高精度时间间隔测量方法综述
孙杰潘继飞
（解放军电子工程学院，安徽合肥，230037）
摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。
关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换
Methods of High Precision Time-Interval Measurement
SUN Jie , PAN Ji-fei
（Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China）
Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted.
Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion 0引言
时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。
时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。
1 电子计数法
1.1 测量原理与误差分析
在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1所示：
图1 电子计数法测量时间间隔基本原理
量化时钟频率为
0f ，
对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔x T 为：
()210T T T M N T x
-+?-= （1）
然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为：
()0'T M N T
x
?-= （2）
比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=?，其最大值为一个量化时钟周期0T ，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。
除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到：
()()00'..T M N T M N T x ?-+-?=? （3）
比较表达式（3）（2）：
()()00
'
'T T M N M N T T x
x ?+--?=? （4） 根据电子计数法原理，()1±=-?
M N ，0'T T M N x
=-，因此：
00'0'T T T T x x ??+±=? （5）
00'T T x ??即为时标误差，
其产生的原因是量化时钟的稳定度00T T ?，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。
根据以上分析得出电子计数法具有以下特点： [1]测量范围广，容易实现，且能够作到实时处理。 [2]存在时标误差与原理误差，限制了其测量精度。
电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法，参考文献[1][2][3]都有一定的说明，有兴趣的读者可以参阅。
1.2误差克服途径
时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准；量化误差的克服有许多方法，也是国内外研究的热点，可以将其分为以下三类。
第一类：提高量化时钟的频率，这带来的问题是时钟频率越高对电路的要求越高，并且相应的芯片也很难选择。例如，当要求1ns 的测量精度时，时钟频率需要提高到1GHz ，此时一般的计数器芯片很难正常工作，同时也会带来电路板的布线、材料选择以及加工等诸多问题，因此，不是一个巧妙的方法。
第二类：对量化误差T 1和T 2进行扩展，后进行二次量化，实践证明该解决途径是切实可行的，并且获得了长足的发展，取得了大量的研究成果，但是二次量化仍然存在原理误差。
第三类：对量化误差T 1和T 2进行转换，通过测量其它物理量，比如幅度、相位而达到测量时间的目的，该类方法从根本上解决原理误差对测量精度的影响。
以下所讨论的测量方法都是在电子计数法的基础上发展起来的，这些方法的目的都是克服电子计数法的原理误差。
2 模拟内插法
电子计数法在测量精度要求不高的条件下无疑是一种非常好的时间测量方法，其原理误差为一个量化时钟周期，如果能够克服其原理误差，那么其时间测量精度将会得到很大的提高，从这个角度入手，近年来，国内外研究了许多新的测量方法，模拟内插法是其中的一种。该方法是在模拟法与电子计数法的基础上发展而来的，其测量对象针对电子计数法中的T 1和T 2，即完成T 1和T 2的二次测量。
在介绍模拟内插法之前，首先介绍模拟法，其测量原理如图2所示：
图2 模拟法测量脉冲时间间隔原理图
在待测脉冲间隔x T 期间对电容进行充电，充电电流大小为1I ；然后以一个小电流k I I 12
进行放
电[4]。此方法的优点是测量精度理论上非常高，可达皮秒量级；但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的增加，精度会降低；另外，电容充放电性能受温度的影响非常大，对测量系统的温度特性要求就非常苛刻；非常稳定的恒流源也是一个技术难题。
待测脉冲信号
电容充放电波形
待扩展时间间隔 扩展后的时间间隔 量化时钟
为了克服模拟法在大测量范围条件下测量精度低的问题，引入了模拟内插法，其测量原理如图3所示。
图3 模拟内插法测量脉冲时间间隔原理图
模拟内插法要对三段时间进行测量，即Ts 、T 1和T 2，其中0NT T s
=，采用电子计数法得到，T 1和
T 2的测量是关键。模拟内插法的思路是对小于量化单位的时间零头T 1和T 2进行扩展，然后对扩展后的时间进行再次时钟计数。
T 1和T 2的测量采用电容充放电技术，在T 1期间，采用恒流源1I 对电容C 充电，T 1结束以后采用恒流源k I I 12
=对电容放电，直到起始电平位置，然后保持此电平。由充放电电荷相等的原理可得：
C
T I C T I '
1211= （6） 进一步化简得到1'
1
kT T =，即电容放电时间为充电时间的k 倍，然后采用量化时钟对放电时间进行计
时，得到计时脉冲的个数为1N ，则可以得到k T N T 011
=
，同理得到k
T
N T 022=，结合S T 的大小得到：
021210T k N N N T T NT T x ??
? ??
