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-GPl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-GPl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-GPI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-GPl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-GPl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-GPl的引脚功能见表l。内部结构框图如图l所示。

表1 TDC-CPl的引脚功能

图1 TDC-GPl的内部结构

    TDC-GPI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4μs。

    TDC-GPl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l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7.6μs。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。

图2 TDC-GPl测量时间间隔的信号时序

    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：

    period表示校准时钟周期，counter表示预除器的计数值。

图3 基于TDC-GPl的高精度声速测量设备的电路原理