精密時間間隔測量模塊設計原理分析

1 引言

精密時間間隔測量是工業(yè)、國防及電力應用等方面的關鍵技術，脈沖計數(shù)法是時間間隔 測量技術中最基本的方法[1]，因此研究基于脈沖計數(shù)法的時間間隔測量技術具有重要的現(xiàn)實 意義。本文設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)設計

如圖 1 所示，該系統(tǒng)主要由高頻參考時鐘設計，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計，在測時結束后讀取分頻計數(shù)結果， 按公式(1)計算出時間后送顯示電路顯示。

3.1 硬件設計

由公式(1)可以看出，高頻參考時鐘是脈沖計數(shù)法時間間隔測量的關鍵。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 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括對各工作電路的初始化設置，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， 測量結果如表2 所示。

由實驗結果可以看出，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 結論

本文介紹了一種高精度時間間隔測量模塊的軟硬件設計方法，該模塊結構簡單，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，而且在本模塊的設計基礎上， 結合其他技術，可以實現(xiàn)對時間、頻率以及相位的測量，具有很高的應用價值。

6 本文創(chuàng)新點

本文設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。