-+=-+= （7）
该方法虽然在计算T 1和T 2时仍存在量化误差，但是其相对大小可以缩小k 倍，假设1000=k ，那么计数器的分辨率提高了三个数量级。例如，量化时钟的频率为10MHz ，1000=k ，则电子计数器的分辨率不会超过100ns ，采用模拟内插技术之后，其分辨率提高到0.1ns ，相当于10GHz 量化时钟的分辨力。
模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技术实现的基础是对T 1和T 2的扩展，在较T 1和T 2长k 倍的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性，所以k 值实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数k 的准确值也难以得到，所以模拟内插技术要将测时精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。模拟内插技术虽然对时钟频率要求不高，但是由于采用模拟电路，当待测信号的频率较高的情况下非
常容易受到噪声的干扰，当要求连续测量时，电路反应速度也是一个大问题。
模拟内插法的误差来源总结如下：
[1]原理误差。在将模拟量1kT 转换成数字量01T N 的过程中产生的，其大小为k T 0
，该误差是测量原
理误差，无法克服。
[2]时间扩展的非线性（主要误差未源）。由于时间扩展采用的都是模拟器件，因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。
[3]随机误差，如触发误差。 [4]时钟的稳定度带来的误差。
采用模拟内插原理制成的时间间隔计数器产品的主要代表是HP 公司的HP5360A 型计数器，该计数器的电容放电时间比充电时间长1000倍，即1000=k ，计数器的时钟频率为10MHz ，其分辨率已经达到了0.1ns 。
3 延迟线内插法
国外将这种测量方法称为TDC （time-to-digital converter ）方法，并且进行了大量的研究，该方法与模拟内插法一样，是对T 1和T 2进行再次测量。当脉冲信号到达时启动延迟线，延迟线的延迟时间为1τ，
2τ，当时钟信号到来时，输出延迟单元的数目1N ，则可以得到111τN T =，采用同样的方法能够得到
222τN T =。TDC 方法得到脉冲时间间隔为：
2
2110210. .ττN N T N T T T N T x -+=-+= （8）
延迟线内插法的测量原理如图4所示：
图4 延迟线内插法测量脉冲时间间隔原理图
延迟线方法的突出优点是结构简单，可实现单片集成，在单片FPGA 上实现。其缺点是测量精度受限于LSB （为百皮秒量级）。其误差来源主要包括以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间，减少量化误差带来的是延迟单元的增加，设备量的庞大。二是延迟线集成非线性，由于在集成过程中不可能做
到各个延迟单无完全一致，导致各个延迟单元的延迟时间不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平均法、矢量法等。三是随机变化，由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起。四是时间抖动，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。参考文献[6][7]对TDC 方法的误差分析非常透彻。
基于TDC 方法，参考文献[7]给出了一种测量范围在0~43s ，测量分辨力为200ps 的内插时间间隔计数器。该计数器在一片FPGA 上实现，计数器包含两个6bit 的时间-数字转换器（TDC ），主计数器的时钟频率为100MHz ，因此TDC 的量化误差LSB 大约为200ps ，该计数器还能够用于频率测量。文中还采用了计算机软件对TDC 的非线性误差进行校正，使得计数器的测量精度提高到0.65LSB 。
参考文献[8]给出了一种基于TDC 方法开发出的时间间隔计数器，该计数器在一片FPGA 上实现，由于采用了最新的延迟线设计以及超强功能FPGA ，延迟单元达到了128个，使得该计数器的测量分辨力达到了100ps ，最差情况下的测量结果为170ps ，对非线性误差进行补偿之后的测量分辨力达到了70ps ，该计数器的测量范围为0-43s ，计数器芯片的最大功耗为260mw 。图5为该计数器的原理结构简图。
图5基于TDC 方法研制成功的某时间间隔计数器原理结构框图
4 游标法
游标法的测量思路也是针对电子计数法中的T 1和T 2，其测量原理与游标卡尺测量长度的原理相同。使用两种频率的时钟信号：主时钟频率
01f 和游标时钟02f 。设定0201f f >，且非常接近，时钟周期差值
01020T T T -=?很小，测量原理参考文献[9][10]有具体说明，这里给出结论：
22011T N T T N T ?=?= （9）
定义扩展系数：
01
0201
001T T T T T K -=?=
（10） 则：
()K
T N N K N T x 01
210-+= （11） 其中：0N 为主计数器的计数值；01
0201
T T T K
-=
为扩展系数；1N 为测量1T 用的游标计数器1的计数
值，2N 为测量2T 用的游标计数器2计数值；01T 为主时钟周期，02T 为游标时钟周期。
假设ns T 1001=，ns T 1.1002
=，
则1001
.010
010201==-=T T T K ，则游标计数器的测时分辨力为0.1ns 。
应用游标法进行时间间隔的测量，需要注意以下几个问题： [1]时钟频率的稳定度01f ，02f 要求极高。
[2]当分辨力很高时，01f ，02f 非常接近，因此两个时钟电路必须进行严格屏蔽，否则，可能因为频率
牵引而不能正常工作。
[3]要实现高精度、高分辨率的测量，符合电路的工作速度也应该很高。
由于存在上述困难，所以游标法长期以来没有得到实际的应用，目前，采用游标内插法原理制作成功的计数器的代表产品是HP 公司的HP5370A 型时间间隔计数器，在这个计数器中，相邻两个脉冲分别控制两个触发锁相振荡器，目前，该计数器已经获得了20ps 的分辨力。
5 时间-幅度转换法
前面介绍的几种时间间隔测量方法的总体思路大体上都是对T 1和T 2进行扩展之后，重新计数，比如，电容充放电法是对T 1和T 2进行K 倍扩展之后，采用时钟再次进行计数；延迟线内插技术的本质可以理解为是采用多个延迟单元对T 1和T 2进行计数；游标法是利用主副时钟的频率差值得到一个扩展系数。以上几种方法仍然没有脱离电子计数法的束缚。下面介绍的两种方法从另外一个角度来进行T 1和T 2的测量。
5.1 TVC 方法
这种方法是在电容充放电方法的启发下得出的，本文只给出其测量思路：
如图1所示，主波较下一个计数脉冲早到1T 时间，为了实时测量出量化误差1T ，可以采用将1T 变换为电信号的方法。让主波前沿作为起始触发，启动一阶跃恒流源I 给一电容C 充电，恒流源内阻为R ，则电容C 上的电压与充电时间t 之间的关系为：
??
? ??-=-RC t
C e RI V 1 （12） 然后，由主波后的第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电，电容电压就停止增加，假定此时的电
压值为'
C V ，这一时刻相对于0=C V 时的时延是1T ，则??
? ??-=-RC T
C
e RI V 1
1'。与充电电容相连的是一个
性能较好的隔离放大器，它具有较高的输入阻抗，一般有几十兆欧，它的作用是隔离后级对充电电容的影响，让电容上的电压能够保持很长时间，同时还具有一定的放大作用，但它又不影响恒流源对电容的充电。在第一个计数脉冲前沿让电容停止充电时，电容上的电压'
C V 通过隔离放大器送到ADC 电路进行模拟数字转换，得到一个数字码输出'
N ，为了分析方便设放大器的放大增益为单位增益。如果ADC 的转换位数为
m ，满量程输入电压为'Cm
V ，则存在()'''2C m C m V V N =，得到ADC 的输出便得到了电容上的电压'C V ，'N ，'C V 与1T 一一对应，于是可以得到：
()()??
