高分辨力超声波飞行时间测量系统

　　0　引　言

　　超声波速度测量在研究材料的物理特性和工业检测中都有广泛的应用。现已有多种声速自动测量方法及仪器,它们大多采用脉冲回波法,脉冲回波法测量声速主要是飞行时间的确立。如何准确地测量飞行时间是设计人员一直关心的问题。在对超声波飞行时间信号测量时,一般是在开始和结束脉冲时间内,对标频填充脉冲的个数进行计数。在计数过程中,必然会出现最大±1填充脉冲周期的计数误差。如果能在填充周期内作进一步的精密测量将会提高测量的准确度。本文中使用量化时延的短时间间隔构成的超声波测时系统分辨力能达到1 ns,系统测量精度为2 ns,测量范围能达到60μs。用这种方案完成的超声波飞行时间测量系统成本低、精度高,有一定的应用价值。

　　1　测量原理

　　内插测量如图1所示,为了得到开始脉冲和结束脉冲之间的准确时间间隔tm,就必须知道tp,tn,tk的值,由于时钟脉冲计数器在上升沿有效,所以,时钟脉冲计数法获得的时间是tn,而tk,tp的值,只要知道开始脉冲和结束脉冲在时钟周期的位置就可以准确的测量到tm,这时被测时间为：

　　式中　n为时钟脉冲的个数;T为时钟周期, ns;tp为开始脉冲残差, ns;tk为结束脉冲残差, ns;tm为飞行时间, ns。如果使用的时钟频率为62. 5MHz,那么,T=16 ns,在一个时钟周期中插入n个量化延迟单元,既可以通过量化延迟单元来确定tk,tp。在一个周期内插入16个延迟单元,由于时钟周期具有周期性,所以,只要用8个延迟单元就可以完成1 ns精度的内插工作。

　　延迟网络的构成如图2所示。由于锁存器锁存的信号是在开始或结束脉冲的上升沿的那一时刻有效,所以,锁存器中的二进制数值就表示了开始或结束脉冲上升沿所在的位置。用串联在一起的延迟单元构成的延迟链作为被测时间间隔的传输信道,这些延迟单元具有相同的、稳定的时间延迟特性[1]。

　　每个延迟单元的输出端接到锁存器的数据输入端,将标准时钟信号作为延迟链的输入信号,而开始或结束信号作为取样信号。其工作波形图如图3所示,这个工作的时序图说明了不同位置所对应锁存器的值不同,如表1所示。

　　这样,就可以通过计数器和这个电路结合准确地计算出被测脉冲的宽度。

　　由上述原理,可以在使用较少的延迟单元的情况下,完成较高的测量分辨力。利用原来的计数法测量原理,用62. 5MHz的时钟填充脉冲信号时,能获得16 ns的分辨力,而用这种计数和时间内插法相结合的方法能获得1 ns的分辨力。

　　2　方案实施

　　随着大规模的CPLD的出现,实现新测量方案成为可能。此器件可以替代几十块甚至上百块通用集成电路和芯片。这样的CPLD实际上就是一个子系统部件,它的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的。可以通过设计模型精确地计算信号在器件内部的时延。这是选择使用它的主要原因。而且,延迟单元具有一致性,有利于提高测量准确度[2]。CPLD中延迟单元间的联机所引起的延迟也是可以预测的,这对系统设计是至关重要的。因为延迟单元之间的联机所引起的延迟在器件速度很高时就会成为系统设计中必须考虑的影响因素。CPLD受到电压波动或温度变化的影响后,所有延迟单元的特性均发生同样的变化,这样,有利于控制与修正调整测量结果。