时间间隔测量在科学和工程领域具有非常重要的意义，是很多学科研究的基础。高精度时间间隔测量能准确测量两个物理事件之间的时间间隔，是建立时频系统的关键技术，是实现高精度时间频率传递的核心。高精度时间间隔测量方法分为模拟方法和数字方法两类，基于数字技术的时间数字转换器是目前研究高精度时间间隔测量方法的热点。高精度时间间隔测量电路一般由时钟计数器和高精度内插器组成，而高精度内插方法是实现高精度时间测量的关键技术。论文基于高精度时间频率传递的应用背景，对高精度时间间隔测量方法进行了深入研究。　　论文提出了一种基于延时环缩减法的高精度时间间隔测量方法，该方法通过两个脉冲信号分别在两个延时环中循环传输来不断缩减被测时间间隔，且两个延时环的结构、组成完全相同，二者的整体时延差决定了延时环缩减法的时间间隔测量分辨率。　　基于延时环缩减法的高精度时间数字转换器主要包括两个窄脉冲生成模块、两个延时环、相位一致性检测器、循环次数计数器，其中延时环和相位一致性检测器是延时环缩减法TDC的核心模块。时间数字转换器中两个延时环由相同数目的相同延时单元组成，延时单元的布局布线决定了两延时环的整体时延差（时间间隔测量分辨率），且两个延时环的对称结构能有效减小一部分外界环境因素对时间间隔测量的影响。与其他时间间隔测量方法相比，基于延时环缩减法的高精度时间间隔测量方法可在普通、低速可编程逻辑器件中实现。　　针对基于一阶延时环缩减法的时间数字转换器中测量时间较长的问题，论文提出了二阶延时环缩减法时间数字转换器设计方法。二阶延时环缩减法TDC主要由两级延时环缩减电路组成。第一级缩减电路采用分辨率较大的两个延时环缩减被测时间间隔，提高时间间隔测量速度。第二级缩减电路采用高分辨率缩减第一级缩减电路缩减后的被测时间间隔，实现高测量分辨率。二阶延时环缩减法TDC减小了时间间隔测量时间，提高了测量分辨率和测量精度。　　为了进一步提高基于延时环缩减法的高精度时间间隔测量方法的精度，论文中采用延时线锁相环技术来稳定FPGA内部延时环的整体时延。通过延时线锁相环调节FPGA的核心电压来控制逻辑门的传输时延，减小温度、供电电压对时间间隔测量精度的影响，同时还利用线性最小二乘法准确计算时间数字转换器的分辨率。　　延时环缩减法时间间隔测量已经在Actel公司的SmartFusion FPGA A2F200中实现，其中基于一阶延时环缩减法的时间数字转换器的测量精度约为62ps，分辨率约为63ps，测量范围为5ns;基于二阶延时环缩减法的时间数字转换器的测量精度约为48ps，分辨率约为13ps，测量范围为10.5ns。两种时间数字转换器结合时钟计数器能实现大动态范围的高精度时间间隔测量，其中时钟计数器测量两触发信号之间的整数周期时间间隔，基于延时环缩减法的时间数字转换器测量触发信号与参考时钟之间的小数周期时间间隔。　　论文最后研究了高精度时间间隔测量在时间同步领域的应用，特别是在高精度光纤时间双向传递和高精度频率校准中的应用，分析了时间间隔测量精度对时间比对、频率校准的影响，并测试了实际时间传递系统的同步精度和本地时钟校准后的频率稳定度。