陳 巍 ，王國(guó)富 ，2，張法全 ，葉金才

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引言

瞬變電磁法是勘探地下不同介質(zhì)電性參數(shù)的重要方法之一，在搶險(xiǎn)救援、工程施工設(shè)計(jì)、地下水勘探以及礦產(chǎn)勘探等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2]。煤礦探水雷達(dá)利用瞬變電磁法的原理，在發(fā)射機(jī)關(guān)斷發(fā)射電流的瞬間，接收機(jī)采集接收地下介質(zhì)產(chǎn)生的純二次場(chǎng)，因此需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間同頻同相地工作，同步時(shí)鐘信號(hào)是雙極性的，且要求同步時(shí)鐘精度優(yōu)于800 ns。由于勘探地質(zhì)的復(fù)雜性和未知性，通過(guò)GPS和恒溫晶振的互補(bǔ)協(xié)調(diào)工作來(lái)產(chǎn)生同步時(shí)鐘[3-4]，接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的同步時(shí)鐘信號(hào)在空間上是分離的，所以同步時(shí)鐘信號(hào)往往不是完全同步的，會(huì)產(chǎn)生不可避免的時(shí)間差，而這個(gè)時(shí)間差的大小決定了整個(gè)系統(tǒng)采樣的精度和后續(xù)反演算法的準(zhǔn)確性。在實(shí)際過(guò)程中，用示波器觀察往往只是得到短期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不能對(duì)時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，得到的結(jié)論并不準(zhǔn)確，因此對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)的矯正具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)[5]提出了一種倍頻相移的時(shí)間間隔測(cè)量方法，最大分辨率為625 ps，參考文獻(xiàn)[6]提出了基于CPLD的時(shí)間間隔測(cè)量方法，最大分辨率為300 ps。本設(shè)計(jì)提出了一種高精度的同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間差測(cè)量系統(tǒng)，最大分辨率為200 ps，對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)間差可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，并能對(duì)時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在上位機(jī)上對(duì)存儲(chǔ)的時(shí)間差繪制成曲線。與參考文獻(xiàn)[5]、[6]相比，本設(shè)計(jì)具有更高的精度，能夠?qū)r(shí)間差進(jìn)行存儲(chǔ)和繪制成曲線，擁有更廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用性。

1 總體框架

同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間差測(cè)量系統(tǒng)主要由恒溫晶振模塊、單極性轉(zhuǎn)換電路模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、LCD、SD卡和PC等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。單極性轉(zhuǎn)換電路a、b分別把雙極性同步時(shí)鐘信號(hào) A、B轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)C、D，再通過(guò)時(shí)間間隔測(cè)量模塊測(cè)得單極性信號(hào)C、D之間的時(shí)間差，時(shí)間間隔測(cè)量模塊在FPGA內(nèi)部完成。時(shí)間差可以在LCD上顯示，SD卡可以對(duì)時(shí)間差進(jìn)行存儲(chǔ)，PC可以對(duì)SD卡存儲(chǔ)的時(shí)間差繪制成曲線，用來(lái)觀測(cè)時(shí)間差的變化。系統(tǒng)電源模塊為系統(tǒng)提供工作電源，恒溫晶振為FPGA模塊提供穩(wěn)定的工作頻率。

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 單極性轉(zhuǎn)換電路

圖2 單極性轉(zhuǎn)換電路

由于煤礦探水雷達(dá)的同步時(shí)鐘信號(hào)A、B是雙極性的，而FPGA模塊無(wú)法處理負(fù)電平，所以需要將同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行單極性轉(zhuǎn)換。以同步時(shí)鐘信號(hào)A為例，單極性轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。當(dāng)INA+是正電壓、INA-是負(fù)電壓時(shí)，則光耦Opt1導(dǎo)通，光耦Opt2截止，與非門NAND1輸出高電平，與非門NAND2輸出低電平，經(jīng)過(guò)異或門XOR后輸出高電平。同理：當(dāng)INA+是負(fù)電壓、INA-是正電壓時(shí)，光耦Opt1截止，光耦Opt2導(dǎo)通，與非門 NAND1輸出低電平，與非門NAND2輸出高電平，經(jīng)過(guò)異或門XOR以后輸出高電平，波形圖如圖3所示。同步時(shí)鐘信號(hào)在每個(gè)周期內(nèi)有兩次歸零突變，這兩次突變控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射脈沖和接收機(jī)的信號(hào)采樣脈沖，因此需要測(cè)量這兩次突變的時(shí)間差。

