留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于FPGA中双锁相环IP核的重力仪干涉条纹和时间间隔测量方法

张博

张博. 基于FPGA中双锁相环IP核的重力仪干涉条纹和时间间隔测量方法[J]. 计量科学与技术,2022, 66(12): 61-66, 40 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0666
引用本文: 张博. 基于FPGA中双锁相环IP核的重力仪干涉条纹和时间间隔测量方法[J]. 计量科学与技术,2022, 66(12): 61-66, 40 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0666
ZHANG Bo. Interference Fringes and Time Interval Measurement Method for Gravimeter Based on Dual Phase-Locked Loop IP Core in FPGA[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(12): 61-66, 40. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0666
Citation: ZHANG Bo. Interference Fringes and Time Interval Measurement Method for Gravimeter Based on Dual Phase-Locked Loop IP Core in FPGA[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(12): 61-66, 40. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0666

基于FPGA中双锁相环IP核的重力仪干涉条纹和时间间隔测量方法

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0666
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFF0212401)。
详细信息
    作者简介:

    张博(1982-),黑龙江省计量检定测试研究院高级工程师,研究方向:电测计量仪器的研制与开发、重力计量研究等,邮箱:zb2408757@163.com

Interference Fringes and Time Interval Measurement Method for Gravimeter Based on Dual Phase-Locked Loop IP Core in FPGA

  • 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。
  • 图  1  时间量化比较原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of time quantization comparison

    图  2  锁相环A输出频率与相位配置

    Figure  2.  PLL A output frequency and phase configuration

    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  3  锁相环B输出频率与相位配置

    Figure  3.  PLL B output frequency and phase configuration

    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  6  时间间隔测量法原理图

    Figure  6.  Schematic diagram of time interval measurement method

    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

    图  10  信号源对装置测试的连接图

    Figure  10.  Connection diagram of signal source to device test

    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 kHz1 MHz1.6 MHz2.0 MHz4.0 MHz8.0 MHz10.0 MHz
    FPGA测量系统串口中得到的计数值245000019600001225000980000490000245000196000
    下载: 导出CSV

    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1.6701.7001.7001.7021.7081.7011.6721.671
    下载: 导出CSV
  • [1] 孔祥元, 郭际明, 刘宗泉. 大地测量学基础[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2010: 58-62.
    [2] 于龙洋, 刘晔, 孙培钦, 等. 基于FPGA的纳秒量级脉冲宽度精确测量研究[J]. 中国测试, 2017, 43(5): 5-8.
    [3] 国家质量监督检验检疫总局. 通用计量术语及定义: JJF1001-2011[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.
    [4] Kuon I , Tessier R , Rose J. FPGA Architecture: Survey and Challenges[J]. Foundations and Trends® in Econometrics, 2007, 2(2): 135-253.
    [5] 詹惠琴, 古天祥, 习友宝, 等. 电子测量原理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015: 99-102.
    [6] 吴书清. 基于自由落体原理的绝对重力仪关键技术的研究及应用[D]. 北京: 中国计量科学研究院, 2012.
    [7] 夏宇闻. Verilog 数字系统设计教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2013: 179-185.
    [8] 赫小萱. 基于FPGA的精密时间间隔测量技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.
    [9] 李 哲. 高精度绝对重力测量仪器与应用研究[D]. 北京: 清华大学, 2016.
    [10] 钱锦, 伍康, 王力军. 事件时间测量系统及其在绝对重力仪中的应用[J]. 导航定位与授时, 2017, 4(4): 51-55.
    [11] 张楠. 基于FPGA的全数字锁相环电路的设计[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2016(3): 65-69.
    [12] 马莽原, 石新春, 王慧, 等. 基于FPGA的全数字锁相环的复频域分析与实现[J]. 2018, 55(4): 19-22.
    [13] 周平, 殳国华, 陈敏捷, 等. 基于ARM和FPGA的新型电能质量分析仪研究设计[J]. 电气自动化, 2016(2): 111-114.
    [14] 彭咏龙, 路智斌, 李亚斌. 基于FPGA的改进型全数字锁相环的设计[J]. 电源技术, 2015, 39(2): 410-412.
    [15] 刘善良, 吴书清, 冯金扬, 等. 第10届全球绝对重力仪关键比对相对重力测量[J]. 计量学报, 2020, 41(2): 198-201.
    [16] 牟丽爽, 冯金扬, 王启宇, 等. iGrav-012超导重力仪定期格值结果分析[J]. 计量学报, 2019, 40(3): 373-376. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.03.04
    [17] 张 博. 重力加速度量值溯源体系介绍及重力仪的研制现状[J]. 机电设备, 2019, 36(291): 67-69.
    [18] 安国臣, 张秀清, 王晓君, 等. 基于FPGA的高精度时间数字转换方法研究[J]. 电测与仪表, 2014, 51(2): 78-80.
    [19] 王宇, 任晓红, 张超, 等. 基于FPGA的交流采样同步倍频算法及实现[J]. 电测与仪表, 2013, 50(12): 48-50.
    [20] 粟多武, 王启宇, 张川, 等. 利用国产绝对重力仪进行南极中山站重力校准[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(8): 36-41. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9035
    [21] 庄伟, 曹士英, 王少凯, 等. 原子干涉重力测量系统激光频率溯源研究[J]. 计量科学与技术, 2020(11): 68-72. doi: 10.3969/j.issn.2096-9015.2020.11.16
  • 加载中
图(10) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  193
  • HTML全文浏览量:  45
  • PDF下载量:  18
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-07
  • 录用日期:  2022-01-12
  • 修回日期:  2022-01-09
  • 网络出版日期:  2023-01-14
  • 刊出日期:  2022-12-18

目录

    /

    返回文章
    返回