?????-
-=RI V N RC T m Cm 21ln '
'1 （13）
根据上式可以确定计数量化误差1T ，同理可以得到2T 。该方法的具体误差分析参考文献[11]中有具体的说明。
国外将这种测量方法称为TVC （time-to-voltage converter ）方法，并且将该方法主要用于测量范围为10ns~1us 之间的场合。参考文献[12]对该方法进行了论述，并且制作成功一个时间间隔测量仪，该测量仪采用电容充放电技术结合双通道AD 转换器，计数器时钟频率为10MHz ，测量分辨力达到了400ps 。
5.2基于斜坡发生器与模数转换器法
该测量方法是对电子计数法的量化误差T 1和T 2进行测量，不同于第一种时间幅度转换方法的是，该方法利用了一个线性斜坡产生器，具体原理如下。
当第一个脉冲信号到来时，立刻起动一个斜坡发生器，当此后的第一个量化时钟脉冲到来时，使采保电路进入保持状态以保持斜坡发生器此时的电压值，然后再做模数转换，记录下此时的电压值，设定斜坡发生器在一个时钟周期0T 时间内电压的变化量为PP V ，假设模数转换器的位数为n ，满幅时对应的电压也为PP V ，在量化误差时间间隔内ADC 的输出为1N ，则对应的时间T 1的值应该为：
01
12T N T n
?=
（14） 同理可以得到2T 的值02
2
2
T N T n ?=
。根据该测量原理，中国科学院陕西天文台制作成功了一种时间间隔计数器[13]，该计数器的测量分辨率达到了ns 2.0。该方法存在的误差来源主要包括在以下几个方面：
[1]线性斜坡电压发生器的非线性误差导致的测量误差。 [2]ADC 的转换误差导致电压测量值存在误差。
虽然模数转换技术的测量精度在目前可见的产品中不是很高，但是这种测量思路突破了传统电子计数法的束缚，将时间测量问题转换为其他物理量的测量，比如电压，使得问题的解决方法获得了突破。
6 结束语
总结以上几种高精度时间间隔测量方法：
[1]在电子计数法的基础上，对量化误差T1和T2进行的再次测量。
[2]除电子计数法之外，适合于两个脉冲时间间隔的测量，即单次测量，对于连续测量难度很大。
[3]除时间-幅度转换方法之外，其他方法还存在一定的原理误差。
[4]部分测量方法还不适合于大时间间隔的测量。
通过对以往时间间隔测量方法的分析，可以得出其基本发展趋势，即在电子计数法的基础上对电子计数法的原理误差T1和T2进行二次测量。时间-幅度转换方法是一种新的测量思路，其将对时间的测量转换为对信号幅度的测量，具有很强的指导意思，随着高精度时间频率基准、模数转换器的发展，时间-幅度转换方法必将获得更大的发展，本课题组在该思想的指导下，正在研制一种基于时间-幅度-相位转换的时间间隔测量仪，目前已经取得了突破性进展。
时间间隔测量方法需要着重解决的问题包括以下几个方面：
[1]测量精度与测量分辨力的提高。
[2]测量的实时性问题。
[3]先进的测量方法与连续测量的矛盾解决。
[4]测量范围与测量精度矛盾的解决。
[5]测量方法与实际应用问题。
脉冲雷达测距，雷达PRI测量，雷达信号分选识别、无源时差定位以及卫星导航等领域都需要完成高精度时间间隔的测量，如何将测量方法与这些应用相结合也是在设计测量方法需要考虑的问题。
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[13]樊战友王大琴李志刚王丹妮胡靖文，时间间隔计数器的研制，陕西天文台台刊[J]，第23卷第2期，2001.2月。
各种测量方法 一、轴径 在单件小批生产中，中低精度轴径的实际尺寸通常用卡尺、千分尺、专用量表等普通计量器具进行检测；在大批量生产中，多用光滑极限量规判断轴的实际尺寸和形状误差是否合格；；高精度的轴径常用机械式测微仪、电动式测微仪或光学仪器进行比较测量，用立式光学计测量轴径是最常用的测量方法。 二、孔径 单件小批生产通常用卡尺、内径千分尺、内径规、内径摇表、内测卡规等普通量具、通用量仪；大批量生产多用光滑极限量规；高精度深孔和精密孔等的测量常用内径百分表（千分表）或卧式测长仪（也叫万能测长仪）测量，用小孔内视镜、反射内视镜等检测小孔径，用电子深度卡尺测量细孔（细孔专用）。 三、长度、厚度 长度尺寸一般用卡尺、千分尺、专用量表、测长仪、比测仪、高度仪、气动量仪等；厚度尺寸一般用塞尺、间隙片结合卡尺、千分尺、高度尺、量规；壁厚尺寸可使用超声波测厚仪或壁厚千分尺来检测管类、薄壁件等的厚度，用膜厚计、涂层测厚计检测刀片或其他零件涂镀层的厚度；用偏心检查器检测偏心距值，用半径规检测圆弧角半径值，
用螺距规检测螺距尺寸值，用孔距卡尺测量孔距尺寸。 四、表面粗糙度 借助放大镜、比较显微镜等用表面粗糙度比较样块直接进行比较；用光切显微镜（又称为双管显微镜测量用车、铣、刨等加工方法完成的金属平面或外圆表面；用干涉显微镜（如双光束干涉显微镜、多光束干涉显微镜）测量表面粗糙度要求高的表面；用电动轮廓仪可直接显示Ra0.025～6.3μm 的值；用某些塑性材料做成块状印模贴在大型笨重零件和难以用仪器直接测量或样板比较的表面（如深孔、盲孔、凹槽、内螺纹等）零件表面上，将零件表面轮廓印制印模上，然后对印模进行测量，得出粗糙度参数值（测得印模的表面粗糙度参数值比零件实际参数值要小，因此糙度测量结果需要凭经验进行修正）；用激光测微仪激光结合图谱法和激光光能法测量Ra0.01～0.32μm的表面粗糙度。 五、角度 1．相对测量：用角度量块直接检测精度高的工件；用直角尺检验直角；用多面棱体测量分度盘精密齿轮、涡轮等的分度误差。 2．直接测量：用角度仪、电子角度规测量角度量块、多面棱体、棱镜等具有反射面的工作角度；用光学分度头测量工件的圆周分度或；用样板、角尺、万能角度尺直接测量精度要求不高的角度零件。3．间接测量：常用的测量器具有正弦规、滚柱和钢球等，也可使用三坐标测量机。 4．小角度测量：测量器具有水平仪、自准直仪、激光小角度测量仪
中国移动通信企业标准 中国移动高精度时间同步设备 技术规范 中国移动通信集团公司 发布 2011-4-8发布 2011-4-8实施 QB-B-018-2010 版本号 ：1.0.0
目录 前言 ................................................................... II 1. 范围 (1) 2. 规范性引用文件 (1) 3. 符号和缩略语 (1) 4. 高精度时间同步设备定义及构成 (2) 4.1. 定义 (2) 4.2. 构成 (2) 5. 高精度时间同步设备的功能要求 (2) 5.1. 定时输入功能 (2) 5.1.1. 时间同步输入基本要求 (2) 5.1.2. 卫星定位系统接收机 (2) 5.1.3. 地面时间输入 (3) 5.1.4. 频率输入（可选） (3) 5.2. 本地时钟功能 (3) 5.3. 定时输出功能 (3) 5.3.1. 时间输出接口功能 (3) 5.3.2. 频率输出接口功能 (4) 5.4. 监控管理功能 (4) 5.4.1. 时间输入信号的告警监测 (4) 5.4.2. 时间输入信号的性能监测（可选） (4) 5.4.3. 网管功能 (4) 6. 高精度时间同步设备的性能要求 (5) 6.1. 频率同步性能 (5) 6.2. 时间同步性能 (5) 6.2.1. 时间精度要求 (5) 6.2.2. 时间稳定度要求 (5) 6.2.3. 守时精度的要求 (5) 6.2.4. 时间源倒换的性能要求 (6) 7. 可靠性及环境要求 (6) 7.1. 可靠性要求 (6) 7.2. 环境要求 (6) 7.2.1. 电源要求 (6) 7.2.2. 温度要求 (6) 7.2.3. 湿度要求 (6) 8. 编制历史 (7)