圖3 單極性轉(zhuǎn)換電路各點(diǎn)波形圖

2.2 時(shí)間間隔測(cè)量模塊

同步時(shí)鐘信號(hào) A、B通過(guò)單極性轉(zhuǎn)換電路 a、b進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于單極性轉(zhuǎn)換電路是完全對(duì)稱的，因此對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)造成的延時(shí)誤差可以忽略不計(jì)。恒溫晶振輸出頻率穩(wěn)定，在短期內(nèi)穩(wěn)定度很好，且不受外界溫度影響，為FPGA提供精確的時(shí)鐘。FPGA調(diào)用IP核中的鎖相環(huán)(PLL)，將恒溫晶振輸出的10 MHz頻率倍頻到 100 MHz，這樣可以有效地降低計(jì)數(shù)誤差，誤差為10 ns。時(shí)間差測(cè)量模塊對(duì)單極性信號(hào)C、D進(jìn)行時(shí)間差精密測(cè)量，包括脈沖計(jì)數(shù)法和量化延時(shí)法，兩者之和即為單極性信號(hào)C、D的時(shí)間差。脈沖計(jì)數(shù)法和量化延時(shí)法的波形如圖4(a)所示，單極性信號(hào)C的上升沿作為脈沖計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)開(kāi)始信號(hào)，單極性信號(hào)D的上升沿作為脈沖計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖周期T=10 ns，計(jì)數(shù)結(jié)果為粗測(cè)量。T1是計(jì)數(shù)脈沖與單極性信號(hào)C不對(duì)齊的部分，T2是計(jì)數(shù)脈沖與單極性信號(hào)D不對(duì)齊的部分，測(cè)量結(jié)果為精測(cè)量，精測(cè)量由FPGA的內(nèi)部硬件延時(shí)單元lcell和D鎖存器實(shí)現(xiàn)，量化延時(shí)法如圖4(b)所示。

圖4 時(shí)間差測(cè)量原理

圖中選用4級(jí)延時(shí)單元作為示例計(jì)算T1和T2。計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)部延時(shí)單元作為D觸發(fā)器的信號(hào)輸入，單極性信號(hào)C、D作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，D觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)。在延時(shí)單元鏈中，每個(gè)延時(shí)單元的延時(shí)時(shí)間t=200 ps，因此每經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)單元，計(jì)數(shù)脈沖相對(duì)于單極性信號(hào)C、D會(huì)延時(shí)200 ps。如圖 4(a)所示，當(dāng)單極性信號(hào)C的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖與單極性信號(hào)C的上升沿不對(duì)齊部分T1是低電平，則計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)n1個(gè)延時(shí)單元后，第0個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的下降沿與單極性信號(hào)C的上升沿對(duì)齊。此時(shí)，在量化延時(shí)單元鏈中，前n1-1個(gè)D觸發(fā)器輸出的是低電平，第n1個(gè)D觸發(fā)器輸出的是高電平，通過(guò)對(duì)D觸發(fā)器進(jìn)行編碼，能夠知道n1的值和不對(duì)齊部分T1是低電平，則時(shí)間T1=n1t；當(dāng)單極性信號(hào) D的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖與單極性信號(hào)D的上升沿不對(duì)齊部分T2是高電平，則計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)n2個(gè)延時(shí)單元后，第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的上升沿與單極性信號(hào)D的上升沿對(duì)齊。此時(shí)，在量化延時(shí)單元鏈中，前n2-1個(gè)D觸發(fā)器輸出的是高電平，第n2個(gè)D觸發(fā)器輸出的是低電平，通過(guò)對(duì)D觸發(fā)器進(jìn)行編碼，能夠知道n2的值和不對(duì)齊部分 T2是高電平，則時(shí)間T2=n2t。

綜上：不對(duì)齊部分T1存在兩種可能，為低電平或者高電平；不對(duì)齊部分T2也存在兩種可能，為低電平或者高電平，而通過(guò)對(duì)D觸發(fā)器的編碼，能夠知道不對(duì)齊部分T1、T2是低電平還是高電平，進(jìn)而能夠得到準(zhǔn)確的時(shí)間差 △Ti。

其中，N是計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，T是計(jì)數(shù)脈沖周期，n1是求T1的延時(shí)單元個(gè)數(shù)，n2是求 T2的延時(shí)單元個(gè)數(shù)，t是延時(shí)單元的延時(shí)時(shí)間，0表示低電平，1表示高電平。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是控制硬件和實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用模塊化分層管理，提高軟件的穩(wěn)定性和可行性，系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的正確性和可行性，對(duì)煤礦探水雷達(dá)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)間差測(cè)量。煤礦探水雷達(dá)采用6.25 Hz的雙極性波，經(jīng)過(guò)單極性電路轉(zhuǎn)換以后，信號(hào)頻率變?yōu)?2.5 Hz，圖6是兩路同步時(shí)鐘信號(hào)的波形，通道3是提取后的時(shí)間差，從圖中可以看出，時(shí)間差小于800 ns，與實(shí)際時(shí)間差相符合。

圖5 軟件流程圖

圖6 時(shí)間差波形

表1 時(shí)間差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1是同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間差測(cè)量系統(tǒng)工作8小時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。顯示時(shí)間差的誤差區(qū)間和落在該區(qū)間的次數(shù)，當(dāng)時(shí)間差超過(guò)800 ns時(shí)，同步時(shí)鐘精度不能達(dá)到煤礦探水雷達(dá)的勘測(cè)要求。從表1可以清楚地看到，時(shí)間差低于400 ns占99.85%，最大時(shí)間差不大于 800 ns，完全滿足煤礦探水雷達(dá)的同步時(shí)鐘精度要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦探水雷達(dá)進(jìn)行勘測(cè)時(shí)需要高精度同步時(shí)鐘的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高精度同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間差測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計(jì)數(shù)脈沖對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行粗測(cè)量，內(nèi)部延時(shí)單元和D觸發(fā)器對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精測(cè)量，兩者之和即為測(cè)量結(jié)果。用計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)的時(shí)間差數(shù)據(jù)繪制成曲線，能夠更加直觀的判斷同步時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到煤礦探水雷達(dá)的實(shí)際勘探中，對(duì)同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間差觀測(cè)和矯正起到了很大的作用。

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