專利名稱：一種用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置。
背景技術(shù)：
超聲波測時(shí)系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，可以用于超聲波測距，超聲波流量計(jì)中。在超聲波測時(shí)系統(tǒng)中，測時(shí)的精度是系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一，它直接決定了系統(tǒng)的整體測試精度，例如在超聲波流量計(jì)中，測時(shí)的精度決定了超聲波流量計(jì)的精度，在小口徑管道流量的測試中，一般要求測時(shí)精度能夠達(dá)到納秒甚至亞納秒量級。
現(xiàn)有的各種測時(shí)方法，存在著一些問題，例如常見的計(jì)數(shù)測時(shí)方法，這種方法的測試誤差主要由計(jì)數(shù)脈沖的頻率決定，如要想提高測時(shí)精度，就要不斷的提高計(jì)數(shù)頻率，受器件本身的限制，不可能無限提高計(jì)數(shù)脈沖頻率，因此測時(shí)精度較低。還有一種改進(jìn)的方法是采用鎖相環(huán)的方法，這種方法可以消除計(jì)數(shù)脈沖邊沿錯(cuò)開帶來的誤差，但同時(shí)帶來了頻率計(jì)算的誤差，實(shí)際應(yīng)用中無法達(dá)到預(yù)期的測時(shí)精度，另外這種方法電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，測試?yán)щy。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種通過簡單的電路形式，就可以獲得納秒甚至亞納秒量級測時(shí)精度的一種用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置。
本實(shí)用新型的用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器，用于接收超聲波信號的超聲波接收器，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖邊沿是否同步的信號邊沿檢測器，用于對超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，用于為計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的次數(shù)計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)算單元，連接關(guān)系如下信號邊沿檢測器的一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖相連，另一個(gè)輸入端和超聲波接收器的一個(gè)輸出端相連，信號邊沿檢測器的輸出端分別和超聲波發(fā)送器的輸入端、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的一個(gè)輸入端及時(shí)間計(jì)算單元的一個(gè)輸入端相連；超聲波接收器的另一個(gè)輸出端和次數(shù)計(jì)數(shù)器的輸入端相連；計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的另一個(gè)輸入端和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖的輸出端相連；時(shí)間計(jì)算單元的另一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出端相連，時(shí)間計(jì)算單元的第三個(gè)輸入端和次數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出端相連。
裝置的工作過程如下(1)超聲波發(fā)送器發(fā)送一個(gè)超聲波脈沖信號，同時(shí)，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；(2)超聲波接收器接收到超聲波脈沖信號時(shí)，信號邊沿檢測器開始判斷計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖的邊沿是否和接收到的超聲波信號邊沿重合，如果不重合則進(jìn)行步驟(3)，如果重合，則進(jìn)行步驟(4)或步驟(5)；(3)控制超聲波發(fā)送器發(fā)送下一個(gè)超聲波脈沖信號；(4)停止計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，由時(shí)間計(jì)算單元根據(jù)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)脈沖周期、超聲波脈沖的發(fā)送次數(shù)計(jì)算出單次超聲波傳播需要的時(shí)間，測量結(jié)束；(5)檢查超聲波脈沖的發(fā)送次數(shù)，如果超聲波脈沖的發(fā)送次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟(3)，如果達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟(4)。
采用步驟(5)可以進(jìn)一步提高測量精度，設(shè)定數(shù)值是指達(dá)到預(yù)期測時(shí)精度的值。
本實(shí)用新型電路簡單，成本低，可以在相對較低的計(jì)數(shù)頻率下獲得納秒甚至亞納秒量級的測時(shí)精度。本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)中。


圖1是本實(shí)用新型的原理方框圖；圖2是采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)圖；圖3是圖2實(shí)例中脈沖邊沿檢測的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
