(nèi)插，得到η路同頻不同相的參考 時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡η} 13，并把參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ^ i ^ η} 13依次輸出到 η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中，其中，i為大于或等于1且小于或等于η的正整數(shù)，η為大于 或等于1的正整數(shù)；步驟5 :Π組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14分別根據(jù)各自對應(yīng)的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_ i 11彡i彡η} 13對開始Start信號11和結(jié)束Stop信號12之間的回波飛行時(shí)間做多相位多 時(shí)鐘脈沖填充，得到含參考時(shí)鐘相位信息的被測時(shí)間集{NJP| 1 ^nj 15，其中Ni為對應(yīng) 的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等 于η的正整數(shù)，η為大于或等于1的正整數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ^ i ^ η} 13 的時(shí)鐘脈沖周期，并將被測時(shí)間集{NJP| 1 ^nj 15輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的 數(shù)據(jù)處理模塊16中；步驟6 在數(shù)據(jù)處理模塊16中對被測時(shí)間集{NJP11彡i彡η} 15做T = ^YjNiTf
^n /=1
算術(shù)平均處理，得到被測飛行時(shí)間Τ21，，其中Ni為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng) 的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等于η的正整數(shù)，η為大于或等于1 的正整數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡η} 13的時(shí)鐘脈沖周期；步驟7 將被測飛行時(shí)間Τ21送入先進(jìn)先出寄存器22暫存。步驟8 隨后將被測飛行時(shí)間Τ21按先進(jìn)先出的順序送入到顯示器23中進(jìn)行順序 顯不。所述的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14、數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn)先 出寄存器22以及顯示器23內(nèi)按照所述的基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量回波飛行時(shí)間的方 法的步驟的先后順序預(yù)設(shè)同步時(shí)序關(guān)系，分別通過現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的時(shí)序控制模 塊17發(fā)出η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)處理時(shí)序控制信號19、相位延遲時(shí)序控制信號18、 先進(jìn)先出寄存器時(shí)序控制信號30以及顯示器時(shí)序控制信號20來協(xié)調(diào)η組可控雙邊沿計(jì)數(shù) 器14與數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn)先出寄存器22以及顯示器23同步工作，其中n為大于或等于1的正整數(shù)。所述的η路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ^ i ^ η} 13依次之間的延遲 時(shí)間τ為τ = ，其中i為大于等于1且小于等于η的正整數(shù)，η為大于或等于1的正整 η
數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡η} 13的時(shí)鐘脈沖周期。所述的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中的每組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器包括時(shí)鐘信號輸入 線24，該時(shí)鐘信號線24和偶計(jì)數(shù)器25的輸入端、奇計(jì)數(shù)器26的輸入端以及多路選擇器27 的使能端s相連接，偶計(jì)數(shù)器25的輸出端和奇計(jì)數(shù)器26的輸出端分別和多路選擇器27的 第一輸入端a和第二輸入端b相連接，多路選擇器27的輸出端和輸出信號線28相連接，其 中η為大于或等于1的正整數(shù)。通過相位延遲技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間插值，能夠達(dá)到時(shí)間測量精度為90ps以下，克服了直 接法要實(shí)現(xiàn)IOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz，信號達(dá)到微波段，這樣的信號不僅 難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)；也 克服了模擬內(nèi)插法在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線性的 問題，而且理想的恒流源也難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性帶來 的誤差可能高達(dá)幾十ps的缺陷；還克服了延遲時(shí)間內(nèi)插法的隨著測量分辨率的提高，要求 延遲線長度越來越短，當(dāng)測量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增加，延遲線長度的增加 導(dǎo)致了積分非線性，并使得溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的抖動(dòng)導(dǎo)致了回波飛行時(shí) 間測量的誤差加大的缺陷。