高精度时间间隔测量方法综述 孙杰潘继飞 （解放军电子工程学院，安徽合肥，230037） 摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。 关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换 Methods of High Precision Time-Interval Measurement SUN Jie , PAN Ji-fei （Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China） Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted. Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion 0引言 时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。 时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。 1 电子计数法 1.1 测量原理与误差分析 在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1所示：
第26卷第3期2007年6月 红外与毫米波学报 J.I nfrared M illi m .W aves Vol .26,No .3June,2007 文章编号:1001-9014(2007)03-0213-04 收稿日期:2006210228,修回日期:2007203205 Rece i ved da te:2006210228,rev ised da te:2007203205基金项目:中国科学院创新三期项目(11100404K221J W19) 作者简介:吴刚(19812),男,湖北武汉人,中科院上海技术物理研究所硕士研究生,电路与系统专业,现主要从事卫星定位系统中的时钟同步研究. 脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究 吴 刚, 李春来, 刘银年, 戴 宁, 王建宇 (中科院上海技术物理研究所,上海 200083) 摘要:时间间隔的测量精度对脉冲激光测距系统的测量精度起决定作用.为此研制了一高精度时间间隔测量模块, 该模块基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,最大测量时间可高达200m s,测时分辨率最高可达125p s,对应测距分辨率18.75mm,适用于远距离的测量.给出了硬件和软件设计方法以及模块的测试结果.关 键 词:脉冲激光测距;时间间隔测量;时间数字转换;延迟线插入法中图分类号:T N249 文献标识码:A STU DY ON HI GH RES OLUTI ON TI M E I NTERVAL M EASURE M ENT MODU LE I N PU LSE D LASER RANGI NG S YSTE M WU Gang, L I Chun 2Lai, L I U Yin 2N ian, DA IN ing, WANG J ian 2Yu (Shanghai I nstitute of Technical Physics,Chinese Acade my of Sciences,Shanghai 200083,China ) Abstract:The p recisi on of the pulsed laser ranging system was decided by the p recisi on of the ti m e interval measure ment . Theref ore,a high res oluti on ti m e interval measurement module was devel oped .The module is based on the s pecial ti m e 2t o 2digital conversi on chi p which adop ts the delay line inter polati on method .The maxi m u m measuring ti m e of the module is 200m s,and the maxi m u m ti m e res oluti on is 125p s,of which the corres ponding distance res oluti on is 18.75mm.The mod 2ule is es pecially suit f or the large distance measure ment .The hard ware and the s oft w are of the module as well as the testing results are als o p resented . Key words:pulsed laser ranging;ti m e interval measure ment;ti m e 2t o 2digital conversi on;delay line inter polati on method 引言 脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛应用.不同的应用对测量范围与精度有不同的要求,在军事上,测量范围从几百米到几十千米,相应的精度要求从几十厘米到几百米;而在航空航天方面,从航天器间的对接到飞船的着陆,精度则要求在毫米量级.测量系统的测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、信噪比和脉冲激光传输的时间间隔测量精度,其中时间间隔的测量精 度对测距精度起决定作用[1～4] . 到目前为止,时间间隔的测量方法主要有3种: 模拟法、数字法和数字插入法[5] .其中数字插入法 是脉冲激光测距中精度最高的,主要有延迟线插入 法、模拟插入法和差频测相插入法3种.由德国ACAM 公司设计的一种高精度时间数字转换芯片T DC 2GP1采用的就是延迟线插入法技术. 利用T DC 2GP1芯片,设计和开发了一套基于PC I 总线的时间间隔测量模块.实验结果证明,该模块具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点.此模块的开发和利用将有利于提高脉冲激光测距的测量精度. 1 脉冲激光测距系统结构 图1为脉冲激光测距系统的方框图.其工作过程是:首先,使整机复原,准备进行测量;同时触发脉冲激光发生器,产生激光脉冲.该激光脉冲有一小部分能量透过分束片,直接送到接收系统,作为计时的
综述与评论 计算机测量与控制.2007.15(2) Com puter Measurement &C ontrol 145 中华测控网chinamca.co m 收稿日期:2006-03-06; 修回日期:2006-05-09。 作者简介:孙 杰(1975-),男,安徽合肥人,讲师,主要从事测控技术方向的研究。 文章编号:1671-4598(2007)02-0141-04 中图分类号:O63;TP273.5 文献标识码:A 高精度时间间隔测量方法综述 孙 杰,潘继飞 (解放军电子工程学院,安徽合肥 230037) 摘要:时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用,如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题,在分析电子计数法测量原理与误差的基础上,重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量,并且取得了非常好的效果;最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。 