时间电压转换技术在超声流速计中的应用.docx

1、第37卷第8期应用科技Vol.37,No.82010年8月AppliedScienceandTechnologyAug.2010doi:10.3969/j.issn.1009-671X.2010.08.006时间电压转换技术在超声流速计中的应用雷亚辉I,王之海2,王向红I(1.哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室，黑龙江哈尔滨150001；2.9155。部队93分队，辽宁大连116023)摘要:时间到电压转换(TVC)技术已经广泛应用于雷达、通信、信号测量等领域.在此设计一套实用的电路系统应用于超声海流计系统，该电路系统主要由】个时序产生电路，1个时间电压转换电路以及1个模拟到数字电路组成.

2、理论分析表明,通过此方法测虽脉冲到达时间间隔可以获得亚纳秒级时间分辨力文中通过计算机辅助设计软件ORCAD仿真分析验证，该电路具有结构简单，精度高的特点.关键词:超声流速计;时间间隔测量;时间电压转换中图分类号:TN710.2文献标志包：A文章编号J009-671X(2010)08-0023-04ApplicationoftimetovoltageconverterinultrasonicflowmeterLEIYa-hui',WANGZhi-hai2,WANGXiang-hong,(1.NationallaboratoryofUnderwaterAcousticTechnology,

3、HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;2.Troop91550UnitNo.93,Dalian116023,China)Abstract：Thetechnologyoftimetovoltageconvertor(TVC)hasbeenusedinradar,communication,signalmeasure,etc.Thispapermadeanintroductiontothetechnologyandtheapplicationinultrasonicflowmetersystem.Thissystemismainlycompo

4、sedofasequentialcircuit,atime-to-voltageconvertorcircuitandaanalog-to-dig-italconvertercircuit.Theoreticalanalysisshowedthatasubnanosecondtimeresolvingpowercouldbegotwhenmeasuringthetimeintervaloftwopulses.Usingthecomputer-aidedsoftwareORCAD,thetechnologywassimulated,provingthecircuithassuchadvantag

5、esassamplecircuitstructureandhighresolution.Keywords:ultrasonicflowmeter；timevoltageconvertor；timeintervalmeasure收稿日期:2009-11-23.收稿日期：国家高技术发展研究基金资助项目(2006AA09ZI07).作者简介:雷亚辉(】978-)，男.讲师.博士研究生，主要研究方向：水声电子技术,E-mail:lciyahui.海洋流速测量对于海洋气候学、海洋物理等研究领域有着重耍的意义，因此海洋流速测缺技术一直是国内外海洋工作者所研究的课题.经过几十年的研究发展,在流速测虽方法上取

6、得了不少成果.将其分类为机械式、多普勒频移法、激光法、电磁式等.借助现代先进电子技术，人们根据声波在海洋介质中顺流和逆流传播相等距离，而传播时间不相等的原理,提出了时差式流速测量方法.其思想就是把由流速造成的声传播时间差测量:出来.目前微小时间差测量方法主要有直接计数法，游标卡尺法和时间电压(timetovoltage)转换法.时间电压转换(TVC)技术应用最广泛，不仅因为它原理简单，而旦分辨力很高.此方法是基于电容的充放电原理，用一个恒流源在时间间隔内给电容充电.由于充电时间和电容电压的近似线性关系，则电容两端电压变化蛾就是所要测量的时间间隔.这种测尽方法的精度受到时间间隔大小、电流和电容值

7、大小等的影响.充电时间过长，电容值太大或电流太小，充电就会出现非线性.时间间隔在100ns之内，充电电流为几毫安级，电容值在150pF左右一般都具有很好的线性，具体情况依据所要测址的时间间隔折衷选取参数.1时差产生原理声波是能量在传播介质中的传播，山压电陶瓷换能器激励产生的超声脉冲信号以相速度形式在海水介质中传播，当海水介质木身具有速度时,声波在相同一段距离上顺流和逆流传播时间不一样:刃.如图1所示，其中4和是收发合置换能器,C是测量点海洋声速，V是海水流速，/是两换能器间距(声道轴距离).测址时两换能器被同一电信号激励，即两换能器同时发射超声波脉冲，并接收彼此到达的声信号.c+rIIIIII

8、IliiANSB图1时差产生原理(1)由于流速丫的存在，信号不会在同一时间到达.根据声波在介质中的传播理论可知，超声波短脉冲在声轴上顺流和逆流传播时间分别为顺流时间：z,=d/(C+V)；逆流时间：t2=d/(C-7)；那么顺逆流传播时间差为&=弓i=d/(C-V)-</(C+V)p2Vd/C2；(3)p2Vd/C2；(3)(4)进而求出流速为v=cAi/(2c/).在C、d已知的情况下，只要测量出，,就能求出流速.海洋流速一般很低，范围在1cm/slm/s,假设d=10cm,C=l500m/s,由式(3)计算出时差范围为0.988.9ns.这样微小的时间差,要直接测量儿乎是不可

9、能的.为了能准确测量时差，必须采用间接测量手段.随着现代电子技术发展，将微小时间差转换成可直接测觉的电学量并进行精确测量使问题迎刃而解.2时间电压转换原理及电路设计时间间隔£的获取是基于同步数字电路原理，电路将被测量时间分为ET、4这3个部分.如图2所示.可以得到£=7；-T2.(5)式中：4为顺流支路电容充电时间，匕为逆流支路电容充电时间，就是所要求的时间差./,U2分别是顺流逆流超声波脉冲信号到达的前沿,它们的上升沿给出T、弓起始时刻，而a、L的结束时刻由停止信号给出.停止信号是t2到达后同步时钟的下一个时钟上升沿.图2时间电压转换时序信信信分分止积积停由电学知识知道电

