高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法分析

徐 望，陳 鑫，李方能，吳 苗，何泓洋

（1.上海航保修理廠，上海 200083；2.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

時(shí)間作為國(guó)際單位制（Le système international d'unités,SI）的7 個(gè)基本物理量之一[1]，同長(zhǎng)度、溫度和質(zhì)量這些可以測(cè)量的物理量相比，主要的區(qū)別在于力學(xué)性質(zhì)不同。時(shí)間不可能保持不變，它永不停息，無(wú)止無(wú)休。同時(shí)，時(shí)間也是在目前所有的物理量中準(zhǔn)確度最高的。通常所說(shuō)的時(shí)間有2 種不同的含義：一種是在一個(gè)有確定原點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)軸上的某一點(diǎn)（即某一時(shí)刻）；另一種是在2 個(gè)確定時(shí)刻之間的間隔（即時(shí)間間隔）。時(shí)間間隔的準(zhǔn)確測(cè)量在現(xiàn)實(shí)生活中有非常重要的作用，所以迫切需要高精度的時(shí)間間隔測(cè)量方法。

時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代天文觀測(cè)、高能物理實(shí)驗(yàn)、衛(wèi)星導(dǎo)航、第5 代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（the fifth generation of mobile network communication technology,5G）、量子通信、大地測(cè)量、激光測(cè)距等眾多領(lǐng)域涉及時(shí)間測(cè)量和時(shí)間同步等方面的應(yīng)用中有著十分重要的作用[2-11]；因此時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的發(fā)展一直倍受關(guān)注。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)間間隔測(cè)量的精度要求不同。在實(shí)際的應(yīng)用中針對(duì)不同領(lǐng)域的不同情況，不是測(cè)量精度越高越好，同時(shí)還要考慮便攜性、實(shí)現(xiàn)的難易程度和應(yīng)用成本問(wèn)題。本文在介紹常用的時(shí)間間隔測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，又分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的發(fā)展情況，同時(shí)對(duì)比分析不同測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為研究新的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)提供參考。

1 電子計(jì)數(shù)法

電子計(jì)數(shù)法是時(shí)間間隔測(cè)量中最常用的方法。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了多種高精度的時(shí)間間隔測(cè)量方法，并且在測(cè)量精度要求不高的情況下有著廣泛的應(yīng)用。電子計(jì)數(shù)法的測(cè)量原理如圖1 所示[12-13]。

圖1 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量原理示意

圖中：Tx為待測(cè)脈沖時(shí)間間隔；M和N為量化脈沖的個(gè)數(shù)；T1和T2分別為待測(cè)脈沖時(shí)間間隔的上升沿與量化時(shí)鐘脈沖的下一個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔。在待測(cè)脈沖時(shí)間間隔的上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，并記錄此時(shí)量化時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)為M；然后在下一個(gè)待測(cè)脈沖時(shí)間間隔的上升沿停止計(jì)數(shù)，并記錄此時(shí)量化時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)為N。則

設(shè)f0為量化時(shí)鐘的頻率，則量化時(shí)鐘的周期T0=1/f0。

而由電子計(jì)數(shù)法得到的待測(cè)脈沖時(shí)間間隔為

由式（1）和式（2）對(duì)比可以得到電子計(jì)數(shù)法的測(cè)量誤差為ΔT=T1?T2，由ΔT可知電子計(jì)數(shù)法測(cè)量誤差的最大值為T0，即一個(gè)量化時(shí)鐘的周期。誤差產(chǎn)生的主要原因是量化時(shí)鐘的上升沿與待測(cè)脈沖的上升沿不一致。誤差的產(chǎn)生是由電子計(jì)數(shù)法的原理決定，無(wú)法通過(guò)自身消除。但除了原理誤差之外，還有一個(gè)誤差因素是量化時(shí)鐘的不穩(wěn)定度ΔT0/T0，該誤差稱為時(shí)標(biāo)誤差，大小為ΔT0/T0，從而可以看出時(shí)標(biāo)誤差隨著待測(cè)脈沖時(shí)間間隔Tx的增大而增大[14]。時(shí)標(biāo)誤差可以通過(guò)使用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘來(lái)盡量避免。現(xiàn)在光鐘穩(wěn)定度可以達(dá)到1×10-18量級(jí)[15]，可以有效減小由于時(shí)鐘不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差。

