精密時間間隔測量模塊設計原理分析

　　摘要：本文介紹了一種高精度時間間隔測量模塊的軟硬件設計方法，該模塊結構簡單，易于實現，測時精度高。不但可以實現對微小時間間隔的測量，而且在本模塊的設計基礎上，結合其他技術，可以實現對時間、頻率以及相位的測量，具有很高的應用價值。

        1、引言
　　
　　精密時間間隔測量是工業、國防及電力應用等方面的關鍵技術，脈沖計數法是時間間隔測量技術中zui基本的方法[1]，因此研究基于脈沖計數法的時間間隔測量技術具有重要的現實意義。本文設計了一種高精度時間間隔測量模塊，介紹了該模塊的軟硬件實現方法。大量實驗證明本模塊可以實現對微小時間間隔的測量，具有很高的應用價值。
　　
　　2、原理概述
　　
　　脈沖計數法是用標準信號形成被計數的參考時鐘信號，周期為Tref，頻率為fref，通過測量時間間隔Δt內參考時鐘信號的個數n，直接顯示Δt的值。
　　
　　3、系統設計
　　
　　如圖1所示，該系統主要由高頻參考時鐘設計，分頻計數電路，控制面板和顯示電路等部分組成。由單片機實現對各部分的功能初始化軟件設計，在測時結束后讀取分頻計數結果，按公式（1）計算出時間后送顯示電路顯示。
　　
　　3.1硬件設計
　　
　　由公式（1）可以看出，高頻參考時鐘是脈沖計數法時間間隔測量的關鍵。為了產生低偏差低晃動的高頻穩定時鐘信號，本文采用高穩定度的溫補振蕩器TC18B作為標準晶振輸入。
　　
　　3.2軟件設計
　　
　　系統軟件包括對各工作電路的初始化設置，根據分頻計數電路得到的n值，計算時間間隔時間間隔Δt，送給顯示電路顯示。流程圖如圖4所示。
　　
　　4、實驗驗證
　　
　　將本文研制的高精度時間間隔測量模塊應用在電磁波時域反射電纜測長系統中。根據電磁波時域反射測長原理，有如下關系式
　　
　　式中，Δt為發射脈沖與反射脈沖的時間間隔，L為電纜長度，v為電磁波在電纜中的傳播速度，對特定材料的電纜，波速取固定值[2]，本文取v=0.192m/ns。
　　
　　由關系式（2）可知，對已知材料的電纜，電纜長度L與發射脈沖與反射脈沖間時間間隔Δt成正比。通過對已知長度的電纜發射脈沖與反射脈沖的時間間隔進行測量，可以對時間間隔測量模塊的特性進行驗證。本文對長7.01m，66.77m和120.30m的電纜分別進行多次測量，測量結果如表2所示。
　　
　　由實驗結果可以看出，本模塊測時分辨率為0.83ns，測量誤差很小，*可以滿足高精度時間間隔測量要求。
　　
　　5、結論
　　
　　本文介紹了一種高精度時間間隔測量模塊的軟硬件設計方法，該模塊結構簡單，易于實現，測時精度高。不但可以實現對微小時間間隔的測量，而且在本模塊的設計基礎上，結合其他技術，可以實現對時間、頻率以及相位的測量，具有很高的應用價值。
　　
　　6、本文創新點
　　
　　本文設計了一種高精度時間間隔測量模塊。該模塊將標準晶振鎖相倍頻輸出1200MHz高頻參考時鐘，通過測量發射脈沖與反射脈沖間時間間隔內高頻參考時鐘個數，得到時間間隔Δt，測時分辨率為0.83ns。