关键词:时间间隔;原理误差;内插;时间数字转换;时间幅度转换 Methods of High Precision Time -Interval Measurement Sun Jie ,Pan Jifei (Electr onic Eng inee ring Institute o f PL A ,H efei 230037,China ) Abstract :Technology of time -interval m easu rement has been app lied in many field s.H ow to improve its precision is an em ergent ques -tion.On the basis of an alyzing electronic counter 's principle and error ,this paper puts emphasis upon introducing high precision time -in ter -val measu rements all over the w orld.All these methods aim at electronic counter 's principle error ,and ob tain special https://www.doczj.com/doc/3b2385560.html,s tly ,the pro -gress direction and ap plication foreg rou nd of high precision tim e -interval measurem ent meth od s are predicted. Key words :time in terval ;prin ciple error ;interpolating ;tim e -to -digital conversion ;time -to -amplitude con version 0 引言 时间有两种含义,一种是指时间坐标系中的某一刻;另一种是指时间间隔,即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间,因此,时间间隔测量属于时间测量的范畴。 时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用,因此,如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法,指出其发展趋势,为研究新的测量方法指明了方向。 1 电子计数法 1.1 测量原理与误差分析 在测量精度要求不高的前提下,电子计数法是一种非常好 的时间间隔测量方法,已经在许多领域获得了实际应用,其测量原理如图1所示。 图1 电子计数法测量时间间隔基本原理 量化时钟频率为f 0,对应的周期T 0=1/f 0,在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数M ,N ,T 1, T 2为待测脉冲 上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔,则待测脉冲时间间隔T x 为: T x =(N -M ) T 0+T 1-T 2 (1) 然而,电子计数法得到的是计数脉冲个数M ,N ,因此其测量的脉冲时间间隔为: T ′x =(N -M ) T 0(2) 比较表达式(1)、(2)可得电子计数法的测量误差为Δ=T 1-T 2,其最大值为一个量化时钟周期T 0,产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致,该误差称为电子计数法的原理误差。 除了原理误差之外,电子计数法还存在时标误差,分析表达式(2)得到: ΔT ′x =Δ (N -M ) T 0+(N -M ) ΔT 0(3) 比较表达式(3)、(2): ΔT ′x T ′x =Δ(N -M )(N -M )+ΔT 0T 0(4) 根据电子计数法原理,Δ(N -M )=±1,N -M =T ′x /T 0,因此: ΔT ′x =±T 0+T ′x ΔT 0/T 0 (5)T ′x ΔT 0/T 0即为时标误差,其产生的原因是量化时钟的稳定度ΔT 0/T 0,可以看出待测脉冲间隔T x 越大,量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。 根据以上分析得出电子计数法具有以下特点: (1)测量范围广,容易实现,且能够作到实时处理。(2)存在时标误差与原理误差,限制了其测量精度。电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法,参考文献[1-3]都有一定的说明,有兴趣的读者可以参阅。 1.2 误差克服途径 时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服,比如铷原子频率标准;量化误差的克服有许多方法,也是国内外研究的热点,可以将其分为以下三类。 第一类:提高量化时钟的频率,这带来的问题是时钟频率 DOI 牶牨牥牣牨牰牭牪牰牤j 牣cn ki 牣牨牨牠牬牱牰牪牤tp 牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牥牪
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范围 ........................................................................................................................................................................ 1 引用标准 ................................................................................................................................................................ 1 符号及缩略语 ........................................................................................................................................................ 1 概述 ........................................................................................................................................................................ 1 基于 1PPS+TOD方式的时间同步功能要求 ........................................................................................................... 2 1PPS+TOD接口中TOD的协议规范 .......................................................................................................................... 3 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 TOD帧定义...................................................................................................................................................... 3 TOD消息定义.................................................................................................................................................. 4