電子計(jì)數(shù)法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低；但是其優(yōu)點(diǎn)較多，比如測(cè)量原理簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)單，便攜性較好，成本低廉，實(shí)現(xiàn)較容易等。所以電子計(jì)數(shù)法面對(duì)一些對(duì)時(shí)間間隔測(cè)量精度要求不高且對(duì)價(jià)格敏感的領(lǐng)域有重要的意義，同樣也是現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用最廣泛的方法。

為了減小電子計(jì)數(shù)法的原理誤差，發(fā)展出很多其他的時(shí)間間隔測(cè)量方法，比如模擬內(nèi)插法、延遲線內(nèi)插法、游標(biāo)法、時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法等。

2 模擬內(nèi)插法[16-19]

電子計(jì)數(shù)法在時(shí)間間隔測(cè)量精度要求不高時(shí)有著廣泛的應(yīng)用；電子計(jì)數(shù)法原理誤差的最大值為量化時(shí)鐘的一個(gè)周期。如果能夠減小其原理誤差，則測(cè)量精度將有很大的提升。模擬內(nèi)插法是以模擬法和電子計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)，是一種可以減小電子計(jì)數(shù)法原理誤差的方法，其測(cè)量對(duì)象為電子計(jì)數(shù)法中的T1和T2，須完成對(duì)T1和T2的二次測(cè)量。模擬內(nèi)插法測(cè)量原理如圖2 所示。

圖2 模擬內(nèi)插法測(cè)量脈沖時(shí)間間隔原理

圖中Ts為量化時(shí)鐘的整倍數(shù)，Ts=NT0。

模擬內(nèi)插法的測(cè)量原理是在Tx內(nèi)對(duì)電子計(jì)數(shù)法中小于量化單位的時(shí)間零頭T1和T2進(jìn)行擴(kuò)展，利用電容的充放電過(guò)程完成對(duì)T1和T2的精準(zhǔn)測(cè)量。在T1期間，用一個(gè)較大的恒流源I1對(duì)電容C快速充電；T1結(jié)束后，用一個(gè)較小的恒流源I2=I1/k對(duì)電容C緩慢放電到起始電平，這樣可以把待測(cè)時(shí)間間隔拉長(zhǎng)。因充放電的電荷相等，通過(guò)計(jì)算即可得到被測(cè)脈沖時(shí)間間隔的大小。由電荷守恒原理可得

模擬內(nèi)插法的理論精度可以達(dá)到皮秒量級(jí)，但是其測(cè)量范圍受到電容充放電期間的非線性過(guò)程的限制，測(cè)量精度隨測(cè)量范圍的增加而降低。此外，電容充放電的性能還受其他用因素的影響，其中溫度是最主要的影響因素，超高精度的恒流源也是一個(gè)技術(shù)難題。

模擬內(nèi)插法的理論測(cè)量精度很高，但在利用電容的充放電過(guò)程對(duì)T1和T2進(jìn)行擴(kuò)展成其自身k倍的過(guò)程中，k值越大，電容放電過(guò)程中非線性過(guò)程越嚴(yán)重；所以在實(shí)際應(yīng)用中k的取值不可能太大。并且在實(shí)現(xiàn)中擴(kuò)展倍數(shù)k的準(zhǔn)確值也難以得到，所以模擬內(nèi)插法在實(shí)際運(yùn)用中有很大的局限性。模擬內(nèi)插法是通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，所以在待測(cè)脈沖信號(hào)的頻率較高時(shí)會(huì)有較大的噪聲干擾，在系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)，存在系統(tǒng)反應(yīng)緩慢的情況。

