基于高精度时间测量技术的声速仪设计

    1 引言

    传声介质的声速测量在声学检测中具有重要意义。如何更准确地测量介质的声速在声学技术领域一直是人们比较关心的问题。超声测距设备的测量精度、无损检测中的材料厚度测量准确度等, 都与介质的声速测量准确度有关。要想比较准确地测量介质的声速, 其关键就是准确地测量时间。因为根据声速计算公式 c=L/△t 可知, L 是已知的, △t 的准确程度将直接关系到声速测量的精度。

    以 ACAM公司推出的 TDC- GP1 型电路作为测时工具, 它能将结果精确到 ps, 单从时间测量精度来看, 该电路可以满足高精度声速测量要求。

    2 TDC- GP1 的结构特性

    随着半导体技术的发展, 高精度时间间隔测量电路和系统的设计与生产成为可能。TDC- GP1 是德国 ACAM公司研发的高精度时间间隔测量电路, 可提供双通道 250 ps 或单通道 125 ps 分辨率的时间间隔测量。TDC- GP1 采用 0.8 μm CMOS 工艺, 是一种通用高精度时间数字转换器, 实际分辨率为 30ps~300 ps。

    TDC- GP1 采用 44 引脚 TQFP 型封装, 内含寄存器、TDC 测量单元、RLC 测量单元、16 位算术逻辑单元、8 位处理器接口单元等主要功能模块。根据不同的应用需要对寄存器进行设置, 使其工作在不同工作模式下。TDC- GP1 的引脚功能见表 1。内部结构框图如图 1 所示。

    TDC- GP1 有 2 个算术逻辑单元(ALU)。前面的ALU 将粗值寄存器中的测量结果转变为无符号整数, 以便后面的 ALU 进行算术运算, 这个 ALU 单元不需要时钟。后面的 16 位顺序 ALU 主要根据寄存器的设置对测量结果进行偏差校正, 并对校准值进行乘法运算。ALU 拥有独立的时钟, 可以调节时钟发生频率, 完成所有上述工作仅需 4 μs。

    TDC- GP1 提供了 2 个量程及精度可调整等 3种模式可供用户选择。在量程 1 中, 可以测量 2 个通道中每个 STOP 脉冲与起始脉冲之间的时间间隔及 STOP 信号之间的时间间隔。但在量程 1 的情况下, 测量范围只有 7.6 μs。为了增大测量范围, 电路中有 16 位的预除器, 最大量程为 60 ns~200 ms, 这就是量程 2。

    实验中, 笔者应用量程 2 来实现, 其信号时序如图 2 所示。

    在此量程下, 只能测量 1 个通道的 START 与各STOP 脉冲时间间隔 ( 通过控制寄存器 2 选择通道), 不能直接测量 STOP 脉冲之间的时间间隔。START 信号进入后, 在电路内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差即 tFC1。之后, 计数器开始工作, 得到预除器的工作周期数, 即 counter。这时,重新激活电路内部测量单元, 测量出输入的 STOP 信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差,记为 tFC2。tFC3是 STOP 信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差, tcal1是一个校准时钟周期, tcal2是两个校准时钟周期。根据图 2 可以得出 START 信号与STOP 信号第一个脉冲的时间间隔: