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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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[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 -
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