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时间信息消息 ....................................................................................................................................... 4 时间状态消息 ....................................................................................................................................... 5 数据类型定义 ....................................................................................................................................... 6
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２６３０仪器仪表学报第２９卷 图５高精度时ＩｂＪ删隔测赶系统样机实物ｎｇ５ＴｈｅｐｈｏｆｏｏｆｔｈｅｌｉｍｅｉｎｌｅｒｖａＩｍｅａｓｕｒｅｍｅｎＩｐｍｍｆｙｐｅ ４．２测试结果 网６给ｆＩ｛了采样率为ｌ【）ｏＭｓ／ｓ，量化位数为１４比特时，通道ｌ（ＣＨｌ）干¨通道２（ｃＨ２）进行的１００次测量结果。 此外，表２给出厂上文提到的３种情况下的各通道的槲位（时延）估计精度和时间Ｊ’日Ｊ隔测量精度。由表中的数据，可以得出如Ｆ结论： １）单通道相位（时间）测量精度和双通道时间间隔测莆精度均在ｌＯｐｓ左右，三种情况的差异不太明显。相对来说，时间间隔测量精度在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１４比特量化的最高，优于ｌＯｐｓ；在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１０比特量化时最低，略微超过１０ｐｓ。 ２）实验结果基本上体现不出３种情况下的精度差异，均低于表ｌ的理论精度。这是冈为单通道相位（时间）的估计结果受触发误差和被测频标信号抖动的影响。这两个误差约为１０ｐｓ，远大于相位（时间）估计误差。 ３）作为双通道差的时间间隔测量结果中消除了被测频标信号抖动的影响，应该精度高于单通道测量结果。但是｝｝１于实验系统巾两块采集卡之问时钟同步存在一定抖动，降低了测量结果的精度，凶而时间问隔的测量精度约为ｌＯｐｓ左右。 图６测量结果曲线（１００ＭＳ／８采样率、１４比特最化）¨ｇ．６Ｐｈａｓｅａｎｄ“ｍｅｊｎｌｅⅣａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ （ｓａｍＩ＇ｌｉｎｇｒａｔｅ１００ＭＳ／ｓ，】４ｂ） 表２三种采样率下样机精度对比（厶ｒ－１０ＭＨｚ，Ⅳ＝ｌ０“） Ｔａｂｌｅ２Ａｃｃｕｒａｃｙｃｏｍｐａｒ勘ｎｕｎｄｅｒｔｈｒ托ｃ衄ｄｉ６０陋（矗ｆ－１０ＭＨｚ．～＝ｌ０２４） ５结论 从实验数据与理论结果对比，可以发现由于实验系统各环节引入的噪声，使得测试结果难以反映３种测试情况的差异。综合来看，实验系统达到了ｌＯｐｓ的测肇精度。 由于采用两块数据采集卡进行实验，两块卡之间的采样时钟抖动抬高了测量系统的本底噪声。下一步实验中将研制专用的数据采集和处理系统，在一块ＰＣＢ上完成时钟的分配，数据的采集和相位的实时解算，以达到小型化、实时性和更高的精度；同时降低系统造价。如果对触发抖动和采样时钟的抖动处理得比较好，有望达到１ｐｓ精度。 此外，还需要进一步将相位（时延）估计算法移植到ＦＰＧＡ上实现，做到实时处理采集数据。这样一来系统的测量速率主要由数据采集决定，对于１０２４点Ｆ盯，２５Ｍｓ／ｓ时数据采集时间为４．０９６×１０～ｓ，则最高测黾速牢可以做到２，４４１４×１０４Ｈｚ。进一步提高采样率或者降低Ｆ丌点数，还可以提高测量速率。如果从实际需求出发．还可以降低ＦｆＴｒ的点数，比如将Ⅳ降为６４，采样率ｆ为２５Ｍｓ／ｓ．比特位数１４ｂ，可以得到的理论测量精度仍然优于０．２ ｐｓ。万方数据
高精度时间间隔测量方法综述 孙 杰 潘继飞 （解放军电子工程学院，安徽合肥，230037） 摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。 关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换 Methods of High Precision Time-Interval Measurement SUN Jie , PAN Ji-fei （Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China ） Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter ’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter ’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted. Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion 0引言 时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。 时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。 1 电子计数法 1.1 测量原理与误差分析 在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1 量化时钟频率为 0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 为待测脉 冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔x T 为： ()210T T T M N T x -+?-= （1） 然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为： ()0' T M N T x ?-= （2） 比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=?，其最大值为一个量化时钟周期0T ，产生的原因是待 测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。 除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到： ()()00'..T M N T M N T x ?-+-?=? （3） 比较表达式（3）（2）： ()()00 ''T T M N M N T T x x ?+--?=? （4） 根据电子计数法原理，()1±=-? M N ，0'T T M N x =-，因此： 00'0'T T T T T x x ??+±=? （5） 00'T T T x ??即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T T ?，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳 定度导致的时标误差越大。 作者简介：孙杰： （1975—），男（汉族），安徽合肥人，解放军电子工程学院讲师 潘继飞：（1978—），男（汉族），安徽凤阳人，解放军电子工程学院信号与信息处理专业博士生
