0引言
超声波速度测量在研究材料的物理特性和工业检测中都有广泛的应用。现已有多种声速自动测量方法及仪器,它们大多采用脉冲回波法,脉冲回波法测量声速主要是飞行时间的确立。如何准确地测量飞行时间是设计人员一直关心的问题。在对超声波飞行时间信号测量时,一般是在开始和结束脉冲时间内,对标频填充脉冲的个数进行计数。在计数过程中,必然会出现最大±1填充脉冲周期的计数误差。如果能在填充周期内作进一步的精密测量将会提高测量的准确度。本文中使用量化时延的短时间间隔构成的超声波测时系统分辨力能达到1ns,系统测量精度为2ns,测量范围能达到60μs。用这种方案完成的超声波飞行时间测量系统成本低、精度高,有一定的应用价值。
2方案实施
随着大规模的CPLD的出现,实现新测量方案成为可能。此器件可以替代几十块甚至上百块通用集成电路和芯片。这样的CPLD实际上就是一个子系统部件,它的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的。可以通过设计模型精确地计算信号在器件内部的时延。这是选择使用它的主要原因。而且,延迟单元具有一致性,有利于提高测量准确度。CPLD中延迟单元间的联机所引起的延迟也是可以预测的,这对系统设计是至关重要的。因为延迟单元之间的联机所引起的延迟在器件速度很高时就会成为系统设计中必须考虑的影响因素。CPLD受到电压波动或温度变化的影响后,所有延迟单元的特性均发生同样的变化,这样,有利于控制与修正调整测量结果。但就目前的实际情况,CPLD内部比较稳定的集成延迟单元(LCELL)的最小延迟时间在4ns左右,要完成1ns的测量分辨力是不可能的,在此情况下,可以借助无源法来解决。在方案的实施过程中,由于无源延迟线的延迟时间可以做得很小(lns的延迟时间需要30cm左右的无源延迟线),而且,也很稳定。各段无源延迟线的输出连接到CPLD的相应管脚,其状态可通过CPLD内部的锁存器锁存。计算机在读取锁存器的状态后,可精确地计算出被测短时间间隔。