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高分辨率时间间隔测量仪设计与实现

作　者: 余力
导　师: 周渭
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 时间间隔测量仪高分辨率时空关系可编程逻辑门阵列 FPGA
分类号: TM935.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 176次
引　用: 4次
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内容摘要

时间间隔测量仪作为专门的时间间隔测量仪器,在通信、导航、测控众多领域都有着重大作用。在传统的时间间隔测量设备中采用的是脉冲填充,通过电子计数的方法测时间间隔,这样的仪器设备原理简单但其分辨率主要取决于主时钟的频率。要获得高分辨率则主频时钟频率要求相当高。因此单纯依靠这种方法无法满足高分辨率的要求。近些年来国内外研究了许多新的测量方法,例如模拟内插法。基于模拟内插方法设计的仪器设备理论测量精度高,但是模拟的方法带来较大的非线性误差,实现起来有很多局限性,且对硬件电路有很高的要求,从而仪器设计的成本也增加了。本课题设计的高分辨率时间间隔测量仪是基于量化延迟这一测时间间隔的原理。量化延迟单元可以由有源器件也可以由无源的传输导线构成。并且随着微电子技术的发展,可实现量化延迟单元的单片集成。本文详细介绍了时间间隔测量技术的基本原理和实现方法,在吸收和借鉴国内外先进时间间隔测量技术的基础上,设计实现出一种新的高分辨率时间间隔测量仪器。该测量仪基于时空转换这一新的理论,利用可编程逻辑器件布线延迟量化时间间隔设计出一种基于FPGA和MCU模式的设计方案。论文分别从理论分析、系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计等方面详细的阐述了该测量仪器系统的实现过程。现场可编程逻辑门阵列FPGA作为核心芯片对系统的数字电路部分进行了集成化设计,达到了简化电路设计、提高系统稳定性和可靠性的目的。最终我们基于这一方案设计实现的时间间隔测量仪能够实现200ps的高分辨率,并且我们设计的时间间隔测量仪结构简单、成本低。随着微电子技术的发展我们的设计方案还有提升的空间。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 时间间隔和时间尺度  7-8
  1.2 时间间隔测量的发展与应用  8-9
  1.3 本论文的主要成果和内容安排  9-11
  1.4 小结  11-13
第二章系统总体方案设计  13-21
  2.1 系统原理及方案设计  13-17
    2.1.1 基于量化延时的时间间隔测量原理  13-14
    2.1.2 量化延时单元选取的初步讨论  14-15
    2.1.3 系统总体方案的设计  15-17
  2.2 可编程逻辑设计技术  17-20
    2.2.1 可编程逻辑设计技术简介  17-18
    2.2.2 FPGA 的结构和工作原理  18-19
    2.2.3 FPGA 芯片选型  19-20
  2.3 小结  20-21
第三章系统硬件部分设计  21-33
  3.1 系统硬件概述  21-22
  3.2 时间间隔测量仪硬件设计  22-30
    3.2.1 信号调理电路设计  22-24
    3.2.2 FPGA 外围电路设计  24-27
    3.2.3 电源电路设计  27-28
    3.2.4 单片机及其外围电路设计  28-29
    3.2.5 显示电路设计  29-30
  3.3 印刷电路设计及抗干扰措施  30-32
    3.3.1 电源和地线抗干扰设计  30-31
    3.3.2 其他抗干扰措施  31-32
  3.4 小结  32-33
第四章系统软件部分设计  33-43
  4.1 系统软件概述  33
  4.2 FPGA 程序设计  33-39
    4.2.1 FPGA 的设计开发流程  33-34
    4.2.2 开发软件Quartus II 简介  34-35
    4.2.3 Verilog-HDL 硬件描述语言  35-36
    4.2.4 FPGA 中的程序设计与实现  36-39
  4.3 MCU 单片机程序设计  39-42
    4.3.1 MCU 完成的任务  39-40
    4.3.2 程序流程图  40-42
  4.4 小结  42-43
第五章系统整体测试与分析  43-49
  5.1 系统整体性能评价  43
  5.2 系统误差分析  43-44
  5.3 测量数据及分析  44-47
  5.4 调试心得及经验  47-48
  5.5 小结  48-49
结论  49-51
致谢  51-53
参考文献  53-55
在读期间的研究成果  55-56
附录  56-62

高分辨率时间间隔测量仪设计与实现

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