基于时—空关系的时间间隔测量

论文摘要

本文提出了一种新的短时间间隔测量方法,即利用时-空关系测量短时间间隔,提高了测量的分辨率。电磁信号在真空中的传输速度是一个自然常数,它具有高速性和高稳定性。我们利用一定长度的传输线作为标准来量化被测时间间隔,自然具有了分辨率高和稳定度高的特点。将短时间间隔信号的开门信号用由传输线构成的差分延时单元进行延时,延时单元串连连接。然后在每个延时单元处设置重合检测电路,以检测被延时的开门信号和关门信号的重合信息。这样,时间量就被转换为了长度量。在某一延时单元处,可以检测到被延迟的开门信号将与关门信号重合,这一点的位置也就反映了被测时间间隔的值。文中给出了基于时-空关系时间间隔测量系统的结构原理图,建立了系统模型,分析了系统的误差来源及修正的方法。另外,文中详细分析了这种高分辨率与测量范围之间的矛盾,并提出了采用插入缓冲器放大信号,有源器件延时和计数器内插相结合的方法解决这个矛盾。采用这种时-空关系原理,利用印制电路板上的微带线作为延时单元,我们制作了原型机。它工作在ECL电平下,使用边沿触发的D主从触发器作为重合检测电路,原型机的测量分辨率可以达到250皮秒。结合CMOS工艺,我们设计了时间-数字转换芯片。该芯片使用亚毫米级的集成传输线作为延时单元,D触发器作为重合检测电路。并设计了缓冲器,延时锁相环,计数器来扩大测量范围。使用电流仿真软件对芯片进行仿真,分辨率达到37皮秒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 时间间隔测量技术的发展
• 1.2 时间间隔测量技术的应用
• 1.3 本文提出的新方法
• 1.4 内容提要
• 第二章 时间间隔测量技术概述
• 2.1 一般技术指标
• 2.1.1 分辨率
• 2.1.2 测量范围
• 2.1.3 Single-Shot 精密度
• 2.1.4 量化误差
• 2.1.5 积分非线性误差
• 2.1.6 随机误差
• 2.1.7 转换时间
• 2.2 时间间隔测量技术
• 2.2.1 时间展宽
• 2.2.2 时间－幅度转换和A/D 转换
• 2.2.3 时间游标
• 2.2.4 延时线方法
• 2.3 小结
• 第三章 基于时－空关系的时间间隔测量原理
• 3.1 传输线的电气特性和延时特性分析
• 3.1.1 传输线理论
• 3.1.2 影响传输线延时的因素
• 3.1.3 同轴线和微带线的电气特性和延时特性
• 3.2 基于时－空关系时间间隔测量系统原理和结构
• 3.2.1 系统工作原理和结构
• 3.2.2 基于时－空关系的时间数字转换器的系统模型
• 3.3 系统误差分析及软件修正技术
• 3.3.1 系统误差分析
• 3.3.2 软件修正技术
• 3.4 小结
• 第四章 原型机设计及实验结果
• 4.1 原型机总体设计
• 4.2 原型机模块设计及仿真
• 4.2.1 延时单元设计
• 4.2.2 重合检测电路
• 4.2.3 缓冲器电路
• 4.2.4 整形电路的设计
• 4.2.5 单片机控制技术
• 4.2.6 计数器内插的设计
• 4.3 原型机测试结果和误差分析
• 4.3.1 测试方案设计
• 4.3.2 实验结果
• 4.3.3 误差分析
• 4.4 小结
• 第五章 时间－数字转换芯片的设计及仿真结果
• 5.1 TDC 芯片的总体方案
• 5.1.1 TDC 芯片总体设计
• 5.1.2 集成电路工艺的选取
• 5.2 芯片子电路设计
• 5.2.1 集成传输线的设计
• 5.2.2 重合检测电路设计
• 5.2.3 缓冲器的设计
• 5.2.4 延时锁相环（DLL）设计
• 5.2.5 计数器的设计
• 5.3 TDC 芯片仿真及结果
• 5.3.1 仿真方案
• 5.3.2 仿真结果
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间的研究成果