模擬內(nèi)插法的主要誤差來(lái)源為系統(tǒng)原理性誤差、電容充放電帶來(lái)的非線性誤差、隨機(jī)誤差、量化時(shí)鐘的穩(wěn)定度誤差。

目前，市場(chǎng)上時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以模擬內(nèi)插原理制成的代表性的產(chǎn)品是HP 公司的HP5360A，該計(jì)數(shù)器的擴(kuò)展倍數(shù)可以達(dá)到1000 倍（k=1000，即電容放電時(shí)間與充電時(shí)間的比值），當(dāng)該計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為10 MHz 時(shí)，其分辨率可以達(dá)到0.1 ns。

模擬內(nèi)插法理論上可以實(shí)現(xiàn)較高的精度和分辨率，但是電容的充放電過(guò)程存在非線性，且隨著測(cè)量范圍的增加而增加；所以目前市場(chǎng)上的利用模擬內(nèi)插法生產(chǎn)的計(jì)數(shù)器產(chǎn)品不多，且擴(kuò)展倍數(shù)不能做到很高，從而分辨率比較低。

3 抽頭延遲線法

抽頭延遲線法，也稱為時(shí)延法，是近些年隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。在早期用抽頭延遲線法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度和高精度的測(cè)量，需要數(shù)目眾多的抽頭，造成電路龐大，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用[20-22]。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可以將抽頭延遲線法移植到集成電路上，因此該方法得到了快速發(fā)展。

抽頭延遲線由一組相同的延遲單元組成，每個(gè)單元傳播時(shí)延相同。其基本原理是讓被測(cè)信號(hào)通過(guò)延遲線，在接收到被測(cè)信號(hào)的開始信號(hào)時(shí)啟動(dòng)延遲線，信號(hào)依次通過(guò)延遲單元進(jìn)行傳遞，在接收到停止信號(hào)時(shí)關(guān)閉延遲線。此時(shí)，測(cè)試信號(hào)會(huì)停留在延遲線上的某個(gè)延遲單元上，記錄此延遲單元的位置和測(cè)試信號(hào)通過(guò)延遲單元的個(gè)數(shù)即可得知所測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔長(zhǎng)度。其測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 抽頭延遲線法測(cè)量原理示意

圖中：τ為延時(shí)單元；FF0～FFn為邏輯門器件，其中C為器件信號(hào)輸入端，D為器件使能信號(hào)輸入端，Q為器件信號(hào)輸出端。

抽頭延遲法測(cè)量波形如圖4 所示[23]。

圖4 抽頭延遲線法測(cè)量波形

由圖可知，開始（Start）信號(hào)依次經(jīng)過(guò)n+1個(gè)延遲單元，在經(jīng)過(guò)第n個(gè)延遲單元后與結(jié)束（Stop）信號(hào)重合，則可以得到待測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔

式中τ為單個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間。由式（5）可以看出，抽頭延遲線法的測(cè)量誤差和測(cè)量分辨率取決于延遲單元延遲時(shí)間τ的大小。相比于電子計(jì)數(shù)法，抽頭延遲線法可以將誤差降低到 ± 1τ大小，進(jìn)一步提高了測(cè)量分辨率，降低了誤差。

抽頭延遲線法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較容易，易于集成在大規(guī)模集成電路中，但因存在 ± 1延遲單元誤差，故其測(cè)量范圍有限。利用抽頭延遲線法生產(chǎn)的商用計(jì)數(shù)器代表性產(chǎn)品是HP5371A，其分辨率可以達(dá)到200ps。

4 游標(biāo)法

游標(biāo)法測(cè)量時(shí)間間隔原理和游標(biāo)卡尺測(cè)量原理相似，因此得名游標(biāo)法[24-26]。其測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 游標(biāo)法測(cè)量原理示意