圖1是回波飛行時(shí)間的測量原理時(shí)序示意圖。圖2是本發(fā)明基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛行時(shí)間的方法的原理示意 圖。圖3是本發(fā)明的一組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。如圖1所示，通過回波飛行時(shí)間的開始事件信號和結(jié)束事件信號分別生成邊沿陡 峭的開始Start信號和結(jié)束Stop信號，開始Start信號和結(jié)束Stop信號之間的時(shí)間間隔 即為回波飛行時(shí)間Ttrae,而通過開始信號Start和結(jié)束信號Stop計(jì)數(shù)器得到Ref_Clk為參 考時(shí)鐘信號，利用脈沖計(jì)數(shù)法通過參考時(shí)鐘信號Ref_Clk得到被測飛行時(shí)間T，被測飛行時(shí) 間T為T = NTp(1)該方法的測量誤差為Δ T2-Δ T1,大小為小于等于一個(gè)TP，其中Δ T2為針對結(jié)束信 號Stop的誤差，Δ T1為針對開始信號Start的誤差，N為參考時(shí)鐘信號Ref_Clk驅(qū)動(dòng)的計(jì) 數(shù)器的計(jì)數(shù)值，為大于等于零的正整數(shù)，Tp為一個(gè)脈沖周期。由此可見，要減小測量誤差，關(guān) 鍵是提高時(shí)鐘信號Ref_Clk頻率以及采用多相位多時(shí)鐘脈沖填充技術(shù)。
如圖2所示，本發(fā)明的基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)的測量回波飛行時(shí)間的方法， 步驟如下步驟1 將ΙΟΜΗζ-ΙΟΟΜΗζ范圍的低頻時(shí)鐘信號2輸入到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的倍頻/鎖相模塊3中，通過倍頻/鎖相模塊3中的鎖相環(huán)技術(shù)將低頻時(shí)鐘信號2的時(shí)鐘 頻率提高為550MHz以上的高頻時(shí)鐘信號4，并將該高頻時(shí)鐘信號4輸出到現(xiàn)場可編程門陣 列系統(tǒng)1的數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊5中；步驟2 通過數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊5中的時(shí)鐘管理技術(shù)對高頻時(shí)鐘信號4做去 抖動(dòng)處理，降低高頻時(shí)鐘信號4的抖動(dòng)和歪斜，得到穩(wěn)定的550MHz以上的高頻參考時(shí)鐘信 號6，并將該高頻參考時(shí)鐘信號6輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的相位延遲內(nèi)插模塊7 中；步驟3 將被測回波飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9輸入到脈沖生 成及整形電路10中，使計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9分別生成邊沿陡峭的開始Start 信號11和邊沿陡峭的結(jié)束Stop信號12，并將該開始Start信號11和結(jié)束Stop信號12輸 出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中，其中η為大于或等于1的正 整數(shù)；步驟4 然后對輸入高頻參考時(shí)鐘信號6做延遲內(nèi)插，得到η路同頻不同相的參考 時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11≤i≤η} 13，并把參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1≤ i ≤ η} 13依次輸出到 η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中，其中，i為大于或等于1且小于或等于η的正整數(shù)，η為大于 或等于1的正整數(shù)；步驟5 :η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14分別根據(jù)各自對應(yīng)的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_ i 11≤i≤η} 13對開始Start信號11和結(jié)束Stop信號12之間的回波飛行時(shí)間做多相位多 時(shí)鐘脈沖填充，得到含參考時(shí)鐘相位信息的被測時(shí)間集{NJP| 1 ≤nj 15，其中Ni為對應(yīng) 的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等 于η的正整數(shù)，η為大于或等于1的正整數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ≤ i ≤ η} 13 的時(shí)鐘脈沖周期，并將被測時(shí)間集{NJP| 1 ^nj 15輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的 數(shù)據(jù)處理模塊16中；步驟6 在數(shù)據(jù)處理模塊16中對被測時(shí)間集{NJP| 1 ≤ i≤ η} 15做T=1/2nn∑i=1NiTp算術(shù)平均處理，得到被測飛行時(shí)間Τ21，其中Ni為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的 可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等于η的正整數(shù)，η為大于或等于1的 正整數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11≤i≤η} 13的時(shí)鐘脈沖周期；步驟7 將被測飛行時(shí)間Τ21送入先進(jìn)先出寄存器22暫存。步驟8 隨后將被測飛行時(shí)間Τ21按先進(jìn)先出的順序送入到顯示器23中進(jìn)行順序 顯不。