基于時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換的精密時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

時(shí)差測(cè)量廣泛應(yīng)用于定位、測(cè)頻、測(cè)時(shí)、測(cè)距等工程領(lǐng)域，例如：水聲定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位、雷達(dá)脈沖寬度測(cè)量等均對(duì)時(shí)差測(cè)量提出了高精度的要求。

目前，國(guó)內(nèi)外的時(shí)差測(cè)量方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法和數(shù)字內(nèi)插法。直接計(jì)數(shù)法雖然電路簡(jiǎn)單，量程大，但精度低，因此一般不單獨(dú)采用。模擬內(nèi)插法可以把計(jì)數(shù)法精度提高到皮秒量級(jí)，但由于基于電流的充放電技術(shù)，存在著線性度差、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、受溫度影響較大和電磁輻射大等問題。作為數(shù)字內(nèi)插法的一種，時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換法因其具有測(cè)量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視。

TDC—GPl是德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的通用時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，單通道測(cè)量精度為125 ps，雙通道精度可達(dá)250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設(shè)計(jì)了基于時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC—GPl和D889C450的單通道高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)差測(cè)量。

1 TDC時(shí)差測(cè)量原理

時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)技術(shù)是利用信號(hào)通過邏輯門電路的絕對(duì)傳輸時(shí)間提出的一種新的時(shí)間間隔測(cè)量方法，測(cè)量原理如圖1所示。start信號(hào)和stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來決定，而非門的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確地確定。目前的CMOS工藝可以很容易實(shí)現(xiàn)102ps量級(jí)的門延遲時(shí)間，因而可以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間測(cè)量。

TDC—GPl是德國(guó)ACAM公司基于0．8μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的一種通用型雙通道時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，支持兩個(gè)工作量程，多工作模式，工作方式靈活?？删_測(cè)量時(shí)間、相位、頻率等物理量。主要技術(shù)特性如下：

(1)雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率；

(2)每個(gè)通道可進(jìn)行4次采樣，排序可達(dá)8次采樣；

(3)兩個(gè)通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns；

(4)可再次觸發(fā)性兩個(gè)測(cè)量范圍：3 ns～7．6μs和60 ns～200 ms(需要前置配器，只能用單通道)；

(5)雙通道的8個(gè)事件可任意測(cè)量，沒有最小時(shí)間間隔限制，時(shí)間間隔有可能是負(fù)值；

(6)分辨率調(diào)節(jié)模式：通過軟件可對(duì)分辨率進(jìn)行適應(yīng)精確性調(diào)節(jié)；

(7)內(nèi)部最多可存儲(chǔ)4個(gè)校正值或8個(gè)非校正值，校正和控制時(shí)鐘的頻率在500 kHz～350 MHz之間(采用內(nèi)部前置配器其頻率最高可達(dá)100 MHz)；

(8)工作電壓：2．7～5．5 V，極低的功耗，可用電池驅(qū)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，通過DS89C450單片機(jī)對(duì)TDC—GPl芯片進(jìn)行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當(dāng)接收到經(jīng)信號(hào)調(diào)理后的時(shí)差信號(hào)后，TDC— GPl按照預(yù)先的設(shè)置開始工作并將測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，單片機(jī)讀取測(cè)量結(jié)果并按照量程2中的時(shí)差計(jì)算公式完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及顯示等功能。

在該系統(tǒng)中，主要采用TDC—GPl的量程2進(jìn)行設(shè)計(jì)。其測(cè)量時(shí)序如圖3所示。

在量程2中啟用了前置粗計(jì)數(shù)器，測(cè)量范圍在60 ns～200 ms之間，可測(cè)量多個(gè)停止信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)算，不能直接計(jì)算停止信號(hào)之間的時(shí)差，只能給出校準(zhǔn)結(jié)果，因此寄存器0中的校驗(yàn)位必須被設(shè)置。

測(cè)量時(shí)間差計(jì)算公式為：

其中cc為前置粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，period表示校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。

2．2 微處理器電路

系統(tǒng)中采用MAXIM公司的超高速閃存微控制器DS89C450，它兼容于8051的引腳和指令系統(tǒng)，30 ns單指令周期，Dc～33 MHz工作頻率，適合于微型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。DS89C450是硬件系統(tǒng)的核心，用于完成對(duì)GPl的控制操作和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。由于GPl提供了8 位數(shù)據(jù)總線和4位地址總線接口，操作時(shí)序符合通用微處理器的總線操作時(shí)序，使得GPl可作為DS89C450的外圍電路。

2．3 前置調(diào)理電路

輸入GPl的start／stop的脈沖信號(hào)邊沿對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要的影響，因此通過帶施密特觸發(fā)器的邏輯門電路和濾波電路對(duì)待測(cè)脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離、緩沖及濾波。這樣不但去掉了毛刺，而且改善了波形的邊沿，從而提高時(shí)間差的測(cè)量精度。

2．4 電源設(shè)計(jì)

由于TDC—GPl是一個(gè)不含模擬元件的完全數(shù)字化器件，利用了非門電路延遲實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量，而門電路的傳輸時(shí)間對(duì)環(huán)境(溫度和外加電源電壓)的影響比較大，所以要取得高測(cè)量精度就必須保證高穩(wěn)定的電源供應(yīng)。該系統(tǒng)采用高效率、低靜態(tài)輸出電流、降壓型開關(guān)電源模塊MAX639，并且在硬件電路上放置了適當(dāng)?shù)牡妥杩购偷妥柚档娜ヅ弘娙?，在電路的制作上采用?dú)立的電源層和地層，以提高線路的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的測(cè)試精度。