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《中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)》 2019年
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多通道时间间隔计数器的设计和实现

刘琼瑶  
【摘要】:在测量领域中,时间间隔的测量有着极其广泛的应用,例如对距离、电容、温度等物理量的测量,最终都可以通过某种方法转化为对时间间隔的测量。从而,如果实现对时间间隔更高精度的测量,就可以实现对距离、电容、温度等物理量更高精度的测量,因此,多数领域对时间间隔测量提出了高精度的要求。而随着科学技术的发展,越来越多的领域不仅需要高精度的时间间隔测量,还需要应用多通道时间间隔测量技术,例如在高能物理、导航定位、激光测距等诸多科学研究和工程应用等领域,多通道时间间隔测量技术能够简化操作、提高试验的效率与准确度,因此,高精度、多通道的时间间隔测量技术成为研究热点。尽管目前对多通道时间间隔计数器的研究已经取得了较大成就,但市场上成熟的测量设备仍然较少。因此,多通道时间间隔计数器的研究仍具有很大的市场价值和研究意义。本文基于FPGA和TDC-GP22芯片设计并实现了多通道时间间隔计数器,主要研究内容和成果如下:1.对现阶段常用的时间间隔测量方法进行了分析研究。从分辨率、量程和硬件实现等方面进行了研究,确定了“粗测”+“细测”的实现方法——基于FPGA芯片使用脉冲填充法进行“粗测”,基于TDC-GP22芯片进行“细测”,两者相结合实现高分辨率、大量程和多通道的时间间隔测量。2.编写及仿真了多通道时间间隔计数器中FPGA的算法程序,并设计了上位机软件。对多通道时间计数器中FPGA所需要完成的任务进行了代码实现,通过ModelSim对程序进行了遍历性测试,证明了程序设计的可行性和正确性。基于LabWindows/CVI平台设计了上位机软件,实现对测量结果的显示、存储和分析等功能,优化了多通道时间间隔计数器与用户之间的交互性。3.搭建了测试平台,对多通道时间间隔计数器进行了功能的验证和性能的分析。通过测试平台,对仪器进行了整机测试,验证了功能完好性。并对仪器测量误差的来源进行了分析和校准,重点研究了时基性能对测量的影响。当使用板载晶振提供工作时钟时,计数器测量的准确度会随着待测间隔的增加而逐渐变差,稳定度较好,优于75ps@100s;使用UTC(NTSC)主钟驯服晶振后,计数器测量准确度始终保持在500ps以内,短期稳定度优于150ps@100s,长期稳定度优于150ps@12h,通道一致性保持在200ps以内。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH724

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