參照圖1，本實(shí)用新型的裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器100，用于接收超聲波信號的超聲波接收器101，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104邊沿是否同步的信號邊沿檢測器102，用于對超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103，用于為計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的次數(shù)計(jì)數(shù)器105和時(shí)間計(jì)算單元106，連接關(guān)系如下信號邊沿檢測器102的一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104相連，另一個(gè)輸入端和超聲波接收器101的一個(gè)輸出端相連，信號邊沿檢測器102的輸出端分別和超聲波發(fā)送器100的輸入端、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的一個(gè)輸入端及時(shí)間計(jì)算單元106的一個(gè)輸入端相連；超聲波接收器101的另一個(gè)輸出端和次數(shù)計(jì)數(shù)器105的輸入端相連；計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的另一個(gè)輸入端和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104的輸出端相連；時(shí)間計(jì)算單元106的另一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的輸出端相連，時(shí)間計(jì)算單元106的第三個(gè)輸入端和次數(shù)計(jì)數(shù)器105的輸出端相連。
上述的超聲波發(fā)送器100，超聲波接收器101，信號邊沿檢測器102，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104，次數(shù)計(jì)數(shù)器105和時(shí)間計(jì)算單元106可以在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實(shí)現(xiàn)(如圖2所示)?；蛘叱暡òl(fā)送器100，超聲波接收器101，信號邊沿檢測器102，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖104，次數(shù)計(jì)數(shù)器105在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實(shí)現(xiàn)，而時(shí)間計(jì)算單元106采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
以圖2為例闡述本實(shí)用新型的工作原理如下系統(tǒng)復(fù)位后，打開超聲波發(fā)送器100發(fā)送一個(gè)超聲波脈沖信號，同時(shí)，打開計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103開始計(jì)數(shù)；在超聲波接收器101接收到超聲波脈沖信號時(shí)，信號邊沿檢測器102開始判斷計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)脈沖邊沿是否和接收到的超聲波信號邊沿是否重合，如果重合則停止計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103計(jì)數(shù)，時(shí)間計(jì)數(shù)單元106開始計(jì)算單次超聲波傳播需要的時(shí)間；如果不重合則不停止計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)，并且控制超聲波發(fā)送器100發(fā)送下一個(gè)超聲波脈沖信號；時(shí)間計(jì)數(shù)單元106通過計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)值、計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖的周期、超聲波脈沖的發(fā)送次數(shù)及系統(tǒng)的電路延時(shí)計(jì)算出單次超聲波傳播需要的時(shí)間；由于計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103是在計(jì)數(shù)脈沖邊沿和接收到的超聲波信號邊沿重合時(shí)停止的，因此系統(tǒng)測時(shí)的誤差非常小，主要誤差來源于脈沖邊沿重合的檢測上。信號邊沿檢測器102的一種實(shí)現(xiàn)原理，結(jié)合圖3闡述如下設(shè)超聲波接收器101接收到的超聲波信號為S_In，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)脈沖信號為CLK，假設(shè)S_In、CLK信號均以上升沿有效，首先將S_In經(jīng)過一個(gè)門的延時(shí)(延時(shí)時(shí)間為Td)得到信號S_Delay。在CLK信號的上升沿同時(shí)判斷S_In信號和S_Delay，如果此時(shí)S_In為高電平，同時(shí)S_Delay為低電平，則認(rèn)為，此時(shí)CLK信號和S_In信號邊沿重合。根據(jù)這樣的判斷原理，判斷信號邊沿重合的時(shí)間誤差為延時(shí)時(shí)間Td。電路在判斷信號高低電平時(shí)，需要信號有一個(gè)建立時(shí)間Tsu和信號保持時(shí)間Th，因此，實(shí)際的脈沖邊沿重合的檢測誤差為T＝Td-Tsu-Th。以XILINX公司的可編程邏輯器件XC100e-6實(shí)現(xiàn)以上的信號邊沿檢測器，則實(shí)際的邊沿檢測誤差約為2ns。