卫星共视法高精度时间频率比对与传递系统
目录 1．概述 (3) 2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理 (4) 2.1 卫星共视时间比对与传递工作原理 (4) 2.2 时间比对和传递系统设备配置及连接 (7) 3．经费预算................................................. 错误！未定义书签。
1．概述 时间是物理学的基本参量之一。随着科学技术的发展，高精度的时间和频率在国民经济发展中的地位日趋重要，诸如通信、电力、交通、高速数字网同步等高新技术领域有着广泛的应用，特别是我国国防建设和空间技术领域，如空间目标探测与拦截（类似于美国爱国者导弹防御系统）、我国第二代战略武器试验、载人航天工程和拟建中的二代卫星导航系统对时间和频率的精度提出了更高的要求。 二十世纪末，随着空间技术的发展，GPS和北斗卫星导航系统相继问世，授时具有了全方位性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性，并提供了高精度的授时覆盖和服务。“时间统一系统”为精密时间产生、传递、恢复和保持、科学研究、科学实验和工程技术及一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时间基准和依据。 就高精度时间传递与比对系统而言，可以应用于工程项目的主要包括以下几种： 1．RNSS卫星共视时间比对与传递； 2．RNSS卫星载波相位时间同步； 3．卫星双向时间比对与传递； 4．搬运钟时间比对与传递。 在以上几种方法中，卫星共视时间比对与传递是一种较为优秀的高精度时间比对与传递系统。
2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理 2.1 卫星共视时间比对与传递工作原理 所谓“共视”(Common View)就是位于两个不同位置的观测者，在同一时刻对同一颗卫星进行观测，其原理如下图所示。 图1 GPS 共视法高精度时间同步原理图 图1给出了一个单收系统示意图，在每个比对点，本地钟均按自己的速率运行。根据比对需求，利用卫星所发射的1PPS 秒信号、或其它固定速率发射的时钟脉冲信号。 在每个测站，利用本地钟的1PPS 信号打开时间间隔计数器闸门，再用从共视接收机所输出的1PPS 秒信号关闭时间间隔计数器的闸门。这样，我们可以得到以下的时间关系（图2）： 在钟1处： 接收时间 1τ+=卫接收T t 计数器读数 1d T =)(11τ+-卫T T (1) GPS 卫星
形位公差之圆度误差测量方法介绍 摘要 在机械制造中，经常会加工轴、套筒等回转体类零件，这些零件需要配合起来使用，这就要求不仅满足尺 寸精度要求，同时还要满足形位精度要求。圆度属于形位公差中的一种，其测量方法主要有回转轴法、三 点法、两点法、投影法和坐标法以及利用数据采集仪连接百分表法等。 圆度 圆度是表示零件上圆的要素实际形状，与其中心保持等距的情况。即通常所说的圆整程度。 圆度公差 圆度是限制实际圆对理想圆变动量的一项指标，其公差带是以公差值t为半径差的两同心圆之间的区域。 圆度公差属于形状公差，圆度误差值不大于相应的公差值，则认为合格，下图为圆度公差标注图： 圆度误差的评定原则 圆度误差评定有4种主要方法。 ①最小区域法：以包容被测圆轮廓的半径差为最小的两同心圆的半径差作为圆度误差。 ②最小二乘圆法：以被测圆轮廓上相应各点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为圆心，所作包容被测 圆轮廓的两同心圆的半径差即为圆度误差。 ③最小外接圆法：只适用于外圆。以包容被测圆轮廓且半径为最小的外接圆圆心为圆心，所作包容被测圆 轮廓的两同心圆半径差即为圆度误差。 ④最大内接圆法：只适用于内圆。以内接于被测圆轮廓且半径为最大的内接圆圆心为圆心，所作包容被测 圆轮廓两同心圆的半径差即为圆度误差. 圆度误差测量方法 圆度测量方法主要有回转轴法、三点法、两点法、投影法和坐标法、直接利用我们太友科技的数据采集仪 连接百分表法。 1、回转轴法 利用精密轴系中的轴回转一周所形成的圆轨迹（理想圆）与被测圆比较，两圆半径上的差值由电学式长度
传感器转换为电信号，经电路处理和电子计算机计算后由显示仪表指示出圆度误差，或由记录器记录出被测圆轮廓图形。回转轴法有传感器回转和工作台回转两种形式。前者适用于高精度圆度测量，后者常用于测量小型工件。按回转轴法设计的圆度测量工具称为圆度仪。 2、三点法 常将被测工件置于V形块中进行测量。测量时,使被测工件在V形块中回转一周，从测微仪（见比较仪）读出最大示值和最小示值，两示值差之半即为被测工件外圆的圆度误差。此法适用于测量具有奇数棱边形状误差的外圆或内圆，常用2α角为90°、120°或72°、108°的两块V形块分别测量。 3、两点法 常用千分尺、比较仪等测量，以被测圆某一截面上各直径间最大差值之半作为此截面的圆度误差。此法适于测量具有偶数棱边形状误差的外圆或内圆。 4、投影法 常在投影仪上测量，将被测圆的轮廓影像与绘制在投影屏上的两极限同心圆比较,从而得到被测件的圆度误差。此法适用于测量具有刃口形边缘的小型工件。 5、坐标法 一般在带有电子计算机的三坐标测量机上测量。按预先选择的直角坐标系统测量出被测圆上若干点的坐标值x、y，通过电子计算机按所选择的圆度误差评定方法计算出被测圆的圆度误差。 6、利用数据采集仪连接百分表法
IEEE1588和高精度时间同步的方法[作者：阮於东] IEEE1588和高精度时间同步的方法 摘要 本文介绍网络时间同步和最佳时钟算法的概念，介绍用于分散测量和控制的精确时间同步协议IEEE1588的原理。 关键词：时间同步：时间标记：最佳时钟算法： IEEE1588 and Precise Time Synchronization Method Ruan Yu-dong SEARI Abstract：The paper introduce the time synchronization and the best master algorithm concept ,descripts the precise time synchronization principle of IEEE1588 protocol for networked measurement and control system 0引言 控制系统中的时间同步问题早就出现，而随着系统范围的扩大和分散控制的发展，通过网络联系的分散控制节点之间的时间同步变得越来越重要。系统中时间的使用通常有两种不同的应用类型：时间标记性应用和基于频率的应用。如配电应用可代表时间标记应用，在这种系统中绝对时间很重要，因为特定事件的定时不仅需要与本系统内的其他事件的时间作比较，而且由于电力系统的连贯性，经常可能需要与外部相关系统的事件的时间作比较。哪一个事件先发生？是电网A先跳闸，还是电网B先跳闸？这些事件相隔多少时间？在实际应用中这些事件可能发生在不同的地理区域。由于这个原因需要绝对时间值的概念，并且这个时间基准需要校正为世界各地使用的常用时间。由于特定的事件和报警是被打上时间标记的，只要这些时间标记具有相同的基准，就可以在事后进行这些事件的时间顺序的分析。 另一方面，在控制系统中存在大量基于频率的应用，如通过网络连接的多个分布驱动的协调控制，它们需要精确同时执行，因为它们不能过度拉伸或损坏驱动机架之间的织物。在这些应用中当这些驱动器是同步工作时过程最佳。如果每个驱动器精确地在同时采样反馈和执行控制算法，同时执行控制命令，那么作用力的施加是协调的。在这种应用中绝对时间不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。 解决这些问题的关键是时间同步，时间同步的目的就是要将时间基准准确地传递到各控制点，传递并不困难，难于达到的是传递的精度。在2002年出现的IEEE1588标准（网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通常称为Precision Time Protocol[PTP]）在这方面取得了重大进展。使用这个方法并不需要很多资源就可以达到100纳秒级的同步精度。 IEEE1588标准出现后得到业界高度重视，在2002年，2004年举办专业会议，2006年将举办第三次专业会议。工业控制的领先厂商Rockwell，Siemens等立即投入产品开发，IEC已将它转化为IEC61588－2004标准，这个标准已为Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat 等基于以太网的总线采用，成为当前普遍采用的方法。