圖中：T1和T2分別為2 個(gè)不同振蕩器的震蕩周期；n1和n2分別為2 個(gè)振蕩器的脈沖上升沿重合時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)。在Tx開始脈沖的上升沿啟動(dòng)周期為T1的振蕩器，并開始進(jìn)行計(jì)數(shù)；在Tx停止脈沖的上升沿時(shí)啟動(dòng)周期為T2（T2略小于T1）的振蕩器，并開始進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)2 個(gè)振蕩器的脈沖上升沿重合時(shí)，同時(shí)停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，記錄并輸出此時(shí)的計(jì)數(shù)值n1和n2，則Tx的值為[27]

由式（6）可以看出，游標(biāo)法的測(cè)量分辨率為(T1?T2)。只要2 個(gè)振蕩器的周期足夠接近，分辨率理論值可以做到很高。但是依目前的技術(shù)水平和制造工藝，制造出足夠可靠和高精度的振蕩器，并且在邊沿檢測(cè)上實(shí)現(xiàn)足夠清晰檢測(cè)的電路實(shí)現(xiàn)有一定的難度。所以，游標(biāo)法的檢測(cè)分辨率也不能做得很高。目前成熟的計(jì)數(shù)器可以做到20ps的分辨率。

游標(biāo)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，死區(qū)時(shí)間較小，但是其實(shí)現(xiàn)難度較高，成本較高。其中利用游標(biāo)法生產(chǎn)的商用計(jì)數(shù)器代表性產(chǎn)品是HP5370B，其分辨率可以達(dá)到20ps，但是由于其價(jià)格昂貴，導(dǎo)致市場(chǎng)反映不佳，已經(jīng)停產(chǎn)。

5 時(shí)間間隔擴(kuò)展法

時(shí)間間隔擴(kuò)展法和模擬內(nèi)插法類似，都是利用電容的充放電特性放大待測(cè)時(shí)間間隔，再利用電子計(jì)數(shù)法進(jìn)行測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的高分辨率測(cè)量[28-29]。其測(cè)量原理如圖6 所示。

圖6 時(shí)間間隔拓展法原理示意

圖中：T C為電容放電到原始電平的時(shí)間；I1和I2分別為2 個(gè)不同大小的電流源；UA為電流源I1的輸入電壓；UB為電流源I2的輸入電壓；UC為電容二端電壓；Vref為電壓比較器的輸入電壓。時(shí)間間隔擴(kuò)展法的測(cè)量原理是在Tx內(nèi)閉合高速開關(guān)，以恒定電流I1?I2對(duì)電容C進(jìn)行充電，電容器二端的電壓隨Tx線性增加。待測(cè)時(shí)間結(jié)束后立即斷開高速開關(guān)，以恒定電流I2（令I(lǐng)2遠(yuǎn)小于I1）對(duì)電容器進(jìn)行放電，同時(shí)利用計(jì)數(shù)器測(cè)量電容器C放電至初始電平所需的時(shí)間TC。則有

由式（7）可知，由電容器放電時(shí)間TC即可反推得到Tx的大小，它的測(cè)量誤差為TC/K。

時(shí)間間隔擴(kuò)展法的測(cè)量范圍不能無(wú)限長(zhǎng)，因?yàn)殡娙莸姆烹姇r(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，非線性特征越明顯；同時(shí)，理想的恒流源難以實(shí)現(xiàn)，恒流源實(shí)際的電流也受到環(huán)境溫度和供電電壓等因素的影響。基于以上的缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中時(shí)間間隔擴(kuò)展法很少使用，其分辨率也可以達(dá)到10～100ps。

時(shí)間間隔擴(kuò)展法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量分辨率高，但是其轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)，不容易集成，電容的充放電過(guò)程存在非線性過(guò)程等缺點(diǎn)，所以近年來(lái)很少使用。

