精密時(shí)間間隔測量模塊設計原理分析

1 引言

精密時(shí)間間隔測量是工業(yè)、國防及電力應用等方面的關(guān)鍵技術(shù)，脈沖計數法是時(shí)間間隔 測量技術(shù)中最基本的方法[1]，因此研究基于脈沖計數法的時(shí)間間隔測量技術(shù)具有重要的現實(shí) 意義。本文設計了一種高精度時(shí)間間隔測量模塊，介紹了該模塊的軟硬件實(shí)現方法。大量實(shí)驗證明本模塊可以實(shí)現對微小時(shí)間間隔的精確測量，具有很高的應用價(jià)值。

2 原理概述

脈沖計數法是用標準信號形成被計數的參考時(shí)鐘信號，周期為 Tref ，頻率為 fref ，通過(guò) 測量時(shí)間間隔Δt內參考時(shí)鐘信號的個(gè)數n，直接顯示Δt的值。

3 系統設計

如圖 1 所示，該系統主要由高頻參考時(shí)鐘設計，分頻計數電路，控制面板和顯示電路等 部分組成。由單片機實(shí)現對各部分的功能初始化軟件設計，在測時(shí)結束后讀取分頻計數結果， 按公式(1)計算出時(shí)間后送顯示電路顯示。

3.1 硬件設計

由公式(1)可以看出，高頻參考時(shí)鐘是脈沖計數法時(shí)間間隔測量的關(guān)鍵。為了產(chǎn)生低偏差低晃動(dòng)的高頻穩定時(shí)鐘信號，本文采用高穩定度的溫補振蕩器TC18B 作為標準晶振輸入。

3.2 軟件設計

系統軟件包括對各工作電路的初始化設置，根據分頻計數電路得到的n 值，計算時(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)驗驗證

將本文研制的高精度時(shí)間間隔測量模塊應用在電磁波時(shí)域反射電纜測長(cháng)系統中。根據 電磁波時(shí)域反射測長(cháng)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(cháng)度，v為電磁波在電纜中的傳播 速度，對特定材料的電纜，波速取固定值[2]，本文取v =0.192m/ns。

由關(guān)系式(2)可知，對已知材料的電纜，電纜長(cháng)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(guò)對已知長(cháng)度的電纜發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行測量，可以對時(shí)間間隔 測量模塊的特性進(jìn)行驗證。本文對長(cháng)7.01m，66.77m 和120.30m 的電纜分別進(jìn)行多次測量， 測量結果如表2 所示。

由實(shí)驗結果可以看出，本模塊測時(shí)分辨率為0.83ns，測量誤差很小，完全可以滿(mǎn)足高 精度時(shí)間間隔測量要求。

5 結論

本文介紹了一種高精度時(shí)間間隔測量模塊的軟硬件設計方法，該模塊結構簡(jiǎn)單，易于實(shí) 現，測時(shí)精度高。不但可以實(shí)現對微小時(shí)間間隔的精確測量，而且在本模塊的設計基礎上， 結合其他技術(shù)，可以實(shí)現對時(shí)間、頻率以及相位的測量，具有很高的應用價(jià)值。

6 本文創(chuàng )新點(diǎn)

本文設計了一種高精度時(shí)間間隔測量模塊。該模塊將標準晶振鎖相倍頻輸出 1200MHz 高頻參考時(shí)鐘，通過(guò)測量發(fā)射脈沖與反射脈沖間時(shí)間間隔內高頻參考時(shí)鐘個(gè)數，得到時(shí)間間 隔Δt，測時(shí)分辨率為0.83ns。