精密時(shí)間間隔測(cè)量模塊設(shè)計(jì)原理分析

1 引言

精密時(shí)間間隔測(cè)量是工業(yè)、國(guó)防及電力應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)，脈沖計(jì)數(shù)法是時(shí)間間隔 測(cè)量技術(shù)中最基本的方法[1]，因此研究基于脈沖計(jì)數(shù)法的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí) 意義。本文設(shè)計(jì)了一種高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊，介紹了該模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。大量實(shí)驗(yàn)證明本模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小時(shí)間間隔的精確測(cè)量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

2 原理概述

脈沖計(jì)數(shù)法是用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形成被計(jì)數(shù)的參考時(shí)鐘信號(hào)，周期為 Tref ，頻率為 fref ，通過 測(cè)量時(shí)間間隔Δt內(nèi)參考時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù)n，直接顯示Δt的值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖 1 所示，該系統(tǒng)主要由高頻參考時(shí)鐘設(shè)計(jì)，分頻計(jì)數(shù)電路，控制面板和顯示電路等 部分組成。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分的功能初始化軟件設(shè)計(jì)，在測(cè)時(shí)結(jié)束后讀取分頻計(jì)數(shù)結(jié)果， 按公式(1)計(jì)算出時(shí)間后送顯示電路顯示。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

由公式(1)可以看出，高頻參考時(shí)鐘是脈沖計(jì)數(shù)法時(shí)間間隔測(cè)量的關(guān)鍵。為了產(chǎn)生低偏差低晃動(dòng)的高頻穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)，本文采用高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)振蕩器TC18B 作為標(biāo)準(zhǔn)晶振輸入。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括對(duì)各工作電路的初始化設(shè)置，根據(jù)分頻計(jì)數(shù)電路得到的n 值，計(jì)算時(shí)間間 隔時(shí)間間隔Δt，送給顯示電路顯示。流程圖如圖4 所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將本文研制的高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊應(yīng)用在電磁波時(shí)域反射電纜測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中。根據(jù) 電磁波時(shí)域反射測(cè)長(zhǎng)原理，有如下關(guān)系式

式中，Δt為發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間間隔，L 為電纜長(zhǎng)度，v為電磁波在電纜中的傳播 速度，對(duì)特定材料的電纜，波速取固定值[2]，本文取v =0.192m/ns。

由關(guān)系式(2)可知，對(duì)已知材料的電纜，電纜長(zhǎng)度L與發(fā)射脈沖與反射脈沖間時(shí)間間隔Δt 成正比。通過對(duì)已知長(zhǎng)度的電纜發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，可以對(duì)時(shí)間間隔 測(cè)量模塊的特性進(jìn)行驗(yàn)證。本文對(duì)長(zhǎng)7.01m，66.77m 和120.30m 的電纜分別進(jìn)行多次測(cè)量， 測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本模塊測(cè)時(shí)分辨率為0.83ns，測(cè)量誤差很小，完全可以滿足高 精度時(shí)間間隔測(cè)量要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法，該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí) 現(xiàn)，測(cè)時(shí)精度高。不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小時(shí)間間隔的精確測(cè)量，而且在本模塊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上， 結(jié)合其他技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間、頻率以及相位的測(cè)量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

6 本文創(chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)了一種高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊。該模塊將標(biāo)準(zhǔn)晶振鎖相倍頻輸出 1200MHz 高頻參考時(shí)鐘，通過測(cè)量發(fā)射脈沖與反射脈沖間時(shí)間間隔內(nèi)高頻參考時(shí)鐘個(gè)數(shù)，得到時(shí)間間 隔Δt，測(cè)時(shí)分辨率為0.83ns。