基于高精度時間測量技術(shù)的聲速儀設計

1 引言
    傳聲介質(zhì)的聲速測量在聲學檢測中具有重要意義。如何更準確地測量介質(zhì)的聲速在聲學技術(shù)領域一直是人們比較關(guān)心的問題。超聲測距設備的測量精度、無損檢測中的材料厚度測量準確度等．都與介質(zhì)的聲速測量準確度有關(guān)。要想比較準確地測量介質(zhì)的聲速，其關(guān)鍵就是準確地測量時間。因為根據(jù)聲速計算公式c=L/△t可知，L是已知的，△t的準確程度將直接關(guān)系到聲速測量的精度。
    以ACAM公司推出的TDC-GP1型電路作為測時工具，它能將結(jié)果精確到ps，單從時間測量精度來看，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
    隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，高精度時間間隔測量電路和系統(tǒng)的設計與生產(chǎn)成為可能。TDC-GPI是德國ACAM公司研發(fā)的高精度時間間隔測量電路，可提供雙通道250 ps或單通道125 ps分辨率的時間間隔測量。TDC-GPl采用O.8 μm CMOS工藝，是一種通用高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，實際分辨率為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)不同的應用需要對寄存器進行設置，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符號整數(shù)，以便后面的ALU進行算術(shù)運算，這個ALU單元不需要時鐘。后面的16位順序ALU主要根據(jù)寄存器的設置對測量結(jié)果進行偏差校正，并對校準值進行乘法運算。ALU擁有獨立的時鐘，可以調(diào)節(jié)時鐘發(fā)生頻率，完成所有上述工作僅需4μs。
    TDC-GPl提供了2個量程及精度可調(diào)整等3種模式可供用戶選擇。在量程l中，可以測量2個通道中每個STOP脈沖與起始脈沖之間的時間間隔及STOP信號之間的時間間隔。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位的預除器，最大量程為60 ns~200 ms，這就是量程2。
    實驗中，筆者應用量程2來實現(xiàn)，其信號時序如圖2所示。

    在此量程下，只能測量1個通道的START與各STOP脈沖時間間隔(通過控制寄存器2選擇通道)，不能直接測量STOP脈沖之間的時間間隔。START信號進入后，在電路內(nèi)部迅速測量出這個信號與下一個校準時鐘上升沿的時差即tFC1。之后，計數(shù)器開始工作，得到預除器的工作周期數(shù)，即counter。這時，重新激活電路內(nèi)部測量單元，測量出輸入的STOP信號的第一個脈沖上升沿與下一個校準時鐘上升沿的時差，記為tFC2。tFC3是STOP信號的第二個脈沖上升沿與校準時鐘上升沿的時差，tcal1是一個校準時鐘周期，tcal2是兩個校準時鐘周期。根據(jù)圖2可以得出START信號與STOP信號第一個脈沖的時間間隔：

   
    period表示校準時鐘周期，counter表示預除器的計數(shù)值。

3 實現(xiàn)方案及軟件設計
    基于TDC-GPl的高精度聲速測量設備的電原理如圖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，各個寄存器的設置如下：reg7=Ox00；reg0=0x58；reg2=Ox2l；reg7=0x02；regll=07H。在每次測量之前，都要對電路進行初始化。測量結(jié)果從結(jié)果寄存器中讀出，每次讀的地址都是0x00，地址指針會自動加1。由于是校正數(shù)據(jù)，所以每個結(jié)果都用2個寄存器存儲。TDC-GPl有8個16位寄存器，因此在測量方式2可以記錄4個STOP脈沖和START脈沖之間的時差。8個寄存器循環(huán)存數(shù)，當?shù)?個寄存器記錄后，第5個數(shù)據(jù)將存入第1個寄存器，原來的寄存器內(nèi)容被覆蓋。
    實驗中，換能器之間的距離為13 cm，利用ADμC842控制發(fā)射信號到換能器1，換能器2接收信號經(jīng)過放大電路和比較器后進入TDC-GPl的STOP引腳，測得時間延遲后，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16進制的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)化為十進制，應用Matlab可以簡單實現(xiàn)轉(zhuǎn)換并計算聲速。換能器之間的距離為L，記錄時聞延遲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后為．聲速為L△t。實驗結(jié)果非常準確。
    VC++的串口接收程序中，對串口的設置如下：

    其中的length為2個換能器之間的距離，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的時間間隔測量精度，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計了一套高精度的聲速測量裝置，試運行表明測量精度符合實際要求，反映時間比較快，能夠滿足實際應用的需要，尤其適合需要快速或動態(tài)測量的應用場合。