時間測量系統（TDC）的原理及實現

何 超， 陳建政

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

0 引言

傳統的測力輪對測量方式是采用電阻應變片來進行測量的。其工作方式是借助于各種應變膠黏劑把應變片粘貼在輪對上，從而把輪對在外載荷作用下產生的應變傳遞到應變片的柵絲上，使其電阻發生變化。根據其電阻變化，可測知輪對實際應變的大小。但是，隨著高速鐵路的發展，電阻應變片的工作環境比較惡劣，也暴露出一些問題。例如，需要為電阻應變片提供一個穩定的工作電源。高速動車速度很快，整車密封，難以為電阻應變片提供穩定電源。其次，高速動車組車下有一定的電磁干擾，勢必會影響電阻應變片的測量精度。

為了解決這些問題，有必要采用高精度數字轉換（TDC time-to-digital converter）進行測量。TDC是從實驗核物理中發展起來的一門技術[1]。TDC的測量基本原理是采用邏輯門延遲陣列。TDC測量刷新率，精度以及電流消耗的靈活性高。因此TDC測量技術運用于強干擾的高速動車組輪對測量是有非常大的實際意義的。

1 TDC時間數字測量的原理

TDC 核心測量單元的內部是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔的。可以說它計算了在一定的時間間隔內有多少個反向器通過[2]。

TDC的最高分辨率取決于芯片的最小門傳播延遲時間。測量由start信號開始以stop信號終止。根據環形振蕩器的位置和粗值計數器的數值，可以計算出start和stop之間的時差。

以德國ACAM公司生產的一種高精度時間測量芯片PS081來說明TDC的工作原理，這種芯片有兩種測量方式：小量程模式和大量程模式[3]。

工作在小量程模式時，TDC 的兩個通道都是由start 脈沖的邊沿觸發的，每個獨立的通道可以檢測到4個采樣值,這些采樣值與start 脈沖的時間被存儲到各個通道的采樣寄存器中。在start 信號和第一個stop信號之間，不能少于3 ns的時間間隔，如果小于這個值,開始的stop信號是要被忽略的，所以start信號和第一個stop信號之間的間隔必須大于3 ns；在同一個通道的stop信號之間，也必須有15 ns 的時間間隔，太靠近的stop信號也會被忽略；而在兩個不同通道的stop信號之間則沒有最小時間的限制；所有的stop信號在stop信號之后都不能超過716 μs的最大值。

工作在大量程模式時,在這個模式中stop信號和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC1，出現第一個正跳沿后計時器被觸發，TDC記錄下經過的時鐘周期數CC，直到第一個stop 信號被檢測到，第一個stop 脈沖和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC2，接著開始新一輪的計數。由時間計算式可算出時間值，如式(1) 。其后的stop信號處理方法也是如此。

式中 FC1 為信號通過反向器停止時刻和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間；FC2 為第一個 Stop 脈沖和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間； CC 為預先測量的時間周期；Cal2－Cal1 為校準時鐘周期；Time 為測量時間值。

在這種模式下可以處理超過100 ms的時間間隔。stop信號之間、兩個不同通道的stop信號之間至少要大于2個時鐘周期，所有stop信號之間不應超過216倍的時鐘周期。所以最大的測量范圍不超過200 ms。

2 TDC時間數字測量的硬件實現

整套測力輪對系統分為采集端和接收端。采集端包括了TDC惠斯通電橋模塊，TDC測量模塊，控制模塊，存儲模塊。測試系統的硬件部分也就是由這幾個模塊所構成的。

2.1 TDC惠斯通電橋

在基于TDC的惠斯通電橋的連接方式中傳感器的結構是非常簡單的。如圖1所示為TDC惠斯通電橋原理圖。代替傳統惠斯通電橋上的6個補償電阻,這里我們僅應用1個補償電阻，另外RSpan電阻不需要一個非常精確的值，因此無需進行機械結構調整。這個電阻的精確調整完全是通過軟件方式來完成。

