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Interference Fringes and Time Interval Measurement Method for Gravimeter Based on Dual Phase-Locked Loop IP Core in FPGA
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摘要: 介绍了FPGA在绝对重力仪中对落体下落时间和距离进行的测量原理及方法，阐述了以Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8N芯片为核心，构造的可编程片上系统以及倍频移相测时法的实现过程，该测时技术对重力仪中落体在一次大约200 m下落过程中的测量误差为±0.6 ns，测量标准不确定度为0.308 ns，分辨力可达到0.4 ns，提高了现有绝对重力仪的时间测量精度，通过仿真软件与实验数据验证了设计的正确性和有效性。Abstract: The principle and method of measuring falling time and distance of the falling body in the absolute gravimeter by FPGA are introduced, and the programmable system-on-chip based on Altera Cyclone IV series EP4CE6E22C8N chip and the implementation process of frequency doubling phase shift timing method are described. The measurement error of the falling body in the gravimeter during a falling process of about 200m is ± 0.6ns. The standard uncertainty of measurement is 0.308ns, and the resolution can reach 0.4ns, which improves the accuracy of the existing absolute gravimeter. Finally, the correctness and effectiveness of the design are verified by simulation software and experimental data.
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Key words:
- FPGA /
- frequency doubling phase shift /
- time interval measurement /
- gravimeter /
- interference fringe
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图 4 8路数字移相脉冲输出框图
Figure 4. Block diagram of 8-channel digital phase shift pulse output
图 5 自由落体式绝对重力测量原理图
Figure 5. Schematic diagram of free-fall absolute gravity measurement
图 7 重力仪中FPGA时间测量电路原理图
Figure 7. Schematic diagram of FPGA time measurement circuit in gravimeter
图 8 锁相环8路输出依次相差45°仿真波形
Figure 8. Phase locked loop 8-channel output with a 45° difference in sequence simulation waveform
图 9 加法器依次转换计数仿真图
Figure 9. Simulation diagram of sequential conversion counting of adder
表 1 FPGA输出数据验证表
Table 1. FPGA output data verification table
第一组 第二组 第三组 第四组 第五组 第六组 第七组 标准信号发生器产生的频率 800 kHz 1 MHz 1.6 MHz 2.0 MHz 4.0 MHz 8.0 MHz 10.0 MHz FPGA测量系统串口中得到的计数值 2450000 1960000 1225000 980000 490000 245000 196000 
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表 2 计数器延时情况
Table 2. Counter delay
/ns 计数器1 计数器2 计数器3 计数器4 计数器5 计数器6 计数器7 计数器8 外部时钟延迟 1.670 1.700 1.700 1.702 1.708 1.701 1.672 1.671
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