所述的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14、數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn)先 出寄存器22以及顯示器23內(nèi)按照所述的基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量回波飛行時(shí)間的方 法的步驟的先后順序預(yù)設(shè)同步時(shí)序關(guān)系，分別通過現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的時(shí)序控制模 塊17發(fā)出η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)處理時(shí)序控制信號19、相位延遲時(shí)序控制信號18、 先進(jìn)先出寄存器時(shí)序控制信號30以及顯示器時(shí)序控制信號20來協(xié)調(diào)η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14與數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn)先出寄存器22以及顯示器23同步工 作，其中n為大于或等于1的正整數(shù)。所述的η路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ^ i ^ η} 13依次之間的延遲 時(shí)間τ為r =丄，其中i為大于等于1且小于等于η的正整數(shù)，η為大于或等于1的正整
數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡η} 13的時(shí)鐘脈沖周期。如圖3所示，所述的η組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中的每組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器包括時(shí) 鐘信號輸入線24，該時(shí)鐘信號線24和時(shí)鐘信號變?yōu)?時(shí)計(jì)數(shù)的偶計(jì)數(shù)器25的輸入端、時(shí)鐘 信號變?yōu)?時(shí)計(jì)數(shù)的奇計(jì)數(shù)器26的輸入端以及多路選擇器27的使能端s相連接，偶計(jì)數(shù)器 25的輸出端和奇計(jì)數(shù)器26的輸出端分別和多路選擇器27的第一輸入端a和第二輸入端b 相連接，多路選擇器27的輸出端和輸出信號線28相連接。通過這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)鐘信號變 為0時(shí)，奇計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，偶計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器輸出偶計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)；當(dāng) 時(shí)鐘信號變?yōu)?時(shí)，偶計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，奇計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器輸出奇計(jì) 數(shù)數(shù)據(jù)。于是，在時(shí)鐘信號的控制下，輸出端得到完整的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)器 在時(shí)鐘信號變?yōu)?或1時(shí)都能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿均可 以改變，從而實(shí)現(xiàn)了雙邊沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器的功能，2倍的計(jì)數(shù)功能提高了測量的準(zhǔn)確性。根據(jù)該測量回波飛行時(shí)間的方法，據(jù)(1)式得到被測飛行時(shí)間T21為T = ^-JjNiTp(2)加上η路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 1 ^ i ^ η}依次之間的延遲時(shí)間 τ為τ = -ΤΡ(3)
η得到測量誤差為Ατ = i-AT11)(4)其中，Δ τ為測量誤差，Δ τ ,為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i的測量誤差， AT2i為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i針對結(jié)束Stop信號12的誤差，ATli為對應(yīng)的 第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i針對開始Start信號11的誤差。設(shè)已知Δ T21, Δ T11,由式(3)可得Δ Tli = fmod [ ( Δ T11+ (i_l) τ )，TP](5)Δ T2i = fmod [ ( Δ T22+ (i_l) τ )，ΤΡ]式中fmod是實(shí)數(shù)求余運(yùn)算，返回值為零或正實(shí)數(shù)。將ATliG = 1，…，η)按從小到大順序排列，這η個(gè)數(shù)構(gòu)成公差為τ的等差數(shù) 列，數(shù)列的第1項(xiàng)記為Δ T11 —定滿足0彡ΔΤη < τ，于是^ΤΡ<±Μυ<^ΤΡ