10、容充放电公式为du=仙/C,(6)那么充电电容在充电时间间隔内的充电电压U=/x=/XTJC.(7)只要把E、&分别接到差分放大器的同相和反相输入端，则输出电压为Au=a(Ul-U2)=a/(-T2)/C=(8)式中:。为差分放大器放大倍数.这样，时间间隔就变成了可直接测量的电压量进而通过计算求出时间差t-CAu/(ot/).(9)图2时序获取电路结构如图3所示，它由6个D触发器,1个与门，1个晶体振荡器组成.当勺或与上升沿到达时，从同步电路出来的积分信号1和积分信号2输出高电平信号被送到TVC电路来触发电路充电，等到勺山信号都到达后，在时钟的下一个上升沿停止信号输出高电平停止电路充电

11、.图3同步电路原理模块电路的核心是时间电压转换模块，其电路原理如图4所示(这里只给出一路，另一路完全对称)，图5仿真波形电路由1个恒流源,2个电压控制开关，1个充电电容,1个电压跟随器和1个复位场效应管组成.在到达前恒流源电流通过直接流入地,人关断;当积分信号1变成高电平时,4关断,人打开，电容开始充电，直到停止信号变成高电平,人关断，人打开，电容停止充电.电容上的电压通过电压跟随器，接到差分放大器的同相输入端（反相输入端接第二路积分电容），这样差分放大器的输出就是2个积分电容的电压差，稳定压差由A/D采集后送到处理器,最后由处理器分析解算出时间差.+12VU7TVC输出1-I2V+12V积分

12、信引7115U图4时间差到电压转换电路电容值/pF充电时间间隔/ns电容电压理论和仿真tfi/v理论值仿真值109.916.0045.95468.323.6963.70112048.322.6172.62138.322.0602.07631.011.6941.680109.914.0313.96968.322.4892.46718048.321.7561.74538.321.4111.38431.011.1451.120109.913.0452.97768.321.8811.85124048.321.3351.31138.321.0581.03831.010.8690.840表1理论及仿真结果

13、对比表3电路仿真分析基于上述思想，完成了对电路的设计，并用硬件仿真软件对电路进行仿真.充电电流为6.5mA,充电时间、电容值以及电容电压的理论值和仿真结果如表1所示.由表中数值可以看出，仿真结果基本上与理论值相一致，当充电时间为109.91ns,充电电容为240pF时出现最大偏差，差值为68mV,这符合大电容、长充电时间的非线性原理但若充电时间间隔太小，开关的开关速度也会造成比较大的偏差.现取如图5所示的示波器截图进行分析，此时充电电流为6.5mA,充电电容为120pF（电容充电速率为54.2V/pbs）,充电时间为68.32ns,时钟频率为27MHz.示波器A通道为时钟,B通道为积分信号1,

14、C通道为停止信号,D通道为电容电压.从图E可以看出，在时间间隔内充电电压为3.696V,而由式（6）计算得到理论值为3.701V,两者仅相差5mV.如果A/D选用的是12bit,参考电压为4.096V,那么LSB=1mV,转到时间分辨力为19ps,5mV的电压误差最终导致的时间误差为95ps.4结束语使用恒流源电容充放电原理，把微小时间间隔转换为可以直接测量的电压量，可以获得很高的时间分辨力.文中通过仿真分析，测量结果跟理论计算值相差很小，说明该方法具有很强的工程可应用性,在时差式流速测量系统中有很好的发展前景.而在实际应用中可能要遇到很多的干扰因素，如器件的温度稳定性，充电电容的漏电，A/D

15、的各种误差等等都直接影响到测量的精度.为了使充电具有好的线性和稳定度，开关电路一定要选用温度稳定性好的高速器件,同时恒流源电流大小，充电时间和充电电容大小要折衷选取.（下转第30页）设计的高度传感器具有体积小、质量轻、功耗低、数据输出稳定可靠、系统电路设计简单、数据处理实时性高等优点.经过某小型无人机的试飞试验,该传感器完全可以达到输出精确高度的要求.表2高度传感器采集数据大气压力/Pa高度/m温度&10088736.5530.010086238.6429.910085339.3929.910084340.2329.910083141.2329.810082142.0729.81008

16、0643.2329.610079644.1629.510078145.4129.410076546.7529.410075347.7629.310074348.5929.210072150.4329.210070951.4429.110069652.5329.010068153.7829.010067154.6229.0参考文献：1 吴森堂.费玉华.飞行控制系统M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.2 Interscma.MS5540C(RoHS)MiniatureBarometerMod-ule.EB/OL.2009-08-23.http：/ersema.ch/produ

17、cts/documcntation/datasheets/.3 STM32F1O3datasheetEB/OL.2009-09-26.http：/4 王志刚，唐飞.基于MS5534B的气压高度计系统的设计J.微纳米电子技术,2008,45(6)：351-355.5 NOTHA,ENGELW,SIEGWARTR.DesignofanultralightweightautonomoussolarairplaneforcontinuousflightJ.ProceedingsofFieldandServiceRobotics,2006,25：441452.6Interscma.UsingMS5534

18、foraltimetersandbarometersEB/OL.2009-09-30.http：/erscma.cappli-cations/altimeters/.4结束语采用MS5540C模块,ARMCortex内核微控制器(上接第25页)参考文献：1WILLIAMSAJ.ErroranalysisofanacousticcurrentmeterJ.IEEEJournalofOceanicEngineering,1991,16(4)：329-337.2 HOROWITZP,HILLW.TheartofelectronicM.Cambridge:CambridgeUniversityPress,1980.3 URICKRJ.Principles