6 時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法

時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法是由時(shí)間間隔擴(kuò)展法進(jìn)化而來(lái)的，它將待測(cè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)短轉(zhuǎn)化為測(cè)量電壓幅值的大小，使無(wú)法精確測(cè)量的時(shí)間量轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行高精度測(cè)量的電壓量[30]，避免了時(shí)間間隔擴(kuò)展法轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)和非線性等問(wèn)題[31]。二者區(qū)別在于：時(shí)間間隔擴(kuò)展法是以恒定的電流對(duì)電容進(jìn)行放電；而時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法是對(duì)電容充電結(jié)束后，對(duì)電容電壓進(jìn)行短暫的保持，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter,ADC）對(duì)電容電壓進(jìn)行快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)檢測(cè)ADC 輸出的數(shù)字量實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)時(shí)間間隔Tx的測(cè)量。時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法測(cè)量原理如圖7 所示。

圖7 時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法測(cè)量原理示意

圖中：T C為電容保持最高電平的時(shí)間；I1為充電電流源的大小。時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法的測(cè)量原理是：在Tx內(nèi)接通高速開關(guān)使用恒流源對(duì)電容C進(jìn)行充電，電容器二端電壓與Tx成正比，然后利用后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電容器二端電壓的最大值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，根據(jù)ADC 輸出的數(shù)字量確定電容器二端電壓的最大值，進(jìn)而可以確定Tx的大小。其測(cè)量精度可以達(dá)到1ps的單次時(shí)間間隔測(cè)量精度[32]。

時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法的優(yōu)點(diǎn)是原理誤差小、精度高，測(cè)量范圍較大，但是其測(cè)量過(guò)程存在須模擬處理過(guò)程等缺點(diǎn)。利用時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法的代表性計(jì)數(shù)器產(chǎn)品為SR620，其測(cè)量分辨率可以達(dá)到25ps。

7 其他測(cè)量方法

除了以上常用的檢測(cè)方法外，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，還有一些其他的方法應(yīng)用于時(shí)間間隔的測(cè)量。

文獻(xiàn)[33]提出一種基于幅度相位修正的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法，其主要思路是提高電子計(jì)數(shù)法中待測(cè)時(shí)間間隔的開始脈沖上升沿和結(jié)束脈沖上升沿與量化時(shí)鐘之間的時(shí)間間隔T1與T2的測(cè)量精度，進(jìn)而減小時(shí)間間隔的測(cè)量誤差。其主要思想是利用正交信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔，利用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器件測(cè)量正交信號(hào)的瞬時(shí)電壓和相位來(lái)提高時(shí)間間隔的測(cè)量精度。其測(cè)量原理如圖8 所示。

圖8 基于正交信號(hào)相位差的時(shí)間間隔測(cè)量原理

圖中：t1為待測(cè)時(shí)間間隔開始信號(hào)與第一個(gè)計(jì)數(shù)量化時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔；t2為待測(cè)時(shí)間間隔結(jié)束信號(hào)與最后一個(gè)計(jì)數(shù)量化時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔；φ1和φ2分別為t1和t2在正交信號(hào)上產(chǎn)生的相位差。通過(guò)測(cè)量正交信號(hào)開始和結(jié)束時(shí)的采樣值，以及φ1和φ22 個(gè)相位差的值，通過(guò)一定的計(jì)算即可得到待測(cè)時(shí)間間隔的值。在文獻(xiàn)[33]中給出了詳細(xì)的計(jì)算方法，同時(shí)也給出了當(dāng)系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)，避免產(chǎn)生360°相位模糊的解決方法。在進(jìn)行相位修正后，其測(cè)量精度可以達(dá)到3ps 左右。

文獻(xiàn)[34]給出了一種基于正弦曲線的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法，利用脈沖激光測(cè)距中的多點(diǎn)平均原理實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔的測(cè)量。該方法以正弦信號(hào)為基準(zhǔn)，結(jié)合電子計(jì)數(shù)法、多點(diǎn)數(shù)字平均法和偽隨機(jī)采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的測(cè)量。該方法原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)且測(cè)量精度高，并在高精度的激光測(cè)距中得到應(yīng)用，測(cè)距誤差在 ±3 mm以內(nèi)。

