基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制

(2)测量范围二

　　为进行大量程时间测量，芯片引入了一个16位的前置配器。该模式下芯片只有通道1可用，正常精度模式下允许4个脉冲输入。STOP信号之间不能相互比较，仅STOP与STSR信号可进行比较。最大量程60 ns～200 ms。测量时序如图3所示。

其测量原理如下：输入START信号芯片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tPC1，之后计数器开始工作，得到此前置配器的工作周期数period。这时重新激活芯片内部测量单元，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tpc2，tpc3是STOP信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差。tcal1十一个校准时钟周期，tcal2是两个校准时钟周期。根据图6可以得出START信号与STOP信号第一个脉冲的时间间隔为：

　　cc表示前置配器的计数值。

(3)精度可调整模式

　　在此模式下两通道数值有非常精确的校准环路，精度可以通过程序中的设置来调整，精度可调整模式不需要START信号。因此最多只能通过通道1和通道2共引入8个STOP输人，此时任意两个STOP信号均可以进行比较，量程为3 ns～3.8μs，但芯片耗电量比较大，大约为25 mA。其测量时序如图4所示。

　　上述三种测量方式，各自都有自己的特点，适用于不同的条件，测量的分辨率也有很大不同。在具体应用中，可以根据所测等离子体的能量范围和通道个数以及所要求的分辨率，来具体的选择适用哪种模式。

　　在该测量系统中，需要两个通道同时测量，而且需要大量程测量，所以选择测量范围一，具体的寄存器配置如下：Reg0：0x48；Reg1：0x4B；Reg2：0x01；Reg3：0xXX；Reg4：0x40；Reg5：0xXX；Reg6：0x02；Reg7：0x01；Reg8：0x00；Reg9：0x00；Reg10：0x80。

2.3 数据传输模块

　　该模块主要包括USB2.0控制器(Cy7c68013-128)、PC机，以及驱动和固件程序等。在整个测量系统中，为了更好的与PC机进行通信，并获得很快的数据传输的速度，最终选用USB接口(Universal SerialBus)，它是一种新的接口标准，有很多优点如即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个USB设备等。

　　本设计选用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，这是一种带USB接口的单片机芯片，虽然采用低价的8051单片机，但仍然能获得很高的速度。它包括一个8051处理器、一个串行接口引擎(SIE)、一个USB收发器、一个8.5 kB片上RAM、一个4 kB FIFO存储器及一个通用可编程接口(GPIF)。

　　通过系统软件的设计就能实现数据的传输，包括固件、应用程序和驱动程序的设计。

3 实验结果

　　通过实验证明，该测量系统能测量出时间间隔范围为3.5 ns～7.2μs，分辨率能达到500 ps。测量误差在2％左右，其中时间间隔越短，误差越大。部分实验结果如表1所示。

4 主要问题

　　由于整个电路系统产生和测量的是纳秒量级的脉冲信号，对于如此高频率的信号，很容易受外部信号的干扰，因此在电路板的制作过程中，如何来屏蔽外部干扰信号，提高抗干扰能力，目前是一个急需解决的问题，这对整个测量系统的准确性有着非常重要的意义。另一个问题就是整个测量系统的核心器件TDC-GP1的温度范围只有-40～+85℃，是否能够经受得起恶劣的空间环境考验，只有通过老化实验和环境模拟试验验证，才能进一步应用到空间探测中。

5 结语

　　通过实验证明，该测量系统测量范围为3.5 ns～7.2μs，测量误差在允许范围之内，其主要性能指标能满足测量要求，具有一定的实用价值。由于电路中有纳秒量级的高频信号，因此在后续的电路设计中，将进一步提高抗干扰能力。以满足我国深空探测中等离子成分探测的需要。