設(shè)信號邊沿檢測器102檢測到脈沖同步時(shí)，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)值是Ns，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)時(shí)脈沖的周期為Ts，接收次數(shù)計(jì)數(shù)器105的計(jì)數(shù)值為N次，超聲波接收器101從接收到信號邊沿檢測器102檢測結(jié)束的電路延時(shí)為Tp。則超聲波從發(fā)送到被接收到的傳播時(shí)間Tw為Tw＝((Ns-1)×Ts-(N-1)×Tp-Tt)/N (1)；式中Tt為延時(shí)常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際電路情況進(jìn)行修正。系統(tǒng)的測時(shí)誤差為(Td-Tsu-Th)/N。如果取Td＝6ns，Tsu＝3ns，Th＝1ns，N＝100，測時(shí)絕對誤差為0.02ns。通過選擇可編程邏輯器件的Td，Tsu，Th及選擇超聲波的發(fā)送次數(shù)可以更進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的測時(shí)精度。例如以xilinx公司的XC2S100e-6的實(shí)現(xiàn)為例，對79.874ns進(jìn)行測量，其中計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)脈沖的周期為Ts＝20ns，電路延時(shí)為Tp＝0.126ns，延時(shí)常數(shù)Tt＝3.625ns，通過xilinx公司的電路仿真工具ISE得到接收次數(shù)計(jì)數(shù)器105的計(jì)數(shù)值為N＝136，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器103的計(jì)數(shù)值是Ns＝545，由式(1)計(jì)算得，測得的時(shí)間為Tw＝(20×544-0.126×135-3.625)/136＝79.848ns，測時(shí)絕對誤差為0.026ns。采用同樣的實(shí)現(xiàn)方法和參數(shù)，其它的仿真測試結(jié)果如表1所示。
表1

以上電路仿真結(jié)果說明本實(shí)用新型可以達(dá)到亞納秒級的測時(shí)精度。
權(quán)利要求1.一種用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置，其特征在于該裝置包括用于發(fā)送超聲波脈沖信號的超聲波發(fā)送器(100)，用于接收超聲波信號的超聲波接收器(101)，用于檢測接收到的超聲波信號邊沿和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)邊沿是否同步的信號邊沿檢測器(102)，用于對超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)，用于為計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)，用于對超聲波的發(fā)送或接收次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的次數(shù)計(jì)數(shù)器(105)和時(shí)間計(jì)算單元(106)，連接關(guān)系如下信號邊沿檢測器(102)的一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)相連，另一個(gè)輸入端和超聲波接收器(101)的一個(gè)輸出端相連，信號邊沿檢測(102)的輸出端分別和超聲波發(fā)送器(100)的輸入端、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)的一個(gè)輸入端及時(shí)間計(jì)算單元(106)的一個(gè)輸入端相連；超聲波接收器(101)的另一個(gè)輸出端和次數(shù)計(jì)數(shù)器(105)的輸入端相連；計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)的另一個(gè)輸入端和計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)的輸出端相連；時(shí)間計(jì)算單元(106)的另一個(gè)輸入端和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)的輸出端相連，時(shí)間計(jì)算單元(106)的第三個(gè)輸入端和次數(shù)計(jì)數(shù)器(105)的輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置，其特征在于超聲波發(fā)送器(100)，超聲波接收器(101)，信號邊沿檢測器(102)，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)，次數(shù)計(jì)數(shù)器(105)和時(shí)間計(jì)算單元(106)在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置，其特征在于超聲波發(fā)送器(100)，超聲波接收器(101)，信號邊沿檢測器(102)，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器(103)，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖(104)，次數(shù)計(jì)數(shù)器(105)在一片可編程邏輯器件X2S100e-6中實(shí)現(xiàn)，時(shí)間計(jì)算單元(106)為單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)的測時(shí)裝置。裝置包括超聲波發(fā)送器、超聲波接收器、信號邊沿檢測器、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)脈沖、次數(shù)計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)算單元。利用信號邊沿檢測器使計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)脈沖邊沿和接收到的超聲波信號邊沿重合時(shí)停止計(jì)數(shù)，減少了計(jì)時(shí)誤差。通過增加測時(shí)次數(shù)，可以更進(jìn)一步減少測時(shí)誤差。本實(shí)用新型電路簡單，成本低，可以在相對較低的計(jì)數(shù)頻率下獲得納秒甚至亞納秒量級的測時(shí)精度。本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于超聲波測時(shí)系統(tǒng)中。
文檔編號G04F10/04GK2842502SQ20052001467
公開日2006年11月29日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者王勇 申請人:浙江大學(xué)