文獻(xiàn)[35]提出了一種基于可觸發(fā)環(huán)形振蕩器的時(shí)間間隔測(cè)量方法，即利用一個(gè)短脈沖觸發(fā)一個(gè)高速環(huán)形震蕩電路以產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)時(shí)間同步的時(shí)鐘信號(hào)，利用該時(shí)鐘信號(hào)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘去采樣一個(gè)正弦參考信號(hào)。這樣被測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔被映射為正弦參考信號(hào)上2 個(gè)點(diǎn)之間的初始相位差，之后對(duì)樣本進(jìn)行快速傅里葉變換，準(zhǔn)確計(jì)算出該初始相位差，進(jìn)而可以確定被測(cè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度。在選擇合適的正弦參考信號(hào)下，單次的測(cè)量精度可以達(dá)到2.8ps，并有1ps 分辨率。

文獻(xiàn)[36]提出一種基于表面波色散延遲線激勵(lì)的時(shí)間間隔測(cè)量方法，即利用聲表面波作為時(shí)間內(nèi)插器起到拉伸時(shí)間的作用，從而可以獲得多個(gè)測(cè)量值，然后在隨后的數(shù)據(jù)處理中利用互相關(guān)運(yùn)算平均效果，總的測(cè)量誤差將大幅降低。該方法用窄脈沖去激勵(lì)聲表面波色散延遲線，其輸出為線性調(diào)頻信號(hào)，之后對(duì)2 次激勵(lì)的輸出作互相關(guān)運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算結(jié)果的相頻特性作一階擬合，便可以精確地得出這2 次激勵(lì)之間的時(shí)間間隔。該方法的單次測(cè)量精度可以達(dá)到亞皮秒級(jí)(<1 ps)，理論分辨率可以接近無(wú)限高。

在現(xiàn)代許多科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，需要同時(shí)對(duì)多路信號(hào)的時(shí)間間隔進(jìn)行精密測(cè)量[37]。多通道時(shí)間間隔測(cè)量的系統(tǒng)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心研制的8 通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，測(cè)量精度可達(dá)50ps，測(cè)量范圍5.5 ns～4 294 s，并且可以在集成的數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片 TDC-GPX內(nèi)部再觸發(fā)模式下，通過(guò)編程進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)量量程[38]。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心設(shè)計(jì)了基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的 12 通道時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)[39]，可實(shí)現(xiàn)12 通道的實(shí)時(shí)獨(dú)立測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。經(jīng)過(guò)測(cè)試，其系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間間隔精度優(yōu)于16ps，測(cè)量范圍為21 s。文獻(xiàn)[40]給出了一種16 通道基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array,FPGA）的時(shí)間間隔測(cè)量方法，并且可以達(dá)到11ps的分辨率。

如今多通道時(shí)間間隔的測(cè)量技術(shù)向更多通道和更高分辨率的方向發(fā)展，并且在確定通道數(shù)的情況下設(shè)法提高測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度和分辨率。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文回顧了時(shí)間間隔測(cè)量中比較常用的幾種方法，給出了每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)和其中的代表性產(chǎn)品；同時(shí)也介紹了近些年針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展出的幾種新方法。時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的發(fā)展朝著更加集成的方向發(fā)展，隨著FPGA 等在時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用，使得測(cè)量技術(shù)更加容易實(shí)現(xiàn)。但是測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也受到諸多制約，比如：量化時(shí)鐘頻率的提高，以及高頻下邊界的區(qū)分問(wèn)題；在進(jìn)行高精度亞皮秒級(jí)(<1 ps)的時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的噪聲和外部環(huán)境的干擾將成為影響測(cè)量精度的主要因素，如何進(jìn)行有效的濾波也是一個(gè)需要解決的難題；其他還有系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)量時(shí)間間隔的范圍等問(wèn)題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題會(huì)被逐漸解決，時(shí)間間隔的測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)也將進(jìn)一步促進(jìn)依托于時(shí)間間隔測(cè)量精度的其他領(lǐng)域的發(fā)展。