圖1 TDC惠斯通電橋

2.2 TDC測量模塊

電容Cload首先通過芯片的load管腳充電到電源電壓，然后Cload通過RSG1到RSG4分別對GND（芯片內部）進行放電。放電電容Cload被放電到一個固定的坎值電壓后，放電時間將會通過一個時間數字轉換器進行測量，測量精度可以達到皮秒級別（15 ps）。因而， RSG1和RSG2則是直接被測量的，而RSG3和RSG4是RSpan1一起被測量出來[4]。

在電容器放電的時候應變電阻是與PS081 的開關三極管串聯放置的．三級管的開關電阻Rdson由于與溫度和電壓有關系所以會將誤差加到測量結果中去。Rdson本身的值在3～5 Ω的范圍。對于溫度和電壓的變化值在1 Ω范圍內。可以非常清晰地看到這個誤差比初始350 Ω應變電阻的測量變化還大。為了補償，開關被分為兩個三級管。對于每個應變電阻電容器將放電3 次，通過三極管1，三極管2，最后通過1，2 的并聯。PS081 內部DSP 從這3個數據中計算出Rdson校準值。也就是說，圖中和每個電阻串聯的三極管內部本身是2個三極管的并聯[5]。圖2為TDC測量原理圖。

圖2 TDC測量原理圖

2.3 控制模塊

主芯片需要同時具備高速時鐘和串口通信能力，同時還需要低功耗，從這幾個角度出發，STM32是不錯的選擇。

2.4 存儲模塊

對于長時間采集的原始數據，為了方便保存和擦除，采用了SD存儲卡，并以文件系統的方式進行保存。

2.5 測試結果分析

整個測量系統精確測量的關鍵是進行增益偏移和零點偏移調整。傳感器的靈敏度是與溫度有關系的，無載荷時，惠斯通橋臂的輸出會隨溫度改變而變化，也就是增益偏移[6]。不進行補償，是不能夠進行精確測量的。在測量前焊接一個與傳感器有著相同溫度特性的固定電阻，一般取40 Ω。然后通過軟件調整這個固定電阻與傳感器網絡阻值之間的比值，使得溫度所引起的增益降低，理論上可以到零[7]。實際操作中，偏移被降低到＜2ppm/K,達到了OIML10000標準所規定的＜5 ppm/K的標準[8]。用同樣的方法進行零點偏移調整。

在同等溫度條件下，模擬測量應變溫漂標定如圖3所示，TDC測量應變溫漂標定如圖4所示。由這兩幅圖可以看出，在溫度影響上，TDC有更好的穩定性。

圖3 模擬測量應變溫漂標定

圖4 TDC測量應變溫漂標定

3 結論

本文介紹了基于TDC時間數字測量系統的工作原理、硬件設計、增益偏移和零點偏移的調整。在具有強電磁干擾環境、溫差變化很大的高速動車組參數測量實驗中，本數字測量系統將比傳統的模擬測量更加準確。

[1] 雷武虎,劉松秋,李鵬宇．一種高精度大范圍時間測量電路的實現[J]．核電子學與探測技術,2005,25(3):239-242．

[2] Acam mess．Electronic Ltd The TDC Cookbook[z]． 2002．

[3] 王文川,韓焱,張丕狀．基于時間數字轉換的精密時差測量系統設計[J]．現代電子技術, 2009(4)．

[4] 徐國華,宋書鋒,呂瑜．基于PIC單片機和TDC芯片的智能化磁智伸縮位移傳感器[J]．儀表技術與傳感器,2004(5)．

[5] 邢燕．高精度時間間隔測量系統[J]．電子測量技術,2010(5)．

[6] 張立民,金學松．基于測力輪對的輪軌瞬態作用力仿真計算[J]．鐵道學報,1998,20(6):28-34．

[7] PockLintn,A．R．Improved Data from Load-Measuring Wheels[J]．Railway Engineer,1977,2(4):37-43．

[8] Shie Qian,Dapang Chen．Algorithm for Timevarying Fourier[J]．Transform IEEE． Trans, SP．,1993, 41(7)．