L /=1 ^(6) 將(5)式和(6)式代入(4)式，可以求得雙邊沿脈沖計(jì)數(shù)與相位延遲內(nèi)插相結(jié)合 的測時(shí)方法測量誤差為 這樣通過相位延遲技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間插值，能夠達(dá)到時(shí)間測量精度為90ps以下，克服 了直接法要實(shí)現(xiàn)IOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz，信號達(dá)到微波段，這樣的信號 不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)的缺 點(diǎn)；也克服了模擬內(nèi)插法在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線 性的問題，而且理想的恒流源也難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致 模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性 帶來的誤差可能高達(dá)幾十ps的缺陷；還克服了延遲時(shí)間內(nèi)插法的隨著測量分辨率的提高， 要求延遲線長度越來越短，當(dāng)測量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增加，延遲線長度的 增加導(dǎo)致了積分非線性，并使得溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的抖動(dòng)導(dǎo)致了回波飛 行時(shí)間測量的誤差加大的缺陷。實(shí)施例本實(shí)施例的基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)的測量回波飛行時(shí)間的方法，步驟如下步驟1 將33MHz范圍的低頻時(shí)鐘信號2輸入到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的倍頻/ 鎖相模塊3中，通過倍頻/鎖相模塊3中的鎖相環(huán)技術(shù)將低頻時(shí)鐘信號2的時(shí)鐘頻率提高 為594MHz的高頻時(shí)鐘信號4，并將該高頻時(shí)鐘信號4輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的數(shù) 字時(shí)鐘管理去抖模塊5中；步驟2 通過數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊5中的時(shí)鐘管理技術(shù)對高頻時(shí)鐘信號4做去 抖動(dòng)處理，降低高頻時(shí)鐘信號4的抖動(dòng)和歪斜，得到穩(wěn)定的594MHz的高頻參考時(shí)鐘信號6， 并將該高頻參考時(shí)鐘信號6輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的相位延遲內(nèi)插模塊7中；步驟3 將被測回波飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9輸入到脈沖生 成及整形電路10中，使計(jì)時(shí)開始信號8和計(jì)時(shí)結(jié)束信號9分別生成邊沿陡峭的開始Start 信號11和邊沿陡峭的結(jié)束Stop信號12，并將該開始Start信號11和結(jié)束Stop信號12輸 出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中；步驟4 然后對輸入高頻參考時(shí)鐘信號6做延遲內(nèi)插，得到16路同頻不同相的參 考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡16} 13，并把參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡16} 13依次輸 出到16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中，其中，i為大于或等于1且小于或等于16的正整數(shù)；步驟5 16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14分別根據(jù)各自對應(yīng)的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_ ill ^ ^16} 13對開始Start信號11和結(jié)束Stop信號12之間的回波飛行時(shí)間做多相位 多時(shí)鐘脈沖填充，得到含參考時(shí)鐘相位信息的被測時(shí)間集{NJP| 1 ^ i ^ 16} 15，其中Ni為 對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且 小于等于16的正整數(shù)，Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡16} 13的時(shí)鐘脈沖周期， 并將被測時(shí)間集{NJP| 1 ^ i ^ 16} 15輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的數(shù)據(jù)處理模塊16 中；步驟6 在數(shù)據(jù)處理模塊16中對被測時(shí)間集{NJP| 1彡i彡16} 15做
在算術(shù)平均處 ，得到被測飛行時(shí)間T21，其中Ni為對應(yīng)的第i路參考時(shí)
鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等于16的正整數(shù)， Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡16} 13的時(shí)鐘脈沖周期；步驟7 將被測飛行時(shí)間T21送入先進(jìn)先出寄存器22 ；步驟8 隨后將被測飛行時(shí)間T21按先進(jìn)先出的順序送入到顯示器23中進(jìn)行順序顯不。所述的16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14、數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn) 先出寄存器22以及顯示器23內(nèi)按照所述的基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量回波飛行時(shí)間的 方法的步驟的先后順序預(yù)設(shè)同步時(shí)序關(guān)系，分別通過現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的時(shí)序控制 模塊17發(fā)出16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)處理時(shí)序控制信號19、相位延遲時(shí)序控制信號 18、先進(jìn)先出寄存器時(shí)序控制信號30以及顯示器時(shí)序控制信號20來協(xié)調(diào)16組可控雙邊沿 計(jì)數(shù)器14與數(shù)據(jù)處理模塊16、相位延遲內(nèi)插模塊7、先進(jìn)先出寄存器22以及顯示器23同 步工作，其中n為大于或等于1的正整數(shù)。所述的16路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i | 1彡i彡16}依次之間的延遲 時(shí)間τ為r 二 ，其中i為大于等于1且小于等于16的正整數(shù)Tp為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_
