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0 引 言 
    時差測量廣泛應用于定位、測頻、測時、測距等工程領域，例如：水聲定位、無線傳感器網絡節點定位、雷達脈沖寬度測量等均對時差測量提出了高精度的要求。
    目前，國內外的時差測量方法主要有直接計數法、模擬內插法和數字內插法。直接計數法雖然電路簡單，量程大，但精度低，因此一般不單獨采用。模擬內插法可以把計數法精度提高到皮秒量級，但由于基于電流的充放電技術，存在著線性度差、測量時間長、受溫度影響較大和電磁輻射大等問題。作為數字內插法的一種，時間一數字轉換法因其具有測量精度高、速度快等優點而受到國內外的普遍重視。
    TDC—GPl是德國ACAM公司生產的通用時間一數字轉換芯片，單通道測量精度為125 ps，雙通道精度可達250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設計了基于時間一數字轉換器TDC—GPl和D889C450的單通道高精度時差測量系統，實現納秒級的時差測量。

1 TDC時差測量原理

    時間一數字轉換(TDC)技術是利用信號通過邏輯門電路的絕對傳輸時間提出的一種新的時間間隔測量方法，測量原理如圖1所示。start信號和stop信號之間的時間間隔由非門的個數來決定，而非門的傳輸時間可以由集成電路工藝精確地確定。目前的CMOS工藝可以很容易實現102ps量級的門延遲時間，因而可以實現精密時間測量。

    TDC—GPl是德國ACAM公司基于0．8μm CMOS工藝設計的一種通用型雙通道時間一數字轉換芯片，支持兩個工作量程，多工作模式，工作方式靈活。可精確測量時間、相位、頻率等物理量。主要技術特性如下：
    (1)雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率；

    (2)每個通道可進行4次采樣，排序可達8次采樣；
    (3)兩個通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns；
    (4)可再次觸發性兩個測量范圍：3 ns～7．6μs和60 ns～200 ms(需要前置配器，只能用單通道)；
    (5)雙通道的8個事件可任意測量，沒有最小時間間隔限制，時間間隔有可能是負值；
    (6)分辨率調節模式：通過軟件可對分辨率進行適應精確性調節；
    (7)內部最多可存儲4個校正值或8個非校正值，校正和控制時鐘的頻率在500 kHz～350 MHz之間(采用內部前置配器其頻率最高可達100 MHz)；
    (8)工作電壓：2．7～5．5 V，極低的功耗，可用電池驅動。

2 系統硬件設計
2．1 系統總體設計
    時差測量系統原理框圖如圖2所示。

    當系統上電后，通過DS89C450單片機對TDC—GPl芯片進行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當接收到經信號調理后的時差信號后，TDC—GPl按照預先的設置開始工作并將測量的結果存儲在相應的結果寄存器中。當測量結束后，單片機讀取測量結果并按照量程2中的時差計算公式完成相關的數據處理及顯示等功能。
    在該系統中，主要采用TDC—GPl的量程2進行設計。其測量時序如圖3所示。

    在量程2中啟用了前置粗計數器，測量范圍在60 ns～200 ms之間，可測量多個停止信號與起始信號之間的時差，對結果進行乘法運算，不能直接計算停止信號之間的時差，只能給出校準結果，因此寄存器0中的校驗位必須被設置。
    測量時間差計算公式為：
   

    其中cc為前置粗計數器的計數值，period表示校準時鐘周期。
2．2 微處理器電路
    系統中采用MAXIM公司的超高速閃存微控制器DS89C450，它兼容于8051的引腳和指令系統，30 ns單指令周期，Dc～33 MHz工作頻率，適合于微型化系統的設計。DS89C450是硬件系統的核心，用于完成對GPl的控制操作和與計算機進行通信等功能。由于GPl提供了8位數據總線和4位地址總線接口，操作時序符合通用微處理器的總線操作時序，使得GPl可作為DS89C450的外圍電路。 </font