时间间隔测量技术 一直接计数法 测量原理与直接计数法测量频率基本相同，区别在于测量时间间隔时，控制电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。内部晶振振通过倍频或分频产生时基。在电子门打开期间，时基脉冲进入计数条进行计数。设所计的数值为N ，所选的时期为τ0，则所测时间间隔为 ττN =（5-1） 时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。对上式进行微分得 dN Nd d 00τττ+=第一项是晶振频率不准造成的，第二项与测频时一样，仍然是dN =±1。第一项如用频率准确度表示，则有 00 0τττττ±? ?=d N d 00 ττττ±? =d （5-2） 其中：τ—所测时间间隔 ττd —晶振周期或晶振频率准确度 图5-1时间间隔测量的直接计数法
由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨力。它等于测量仪所能选用的最小时基τ0。一般最小的时基为10ns ，最好的也只到5ns 。小于10ns 的间隔用其他方法测量，目前有三种游标法、内插法和A/D 变换法。 二游标法 利用长度测量中游标卡尺的原理。 在图5-1中，Δτ1和Δτ2均小于时基τ0，故测不出，此时Δτ1和Δτ2可用游标法测量。现以Δτ1的测量为例，如图5-2所示。 图5-2游标法（1） 原来的时基τ0称为主时基，需要产生一个副时基τ1，用τ1＞τ0，但两者之差很小，即τ1-τ0≤τ0 当时间间隔起始脉冲A 到达时，触发副时基发生器，副时基信号与信号A 同步，副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为Δτ1。随后两个时基同时运行，由τ1＞τ0，相当于副时基追赶主时基，每追过一个脉冲，两者的间隔就缩短τ1-τ0，当两者间隔为零时，一共追过了N 个脉冲，则Δτ1=N 1（τ1-τ0）。此式可从图5-2中准确得出。由图中可得 11101τττN N =?+) (0111τττ?=?N （5-3） Δτ2的测量略有些差异，如图5-3所示
Precision Time Protocol （PTP） 一、什么是PTP PTP 是一种高精度时间同步协议,可以到达亚微秒级精度,有资料说可达到30纳秒左右的偏差精度,但需要网络的节点（交换机）支持PTP协议，才能实现纳秒量级的同步。 一般在实际使用中，现有的NTP可以达到5ms以内的精度，对一般的应用都是满足的；非超高精度设备，不建议使用PTP设备。 与NTP主要区别:PTP是在硬件级实现的,NTP是在应用层级别实现的. PTP 是主从同步系统，一般采用硬件时间戳，并配合一些对NTP更高精度的延时测量算法。 PTP 最常用的是直接在 MAC 层进行 PTP 协议包分析 , 这样可以不经过UDP 协议栈 , 减少PTP 在协议栈中驻留时间 , 提高同步的精确度。 PTP 也可以承载在 UDP 上时 , 软件可以采用 SOCKET 进行收发 UDP包 , 事件消息的 UDP 端口号319 , 普通消息的组播端口号为 320 ，但其精度就大大降低。 在物理硬件要求主从端都是PTP设备，且网络不能太大，其中间经过的交换机设备也必须支持PTP协议，并且主从时间网络链路唯一，不存在交替的PTP通道。 PTPv2 采用相对时间同步机制。一个参与者被选作主时间钟，其将发送同步信息到从站。主站将发送同步报文到网络。所有的从站计算时间延迟。 Fig. 39.1 PTP Synchronization Protocol The PTP synchronization in the sample application works as follows:
Master sends Sync message - the slave saves it as T2. Master sends Follow Up message and sends time of T1. Slave sends Delay Request frame to PTP Master and stores T3. Master sends Delay Response T4 time which is time of received T3. The adjustment for slave can be represented as: adj = -[(T2-T1)-(T4 - T3)]/2 从钟根据 t1 、 t2 、 t3 、 t4 计算时间偏移 (offset) 以及传输延时 ( delay) ,即 t2 -t1 = offset + delay t4 - t3 = delay - offset 计算出 delay = ( t4 - t3 + t2 - t1) / 2 offset = ( t2 - t1 - t4 + t3) / 2 从钟根据 offset 从钟可以调整自己的时钟。 二、PTP的一些名词 PTP域中的节点称为时钟节点，PTP协议定义了以下三种类型的基本时钟节点： OC（Ordinary Clock，普通时钟）：只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟。 BC（Boundary Clock，边界时钟）：有一个以上PTP通信端口的时钟。 TC（Transparentclock，透明时钟）：与BC/OC相比，BC/OC需要与其它时钟节点保持时间同步，而TC则不与其它时钟节点保持时间同步。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。TC包括以下两种类型： E2ETC（End-to-End TransparentClock，端到端透明时钟）：直接转发网络中非P2P（Peer-to-Peer，点到点）类型的协议报文，并参与计算整条链路的延时。 P2PTC（Peer-to-PeerTransparent Clock，点到点透明时钟）：只直接转发Sync报文、Follow_Up报文和Announce报文，而终结其它PTP协议报文，并参与计算整条链路上每一段链路的延时。 一般链式的P2P网络选择E2E-TC，而从钟节点较多的网络考虑P2P-TC。因在 P2P 延时测量机制中，延时报文交互是在每条链路的两个端口间进行的，主钟只与直接相连的网络交换设备有延时报文交互，因此在 P2P TC 的延时测量机制中，没有对从钟数量的限制。 主时钟：一个PTP通信子网中只能有一个主时钟。 PTP端口有九种状态主站，从站，待机，未校正，监听，禁止，初始化，故障 三、PTP报文 PTP协议定义了4种多点传送的报文类型和管理报文，包括同步报文（Sync），跟随报文 （Follow_up），延迟请求报文（Delay_Req），延迟应答报文（Delay_Resp）和管理报文。 报文有一般报文和事件报文两种类型。跟随报文和延迟应答报文属于一般报文，一般报文本身不进行时戳处理，它可以携带事件报文的准确发送或接收时刻值信息。同步报文和延迟请求报文属于事件报文，事件报文是时间敏感消息，需要加盖精确的时间戳。