16
Ref_i 11彡i彡η} 13的時(shí)鐘脈沖周期。所述的16組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器14中的每組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器包括時(shí)鐘信號輸入 線24，該時(shí)鐘信號線24和時(shí)鐘信號變?yōu)?時(shí)計(jì)數(shù)的偶計(jì)數(shù)器25的輸入端、時(shí)鐘信號變?yōu)? 時(shí)計(jì)數(shù)的奇計(jì)數(shù)器26的輸入端以及多路選擇器27的使能端s相連接，偶計(jì)數(shù)器25的輸出 端和奇計(jì)數(shù)器26的輸出端分別和多路選擇器27的第一輸入端a和第二輸入端b相連接， 多路選擇器27的輸出端和輸出信號線28相連接。采用本實(shí)施例的基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)的測量回波飛行時(shí)間的方法，得到如 表1所示的測量結(jié)果 表1表1中的測量結(jié)果其測量誤差均小于按照式7且η = 16的計(jì)算所得的測量誤差 范圍52. 6ps，克服了直接法要實(shí)現(xiàn)IOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz，信號達(dá)到微 波段，這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，在普通電路 中不易實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)；也克服了模擬內(nèi)插法在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn) 死區(qū)和零區(qū)非線性的問題，而且理想的恒流源也難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致模擬過程的非線性不易控 制，抖動(dòng)及非線性帶來的誤差可能高達(dá)幾十ps的缺陷；還克服了延遲時(shí)間內(nèi)插法的隨著測 量分辨率的提高，要求延遲線長度越來越短，當(dāng)測量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增 力口，延遲線長度的增加導(dǎo)致了積分非線性，并使得溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的 抖動(dòng)導(dǎo)致了回波飛行時(shí)間測量的誤差加大的缺陷。
權(quán)利要求
一種基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛行時(shí)間的方法，其特征在于，步驟如下步驟1將10MHz-100MHz范圍的低頻時(shí)鐘信號(2)輸入到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)(1)的倍頻/鎖相模塊(3)中，通過倍頻/鎖相模塊(3)中的鎖相環(huán)技術(shù)將低頻時(shí)鐘信號(2)的時(shí)鐘頻率提高為550MHz以上的高頻時(shí)鐘信號(4)，并將該高頻時(shí)鐘信號(4)輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)(1)的數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊(5)中；步驟2通過數(shù)字時(shí)鐘管理去抖模塊(5)中的時(shí)鐘管理技術(shù)對高頻時(shí)鐘信號(4)做去抖動(dòng)處理，降低高頻時(shí)鐘信號(4)的抖動(dòng)和歪斜，得到穩(wěn)定的550MHz以上的高頻參考時(shí)鐘信號(6)，并將該高頻參考時(shí)鐘信號(6)輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)(1)的相位延遲內(nèi)插模塊(7)中；步驟3將被測回波飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)開始信號(8)和計(jì)時(shí)結(jié)束信號(9)輸入到脈沖生成及整形電路(10)中，使計(jì)時(shí)開始信號(8)和計(jì)時(shí)結(jié)束信號(9)分別生成邊沿陡峭的開始Start信號(11)和邊沿陡峭的結(jié)束Stop信號(12)，并將該開始Start信號(11)和結(jié)束Stop信號(12)輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)(1)的n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)中，其中n為大于或等于1的正整數(shù)；步驟4然后對輸入高頻參考時(shí)鐘信號(6)做延遲內(nèi)插，得到n路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i|1≤i≤n}13，并把參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i|1≤i≤n}13依次輸出到n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)中，其中，i為大于或等于1且小于或等于n的正整數(shù)，n為大于或等于1的正整數(shù)；步驟5n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)分別根據(jù)各自對應(yīng)的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i