科技发展至今,关于时间测量的方法有很多种,Jo´zef Kalisz[1]在2003年对测量方法做了详细的综述,国外还有很多有关改进测量方法的研究[2-4],下面本文将对其中一些常用的方法做简单介绍。
1 直接计数法28917
直接计数法是一种最简单的时间间隔测量方法。直接计数法就是在待测时间间隔构成的闸门信号中加入脉冲,通过设计好的计数电路计算得到所加入脉冲的个数,其原理如图2.1。显然,该方法测量的最大可能误差就是所加入脉冲的一个周期,所以该方法一般精度较低,如果想利用该方法获得较高的测时精度,加入的时钟脉冲就必须有较高的频率,由于过高的时钟频率往往难以获得,这使得对精度要求过高的应用难以实现。论文网
2 模拟内插法
模拟内插法是在直接计数的基础上,对所测脉冲的起始和终止处进行细测,以减少误差并可以保证一定的测量范围。细测时,是通过利用对电容充放电的模拟法实现,因此称之为模拟内插法。
3 延时线内插法
这种方法在国外被称之为TDC法,与模拟内插法的相同之处是,该方法也是在直接计数的基础上对所测时间间隔的两端进行细测。但是,测量时,该方法是通过插入包含一定数目延时单元的延时线,通过记录所测时间内通过延时线的延时单元数目便可获得所需测量的时间间隔。在国内,于建国、陈明等[5]在2003年对测量方法的改进中叙述了该方法的详细原理。其原理如图:
相对于模拟内插,该方法的优点是电路简单容易实现,且不易受到环境温度等的影响,但测量精度相对较低。
TDC方法是现在科学研究和工业中所用到的主要方法。本文后续将主要对该方法进行介绍。
时间测量相关研究与应用现状
.1 多通道时间间隔测量
为了在科学研究和工程应用中便于对两个或两个以上物理事件之间的时间间隔进行高精度测量, 增加测量范围,辜新宇、郭际等[6]在2013年提出了一种多通道、大量程的精密时间间隔测量系统的研制方法。系统设计利用集成的数字时间转换芯片TDC-GPX,运用管道式预处理和逻辑门延迟线方法,可实现8个通道的同时测量,测量的分辨率可以达到50ps,测量量程为5.5ns-4294 s,利用TDC-GPX芯片的内部再触发模式,经过编程来扩展还可以大幅度地增加测量范围。测量框图如图2.3:
多通道的时间间隔测量,主要是指相对于同一个开始信号,结束信号可以有多个,即能够实现同一个开始信号与多个结束信号之间的时间间隔的测量,在TDC芯片中,每个结束信号与开始信号之间的时间间隔通过延时线的方法来测量,具体原理在参考文献中有详细介绍。
施韶华、李孝辉等[7]在2009年研究了基于TDC-GPX的多通道时间间隔测量系统设计的相关问题,其中讲述了有关基于TDC-GPX测时的硬件电路设计以及软件的相关技术。该设计采用抽头延时线完成时间间隔的测量,该方法是一种全数字化的高精度时间间隔测量方式,其利用信号传输经过元器件和导线时产生的延时现象来实现时间的测量,利用逻辑门作为延时的基本元件。
这个系统的硬件分为三个部分:高分辨率的时间数字转换电路、主控制器电路二次稳压和分辨率调整电路。
.2 激光雷达技术
激光雷达技术是利用激光扫描测量实现的。激光扫描测量利用距离传感器和激光扫描器来获得物体的表面形态。激光扫描器一般由激光发射器、接收器、时间计数器、微电脑等构成。激光发射器周期性地驱动激光二极管发射激光脉冲,然后接收透镜接收目标表面反射的反射信号,产生一接收信号,利用一稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数,经由微电脑对测量结果在其内部进行微处理,显示或存储、输出距离和角度数据,并与距离传感器获取的数据相匹配,最后经过软件进行所需要的处理,获取目标表面三文坐标数据,从而进行各种计算或建立立体模型。
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