CN103631133A - 一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于时间测量领域，特别涉及一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法与装置。该装置包括时钟源，主控单元，标准信号发生单元，调理放大单元，相位差测量单元，待测导线和显示单元。该方法利用高稳定的标准正弦波信号的周期作为导线中电信号传输的标尺，能够有效地进行溯源；通过估计两种频率标准正弦波通过导线传输前后的相位差进行传输时间测量，在实现自动测量的同时，可大大提高测量分辨力、重复性以及范围。

Description

一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法及装置

技术领域

本发明属于时间测量领域，特别涉及一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法及装置。

背景技术

时间间隔测量技术广泛用于航空航天、雷达定位、激光测距、卫星及导航、原子物理、机械状态监测与故障诊断及工业测量等领域。为了精确校准时间间隔测量装置，常采用标准延迟线（JJG953-2000精密时间间隔测量仪检定规程），即固定长度的导线作为标准时间间隔发生器，从而使导线中电信号传输时间的测量成为一个难点问题。为了测量导线中电信号的传输时间，国内外已经有多种研究方法。

一种常用方法是间接测量法，该方法采用导线长度与传输速度比值的方式来计算导线中传输时间测量，但该方法除了存在导线长度测量不准确的问题，还存在不同材料、不同尺寸的导线中电信号传输速度不一样的问题，从而导致导线中电信号传输时间测量精度较低。

另一种常用方法是时域反射测量法，该方法采用通过测量低压注入脉冲在导线终点与测量端之间的运动时间来测量导线中电信号的传输时间。该方法技术成熟，精度高，但存在电路设计复杂，造价昂贵等问题。

西北核技术研究所李宪优等提出利用示波器测量导线中电信号的传输时间（李宪优,魏学荣,于丽娟,王玲.利用示波器精确测量传输线延迟时间.核电子学与探测技术.2010,30(3):367-369），该方法仍采用时域反射法，但因为可利用通用仪器-示波器，使用方便，成本较低，但同时其测量精度受限于示波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种达到提高系统测量精度和范围、降低系统复杂度双频调制导线中电信号传输时间测量方法，本文的目的还在于提供一种满足和适用于上述测量方法的双频调制导线中电信号传输时间测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

双频调制导线中电信号传输时间测量方法：

（1）经时序控制信号控制依次生成调制频率为f₁、周期为T₁和频率为f₂、周期为T₂的正弦波信号，经过调理放大后分成两路，一路作为参考信号依次直接进入相位差测量单元，另一路依次进入待测导线，通过导线延迟后作为待测信号再依次进入相位差测量单元；

（2）通过相位差测量单元，依次测得待测信号与参考信号之间的相位差Δφ₁和Δφ₂，

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\Δ\ϕ}}{360}\·T$

计算获得待测导线中电信号的传输时间τ，其中，Δφ=｜Δφ₁-Δφ₂｜，T=T₁T₂/｜T₁-T₂｜。

双频调制导线中电信号传输时间测量装置，该装置包括时钟源，主控单元，标准信号发生单元，调理放大单元，相位差测量单元，待测导线和显示单元，标准信号发生单元的输入信号为正弦波信号和时序控制信号，由主控单元生成，时钟源为原子钟，主控单元为FPGA，标准信号发生单元为DDS，原子钟输出的频率为10MHz的正弦波信号，通过FPGA输出给DDS，FPGA同时生成时序方波控制信号输出给DDS，控制DDS依次生成两种频率不同的正弦波信号，其中，高电平时生成频率为f₁=120.0MHz的正弦波信号，低电平时生成频率为f₂=118.8MHz的正弦波信号；两种正弦波信号再依次通过调理放大单元生成两路正弦波信号，一路依次直接输出给相位差测量单元，另一路依次通过待测导线后输出给相位差测量单元，相位差测量单元再依次测量两路信号的相位差分别获得Δφ₁和Δφ₂，并将测量结果依次输出给FPGA，FPGA完成待测导线中电信号的传输时间τ计算后，与显示单元共同完成测量结果显示。

所述的时钟源还可以为高稳定晶振，主控单元还可以或DSP，标准信号发生单元还可以为锁相环设备。

双频调制的导线中电信号传输时间测量方法有以下特点和有益效果：

1.利用高稳定的标准正弦波信号的周期作为导线中电信号传输的标尺，能够有效地进行溯源；

2.通过估计两种频率标准正弦波通过导线传输前后的相位差进行传输时间测量，在实现自动测量的同时，可大大提高测量分辨力、重复性以及范围。

本发明装置具有如下显著特点：

1.本发明原理简单，结构紧凑，方便溯源；

2.本发明测量时间分辨率高，重复性好，范围大；

3.本发明装置操作方便灵活，自动化程度高，稳定性高。

附图说明

图1为双频调制导线中传输时间测量装置示意图；

图2为双频调制时序图。

图3为相位差输出单元输出信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。

图中件号说明：1时钟源，2主控单元，3标准信号发生单元，4调理放大单元，5相位差测量单元，6待测导线，7显示单元。

一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法，该方法包括以下步骤：

①、经时序控制信号控制依次生成调制频率为f₁（周期为T₁）和f₂（周期为T₂）的正弦波信号，依次经过调理放大后分成两路，一路作为参考信号依次直接进入相位差测量单元，另一路依次进入待测导线，通过导线延迟后作为待测信号再依次进入相位差测量单元；

