基于高精度時(shí)間測量技術(shù)的聲速儀設(shè)計(jì)

1 引言
傳聲介質(zhì)的聲速測量在聲學(xué)檢測中具有重要意義。如何更準(zhǔn)確地測量介質(zhì)的聲速在聲學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一直是人們比較關(guān)心的問題。超聲測距設(shè)備的測量精度、無損檢測中的材料厚度測量準(zhǔn)確度等．都與介質(zhì)的聲速測量準(zhǔn)確度有關(guān)。要想比較準(zhǔn)確地測量介質(zhì)的聲速，其關(guān)鍵就是準(zhǔn)確地測量時(shí)間。因?yàn)楦鶕?jù)聲速計(jì)算公式c=L/△t可知，L是已知的，△t的準(zhǔn)確程度將直接關(guān)系到聲速測量的精度。
以ACAM公司推出的TDC-GP1型電路作為測時(shí)工具，它能將結(jié)果精確到ps，單從時(shí)間測量精度來看，該電路可以滿足高精度聲速測量要求。

2 TDC-GPl的結(jié)構(gòu)特性
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高精度時(shí)間間隔測量電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成為可能。TDC-GPI是德國ACAM公司研發(fā)的高精度時(shí)間間隔測量電路，可提供雙通道250 ps或單通道125 ps分辨率的時(shí)間間隔測量。TDC-GPl采用O.8 μm CMOS工藝，是一種通用高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，實(shí)際分辨率為30ps~300 ps。
TDC-GPl采用44引腳TQFP型封裝，內(nèi)含寄存器、TDC測量單元、RLC測量單元、16位算術(shù)邏輯單元、8位處理器接口單元等主要功能模塊。根據(jù)不同的應(yīng)用需要對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，使其工作在不同工作模式下。TDC-GPl的引腳功能見表l。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

TDC-GPI有2個(gè)算術(shù)邏輯單元(ALU)。前面的ALU將粗值寄存器中的測量結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)闊o符號(hào)整數(shù)，以便后面的ALU進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，這個(gè)ALU單元不需要時(shí)鐘。后面的16位順序ALU主要根據(jù)寄存器的設(shè)置對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行偏差校正，并對(duì)校準(zhǔn)值進(jìn)行乘法運(yùn)算。ALU擁有獨(dú)立的時(shí)鐘，可以調(diào)節(jié)時(shí)鐘發(fā)生頻率，完成所有上述工作僅需4μs。
TDC-GPl提供了2個(gè)量程及精度可調(diào)整等3種模式可供用戶選擇。在量程l中，可以測量2個(gè)通道中每個(gè)STOP脈沖與起始脈沖之間的時(shí)間間隔及STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。但在量程1的情況下，測量范圍只有7.6μs。為了增大測量范圍，電路中有16位的預(yù)除器，最大量程為60 ns~200 ms，這就是量程2。
實(shí)驗(yàn)中，筆者應(yīng)用量程2來實(shí)現(xiàn)，其信號(hào)時(shí)序如圖2所示。

在此量程下，只能測量1個(gè)通道的START與各STOP脈沖時(shí)間間隔(通過控制寄存器2選擇通道)，不能直接測量STOP脈沖之間的時(shí)間間隔。START信號(hào)進(jìn)入后，在電路內(nèi)部迅速測量出這個(gè)信號(hào)與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差即tFC1。之后，計(jì)數(shù)器開始工作，得到預(yù)除器的工作周期數(shù)，即counter。這時(shí)，重新激活電路內(nèi)部測量單元，測量出輸入的STOP信號(hào)的第一個(gè)脈沖上升沿與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，記為tFC2。tFC3是STOP信號(hào)的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，tcal1是一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，tcal2是兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。根據(jù)圖2可以得出START信號(hào)與STOP信號(hào)第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔：

period表示校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，counter表示預(yù)除器的計(jì)數(shù)值。

3 實(shí)現(xiàn)方案及軟件設(shè)計(jì)
基于TDC-GPl的高精度聲速測量設(shè)備的電原理如圖3所示。圖中省略了電源、晶體振蕩器及其他外圍電路。

在測量中，各個(gè)寄存器的設(shè)置如下：reg7=Ox00；reg0=0x58；reg2=Ox2l；reg7=0x02；regll=07H。在每次測量之前，都要對(duì)電路進(jìn)行初始化。測量結(jié)果從結(jié)果寄存器中讀出，每次讀的地址都是0x00，地址指針會(huì)自動(dòng)加1。由于是校正數(shù)據(jù)，所以每個(gè)結(jié)果都用2個(gè)寄存器存儲(chǔ)。TDC-GPl有8個(gè)16位寄存器，因此在測量方式2可以記錄4個(gè)STOP脈沖和START脈沖之間的時(shí)差。8個(gè)寄存器循環(huán)存數(shù)，當(dāng)?shù)?個(gè)寄存器記錄后，第5個(gè)數(shù)據(jù)將存入第1個(gè)寄存器，原來的寄存器內(nèi)容被覆蓋。
實(shí)驗(yàn)中，換能器之間的距離為13 cm，利用ADμC842控制發(fā)射信號(hào)到換能器1，換能器2接收信號(hào)經(jīng)過放大電路和比較器后進(jìn)入TDC-GPl的STOP引腳，測得時(shí)間延遲后，通過串口送出數(shù)據(jù)，記錄到mydata.dat文件中。軟件的簡單流程如圖4所示。

mydata.dat文件中的數(shù)據(jù)為4個(gè)16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，應(yīng)用Matlab可以簡單實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換并計(jì)算聲速。換能器之間的距離為L，記錄時(shí)聞延遲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后為．聲速為L△t。實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常準(zhǔn)確。
VC++的串口接收程序中，對(duì)串口的設(shè)置如下：

其中的length為2個(gè)換能器之間的距離，veloci-ty為所測得的聲速。

4 結(jié)束語
TDC-GPI型電路具有百皮秒量級(jí)的時(shí)間間隔測量精度，為精確的聲速測量提供了方便。筆者基于TDC-GPl和高效率的微控制器設(shè)計(jì)了一套高精度的聲速測量裝置，試運(yùn)行表明測量精度符合實(shí)際要求，反映時(shí)間比較快，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，尤其適合需要快速或動(dòng)態(tài)測量的應(yīng)用場合。