【摘要】随着社会经济的发展以及科学技术的进步，时间间隔测量技术在越来越多的领域得到了更为广泛的运用。尤其是在激光测距、卫星定位、天文观测、芯片设计、原子物理、电信通讯等领域，时间间隔测量技术以及方法起着非常重要的作用，可以说这些领域的发展离不开时间间隔测量技术的应用。但是，使时间间隔测量的精度更加精确仍然是当前科技发展需要不断跟进的问题。目前，高精度时间间隔测量方法并不少见，因此本文结合相关理论知识，对高精度时间间隔测量技术及其方法进行深入的研究。旨在促进我国各个领域对于关键技术的灵活应用。
【关键词】高精度；时间间隔测量技术；方法；分析
【中图分类号】P127.11【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2015）32-0160-02
在物理领域，最基本的物理量有长度、质量、电流、时间、热力学温度、发光的强度以及物质的量，而其中时间作为最基本物理量，对于我国科学技术的发展却有着至关重要的作用。当下，与其他的物理量相比较，时间却有着更高的测量准确度以及分辨率，从某一程度上而言，时间是唯一能够实现较远距离校准以及传递的物理量。所以，时间作为一个重要的物理量，对于测量技术的发展有着非常深远的意义。自从时间间隔测量技术发展以来，就被测量领域给予了高度的重视，不仅因为它为研究新的方法指明了道路，同时也为其他技术的进步以及经济的发展带来了非常积极的影响。因此，本文通过总结前人经验与理论，对高精度时间间隔测量技术与其方法进行深入的分析。
1高精度时间间隔测量技术理论概述
1.1TDC理论分析
在时间间隔测量技术中的应用当中，使用最广泛的电路为“TDC”。所以，间隔测量技术方法的准确使用，了解“TDC”是十分必要的。在测量领域，比较常用的术语主要有量程、分辨率、测量精度、转换时间、几份非线性以及差分非线性等。其中，量程，英译measurementrange，会被有限存储空间所控制，测量最大的时间间隔为单次测量，在实际的电路测量当中就一定存在最大的测量时间间隔，被称作为量程。量程的大小取决存储的空间；分辨率，也就是量化步长，英译为resolutionratio，它和数字电路中的ADC有一定的相似之处，都存在最小的量化步长。但是二者之间的单位是不相同的，TDC的单位通常是“ps”；测量精度即Measurementaccuracy，会因为受到抖动或者噪声等因素的影响，而导致测量中出现误差，这一误差影响测量精度，在函数表达式中用“σ”表示；TDC的转换时间即deadtime，指的是2次测量值之间的最小时间[1]。在实际的电路当中，无法在每个小测量t内实现整个电路逻辑，所以无法测量的时间为转换时间；读取速度，英译为Readspeed，顾名思义指的是测量中电路读取结果的速度，读取速度对于测量工作效率的提升非常重要；差分非线性以及与积分非线性两个概念作为描述电路的非线性，与ADC中的DNL和IND相类似。
1.2事件计时概念
在测量技术领域，事件计时作为一个重要组成部分对于测量技术的应用有着至关重要的作用。随着当今科学技术的发展，对于测量计时也有了更高的要求，也就意味着赋予了测量采样速率更高的标准[2]。时间间隔测量技术的特殊性对于测量速率的影响是十分大的，在测量中，时间间隔测量耗费的时间也属于时间间隔范畴，所以引入事件计时这一概念，能够有效地解决这一矛盾。比如在激光测距中，由于事件计时的引入，就能够很好应对样本丢失等问题。
2高精度时间间隔测量的方法分析
2.1直接计数法
目前，直接计数法在电路计数中，其频率单位已经达到数GHz，所以当分别率要求为纳秒量级时，可以通过高时钟频率信号来直接计数，因为这一方法应用原理非常简单。但是在实际的测量当中，如果要实现分辨率100ps或者以上，那么计数频率就需要20GHz或以上，也就是信号需要达到微波段[3]。但是事实上这样精确的信号是难以实现的，并且由于参数效应，也难以在普通的电路中实现。换而言之，直接计数法精确度目前仅可以达到纳秒级别。不过，直接计数法在存储上占有一定的优势，通常只需要存储单元就能够实现较大量程。而在实际的应用当中，直接计数法可以与其他方法结合使用，能够有效地解决其分辨率不足等问题。
