[发明专利]一种高分辨率的嵌入式时间测量装置

说明书

本发明公开了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，涉及弱磁测量技术领域，设置控制单元和测时单元相配合，避开了晶振频率对测量分辨率的限制，提高了测量分辨率。整体电路简便，电路成本低廉，仅需4MHz和32kHz两个晶振，就可达到100ps的测时精度，即频率分辨率万分之一Hz，磁场值分辨率0.01nT。

技术领域

本发明涉及弱磁测量技术领域，特别涉及一种高分辨率的嵌入式时间测量装置。

背景技术

弱磁测量作为探测物质特性和未知世界的有效手段之一，被广泛应用于地球物理勘探、军事和医疗等领域。基于不同测量原理的弱磁传感器的结构、特性、以及应用领域也各不相同。Overhauser传感器(也称为探头)是一种基于自由基物质动态核极化(DynamicNuclear Polarisation，DNP)效应的弱磁测量传感器，具有高精度和高灵敏度的特点，在陆地磁测、海洋磁测、空间磁测、军事和各类工程领域已得到广泛应用。

自由基物质动态核极化的实质是自由基溶液中电子系统与质子系统的双共振现象，也就是电子-核的Overhauser效应，动态核极化效应会增强自由感应衰减(FreeInduction Decay，FID)信号。通过测量得到FID信号的频率，即可计算出其对应的磁场强度。现有的基于overhauser原理的弱磁检测装置，其频率测量部件通常采用MCU或CPLD/FPGA实现，因其分辨率受限于所用晶振的工作频率，一般为MHz级别，即时间分辨率在ns级别。

由于FID信号测量时间短，信号衰减过快，在有效段时间内只能测得几百个周期，限制了测量精度的提高。目前对质子磁力仪FID信号的主要测量方法是硬件测频。一般的，从硬件上实现这种测频方法必须使FID整形，再使用一个高精度的时钟信号，来统计整数个FID信号的周期，周期值取倒数即为频率。较常见的周期时间测量部件是基于MCU或FPGA/CPLD嵌入式芯片实现的测量电路，通常时间测量分辨率在ns级别，若要实现更高精度的测量，则要使用更高精度的频率基准(温补晶振)、使用高信噪比电路等等，但上述方法都是以提高硬件复杂性和成本为代价的。

针对此问题，本申请提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，采用MCU与TDC结合的方法，实现高精度的时间测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，采用MCU与TDC结合的方法，实现高精度的时间测量。

本发明提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，包括：控制单元、测时单元和电源，所述控制单元与测时单元之间电信号连接，所述控制单元与测时单元均与电源电连接；

所述控制单元包括MCU及其外围辅助电路、数字控制电路和第一数据通信接口，所述MCU用于输出起停和控制命令，所述数字控制电路电连接在所述MCU的输出端，所述第一数据通信接口用于向所述MCU输入方波信号和输出控制命令至所述测时单元；

所述测时单元包括TDC及其外围辅助电路和第二数据通信接口，所述TDC用于测量时间间隔，所述第二数据通信接口用于向所述TDC输入控制命令、方波信号和输出测量数据。

较佳地，所述MCU的输出端输出起始命令和停止命令，所述起始命令和停止命令分别与方波信号与关系连接，两个与关系的输出端均与所述TDC连接，用于输出起停命令。

较佳地，所述TDC外部电连接4MHz和32kHz的晶振电路。

较佳地，所述TDC及其外围辅助电路选用的时间转换器型号为TDC-GP22。

较佳地，应用一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：整形FID信号，以方波的形式输入至测时装置中；

步骤二：触发MCU外部中断，MCU输出起始命令和停止命令，控制TDC进行时间间隔测量；