基于高精度時間測量技術的聲速儀設計

1 引言
傳聲介質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的聲速在聲學技術領域一直是人們比較關心的問題。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．都與介質的聲速測量準確度有關。要想比較準確地測量介質的聲速，其關鍵就是準確地測量時間。因為根據聲速計算公式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的結構特性
隨著半導體技術的發展，高精度時間間隔測量電路和系統的設計與生產成為可能。TDC-GPI是德國ACAM公司研發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字轉換器，實際分辨率為30ps~300 ps。
TDC-GPl采用44引腳TQFP型封裝，內含寄存器、TDC測量單元、RLC測量單元、16位算術邏輯單元、8位處理器接口單元等主要功能模塊。根據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。內部結構框圖如圖l所示。

TDC-GPI有2個算術邏輯單元(ALU)。前面的ALU將粗值寄存器中的測量結果轉變為無符號整數，以便后面的ALU進行算術運算，這個ALU單元不需要時鐘。后面的16位順序ALU主要根據寄存器的設置對測量結果進行偏差校正，并對校準值進行乘法運算。ALU擁有獨立的時鐘，可以調節時鐘發生頻率，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，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，計數器開始工作，得到預除器的工作周期數，即counter。這時，重新激活電路內部測量單元，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表示預除器的計數值。

3 實現方案及軟件設計
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。測量結果從結果寄存器中讀出，每次讀的地址都是0x00，地址指針會自動加1。由于是校正數據，所以每個結果都用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個寄存器循環存數，當第8個寄存器記錄后，第5個數據將存入第1個寄存器，原來的寄存器內容被覆蓋。
實驗中，換能器之間的距離為13 cm，利用ADμC842控制發射信號到換能器1，換能器2接收信號經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，通過串口送出數據，記錄到mydata.dat文件中。軟件的簡單流程如圖4所示。

mydata.dat文件中的數據為4個16進制的數據，需要轉化為十進制，應用Matlab可以簡單實現轉換并計算聲速。換能器之間的距離為L，記錄時聞延遲數據轉化后為．聲速為L△t。實驗結果非常準確。
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測量的應用場合。