|1≤i≤n}(13)對開始Start信號(11)和結(jié)束Stop信號(12)之間的回波飛行時(shí)間做多相位多時(shí)鐘脈沖填充，得到含參考時(shí)鐘相位信息的被測時(shí)間集{NiTP|1≤i≤n}15，其中Ni為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等于n的正整數(shù)，n為大于或等于1的正整數(shù)，TP為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i|1≤i≤n}13的時(shí)鐘脈沖周期，并將被測時(shí)間集{NiTP|1≤i≤n}15輸出到現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)1的數(shù)據(jù)處理模塊(16)中；步驟6在數(shù)據(jù)處理模塊(16)中對被測時(shí)間集{NiTP|1≤i≤n}15做算術(shù)平均處理，得到被測飛行時(shí)間T(21)，其中Ni為對應(yīng)的第i路參考時(shí)鐘Clk_Ref_i驅(qū)動(dòng)的可控雙邊沿計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，i為大于等于1且小于等于n的正整數(shù)，n為大于或等于1的正整數(shù)，TP為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i|1≤i≤n}13的時(shí)鐘脈沖周期；步驟7將被測飛行時(shí)間T(21)送入先進(jìn)先出寄存器(22)；步驟8隨后將被測飛行時(shí)間T(21)按先進(jìn)先出的順序送入到顯示器(23)中進(jìn)行順序顯示。FSA00000192753600021.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛行時(shí)間的方法， 其特征在于所述的n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)、數(shù)據(jù)處理模塊(16)、相位延遲內(nèi)插模塊 (7)、先進(jìn)先出寄存器(22)以及顯示器(23)內(nèi)按照所述的基于現(xiàn)場可編程門陣列的測量回 波飛行時(shí)間的方法的步驟的先后順序預(yù)設(shè)同步時(shí)序關(guān)系，分別通過現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng) (1)的時(shí)序控制模塊(17)發(fā)出n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)處理時(shí)序控制信號(19)、相位延遲時(shí)序控制信號(18)、先進(jìn)先出寄存器時(shí)序控制信號(30)以及顯示器時(shí)序控制信號 (20)來協(xié)調(diào)n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)與數(shù)據(jù)處理模塊(16)、相位延遲內(nèi)插模塊(7)、先 進(jìn)先出寄存器(22)以及顯示器(23)同步工作，其中n為大于或等于1的正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛行 時(shí)間的方法，其特征在于所述的n路同頻不同相的參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11≤i≤n} 13 依次之間的延遲時(shí)間t為t = 延遲時(shí)間，其中i為大于等于1且小于等于n的正整數(shù)，n為大于或等于1的正 n整數(shù)，TP為一個(gè)參考時(shí)鐘集{Clk_Ref_i 11彡i彡n} 13的時(shí)鐘脈沖周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛 行時(shí)間的方法，其特征在于所述的n組可控雙邊沿計(jì)數(shù)器(14)中的每組可控雙邊沿計(jì) 數(shù)器包括時(shí)鐘信號輸入線(24)，該時(shí)鐘信號線(24)和偶計(jì)數(shù)器(25)的輸入端、奇計(jì)數(shù)器 (26)的輸入端以及多路選擇器(27)的使能端s相連接，偶計(jì)數(shù)器(25)的輸出端和奇計(jì)數(shù) 器(26)的輸出端分別和多路選擇器(27)的第一輸入端a和第二輸入端b相連接，多路選 擇器(27)的輸出端和輸出信號線28相連接，其中n為大于或等于1的正整數(shù)。
全文摘要
一種基于現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)測量回波飛行時(shí)間的方法，該回波飛行時(shí)間測量方法以脈沖計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)，通過相位延遲技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間插值，能夠達(dá)到時(shí)間測量精度為90ps以下，克服了直接法要實(shí)現(xiàn)100ps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率要達(dá)到10GHz，信號達(dá)到微波段，這樣的信號不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性也難以保證的缺點(diǎn)；也克服了模擬內(nèi)插法在集成芯片中難以采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線性的問題，導(dǎo)致模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性帶來的誤差可能高達(dá)幾十ps的缺陷；還克服了延遲時(shí)間內(nèi)插法的當(dāng)測量較大時(shí)間間隔時(shí)，延遲線數(shù)量將大大增加，延遲線長度的增加導(dǎo)致了積分非線性的缺陷。
文檔編號G05B19/4105GK101866165SQ20101021483
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者崔園園, 張力新, 張金, 柳建楠, 王伯雄, 羅秀芝 申請人:清華大學(xué)