②、通过相位差测量单元，依次测得待测信号与参考信号之间的相位差Δφ₁和Δφ₂，由以下公式

计算获得待测导线中电信号的传输时间τ，其中，Δφ=｜Δφ₁-Δφ₂｜，T=T₁T₂/｜T₁-T₂｜。

一种双频调制导线中电信号传输时间测量装置，包括时钟源，主控单元，标准信号发生单元，调理放大单元，相位差测量单元，待测导线和显示单元；标准信号发生单元的输入信号为正弦波信号和时序控制信号，由主控单元生成。

时钟源为高稳定晶振或原子钟或其它能够提供稳定时钟的器件。

主控单元为FPGA或DSP或其它微处理系统。

标准信号发生单元可为数字频率直接合成（DDS）设备或锁相环设备或其它可外部提供高稳定的正弦波信号发生设备。

本发明的装置包括：时钟源1，主控单元2，标准信号发生单元3，调理放大单元5，相位差测量单元5，待测导线6和显示单元7，其中时钟源为原子钟，主控单元为FPGA，标准信号发生单元为DDS。该装置的信号传输路径为：原子钟输出的频率为10MHz的正弦波信号，通过FPGA输出给DDS，FPGA同时生成时序方波控制信号输出给DDS，控制DDS依次生成两种频率不同的正弦波信号，其中，高电平时生成频率为f₁=120.0MHz的正弦波信号，低电平时生成频率为f₂=118.8MHz的正弦波信号；两种正弦波信号再依次通过调理放大单元生成两路正弦波信号，一路依次直接输出给相位差测量单元，另一路依次通过待测导线后输出给相位差测量单元，相位差测量单元再依次测量两路信号的相位差分别获得Δφ₁和Δφ₂，并将测量结果依次输出给FPGA，FPGA完成待测导线中电信号的传输时间τ计算后，与显示单元共同完成测量结果显示。

利用上述的双频调制导线中电信号传输时间测量装置，本发明测量方法的具体实施方式包括以下步骤：

首先，完成测量系统调整后，打开电源开始测量，原子钟输出频率为10MHz的正弦波信号，通过主控单元FPGA后输出给DDS，FPGA同时生成时序控制信号输出给DDS，控制DDS依次生成两种频率不同的正弦波信号，其中，高电平时生成频率为f₁=120.0MHz的正弦波信号，低电平时生成频率为f₂=118.8MHz的正弦波信号；

然后，两种正弦波信号再依次通过调理放大单元生成两路正弦波信号，一路依次作为参考信号直接输出给相位差测量单元，另一路依次通过待测导线，通过导线延迟后作为待测信号依次进入相位差测量单元，通过相位差测量单元，依次测得两种频率正弦波信号的待测信号与参考信号之间的相位差Δφ₁和Δφ₂；

最后，将获得的相位差信号Δφ₁和Δφ₂依次输给主控单元FPGA，FPGA由以下公式

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\Δ\ϕ}}{360}\·T$

计算获得待测导线中电信号的传输时间τ，其中，Δφ=｜Δφ₁-Δφ₂｜，T=T₁T₂/｜T₁-T₂｜，并于显示单元共同完成测量结果显示。

此实施实例具有重复性好，准确性高，计算简单，处理速度快，溯源方便、测量范围大等优点。

Claims (3)

1.一种双频调制导线中电信号传输时间测量方法，其特征在于：

（1）经时序控制信号控制依次生成调制频率为f₁、周期为T₁和频率为f₂、周期为T₂的正弦波信号，经过调理放大后分成两路，一路作为参考信号依次直接进入相位差测量单元，另一路依次进入待测导线，通过导线延迟后作为待测信号再依次进入相位差测量单元；

（2）通过相位差测量单元，依次测得待测信号与参考信号之间的相位差Δφ₁和Δφ₂，

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\Δ\ϕ}}{360}\·T$

计算获得待测导线中电信号的传输时间τ，其中，Δφ=｜Δφ₁-Δφ₂｜，T=T₁T₂/｜T₁-T₂｜。

2.一种双频调制导线中电信号传输时间测量装置，其特征在于：该装置包括时钟源（1），主控单元（2），标准信号发生单元（3），调理放大单元（5），相位差测量单元（5），待测导线（6）和显示单元（7），其特征在于：标准信号发生单元（3）的输入信号为正弦波信号和时序控制信号，由主控单元（5）生成，时钟源为原子钟，主控单元为FPGA，标准信号发生单元为DDS，原子钟输出的频率为10MHz的正弦波信号，通过FPGA输出给DDS，FPGA同时生成时序方波控制信号输出给DDS，控制DDS依次生成两种频率不同的正弦波信号，其中，高电平时生成频率为f₁=120.0MHz的正弦波信号，低电平时生成频率为f₂=118.8MHz的正弦波信号；两种正弦波信号再依次通过调理放大单元生成两路正弦波信号，一路依次直接输出给相位差测量单元，另一路依次通过待测导线后输出给相位差测量单元，相位差测量单元再依次测量两路信号的相位差分别获得Δφ₁和Δφ₂，并将测量结果依次输出给FPGA，FPGA完成待测导线中电信号的传输时间τ计算后，与显示单元共同完成测量结果显示。

3.根据权利要求2所述的一种双频调制导线中电信号传输时间测量装置，其特征在于：所述的时钟源还可以为高稳定晶振，主控单元还可以或DSP，标准信号发生单元还可以为锁相环设备。

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