2.2时延法
近年来，集成电路得到了快速的发展以及应用，在这一基础上，时延法应运而生。时延法又被称作抽头延迟线法。从字面意思上看来，这一方法的解释比较简单。早期实现延迟线使用的是同轴线，但是其测量的精确度仍然较低，所以需要更多的抽头，但是电路庞大，这一技术并没有得到推广。直到半导体技术的进步以及集成电路的进步，这一方法被应用到了集成电路中，并推广应用到了其他领域。时延法是由延迟单元构成的，从理论上来讲，这组延迟单元具有相同的传播时延，时间间隔的测量是通过关门信号对开门信号在延迟线中的传播进行信号样本采集来实现的[4]。
2.3时间间隔扩展法
在时间间隔测量技术的发展中，时间间隔扩展法的发展历史是相对久远的。时间间隔扩展法在真空管时代就得到了广泛的应用。时间间隔扩展法的实现需要借助电容设备来放电和充电，通过控制电容中的高速开关，在较短时间内用大恒流源进行充电，用小恒流源进行放电。大恒流源要大于小恒流源，所以通常放电时间要比充电时间更长，也就实现了“时间放大”的作用。在测量方法的应用当中，如果确定了大恒流源和小恒流源之间的比例值，那么能够得到时间扩展后同输入间隔之间的比例关系。根据近年来的研究表明，这一方法应用较少，主要是因为它容易受到温度、电压等方面的影响[5]。
2.4时间-幅度转换法
该方法主要是从时间间隔扩展法的基础上发展而来的。这一方法不仅有效地克服了非线性不易控制的问题，同时也解决了时间间隔扩展法转换时间较长等缺点。时间幅度转换法改进了时间间隔扩展法的缺点，用高速A/D加复位电路替代了扩展法中的放电电源流，也就是由A/D替代的放电过程，大大节省了转换的时间，减少了非线性。通过高速ADC不仅能得到1~20ps的有效分辨率，而且也为该方法的进一步发展奠定了基础。
2.5游标法
从本质上而言，游标法属于数字扩展法中的一种，因为与游标卡尺的工作原理相似，所以被称作游标法。在实际的测量应用当中，如果假设star为时间间隔开门的信号（启动周期T1的振荡器），stop为关门信号（启动周期为T2的振荡器），T1＞T2，以S1代表T1的计数，S2代表T2计数时，两者重合，可以得出公式：T=（S1-1）T1-（S2-1）T2=（S1-S2）T1+（S2-1）（T1-T2）所以，游标法不仅能够获得高精度，并且能够获得大量程，但是因为设计比较困难，高精度只能在较短时间内保持，所以与插值法结合使用能够解决这一问题[6]。
3结束语
本文主要基于TDC实现，对高精度时间间隔测量技术与其方法进行了系统性的分析。高精度时间间隔测量技术随着科学技术的发展而具有更加现实的意义，但与此同时对于其精确度的要求也越来越高，所以为了使这一关键的测量技术得到进一步的应用，仍然需要我们在实践当中对其进行不断地创新与改进，使高精度时间间隔测量技术与其方法为科学技术的发展以及社会的进步带来更加积极的促进作用。
参考文献
[1]黄军芬，黄民双，孙亚玲，黄继强.基于伪非均匀采样的高精度时间间隔测量方法[J].光电子.激光，2012，10（13）：1945~1948.
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[3]徐圣法.基于TDC_GPX的高精度时间间隔测量方法[J].国外电子测量技术，2012，12（08）：40~41.
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[5]沈奇实习机电论文.量子通国家经济论文信中的精密时间测量技术研究[D].中国科学技术大学，2013，07（11）：33~35.
[6]乔晓峰，康敏，周荣华.一种高精度时间间隔测量方法的研究[J].科学技术与工程，2010，01（23）：65~68.
作者：潘其锋 唐伟华 单位：浙江新景市政园林有限公司
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