精密時間間隔測量模塊設(shè)計原理分析

1 引言

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

2 原理概述

脈沖計數(shù)法是用標準信號形成被計數(shù)的參考時鐘信號，周期為 Tref ，頻率為 fref ，通過 測量時間間隔Δt內(nèi)參考時鐘信號的個數(shù)n，直接顯示Δt的值。

3 系統(tǒng)設(shè)計

如圖 1 所示，該系統(tǒng)主要由高頻參考時鐘設(shè)計，分頻計數(shù)電路，控制面板和顯示電路等 部分組成。由單片機實現(xiàn)對各部分的功能初始化軟件設(shè)計，在測時結(jié)束后讀取分頻計數(shù)結(jié)果， 按公式(1)計算出時間后送顯示電路顯示。

3.1 硬件設(shè)計

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

3.2 軟件設(shè)計

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

4 實驗驗證

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

式中，Δt為發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間間隔，L 為電纜長度，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，電纜長度L與發(fā)射脈沖與反射脈沖間時間間隔Δt 成正比。通過對已知長度的電纜發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間間隔進行測量，可以對時間間隔 測量模塊的特性進行驗證。本文對長7.01m，66.77m 和120.30m 的電纜分別進行多次測量， 測量結(jié)果如表2 所示。

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

5 結(jié)論

本文介紹了一種高精度時間間隔測量模塊的軟硬件設(shè)計方法，該模塊結(jié)構(gòu)簡單，易于實 現(xiàn)，測時精度高。不但可以實現(xiàn)對微小時間間隔的精確測量，而且在本模塊的設(shè)計基礎(chǔ)上， 結(jié)合其他技術(shù)，可以實現(xiàn)對時間、頻率以及相位的測量，具有很高的應(yīng)用價值。

6 本文創(chuàng)新點

本文設(shè)計了一種高精度時間間隔測量模塊。該模塊將標準晶振鎖相倍頻輸出 1200MHz 高頻參考時鐘，通過測量發(fā)射脈沖與反射脈沖間時間間隔內(nèi)高頻參考時鐘個數(shù)，得到時間間 隔Δt，測時分辨率為0.83ns。