基于游标法的等效时间采样模块的设计

图 １ 等效 时间采样原理图
２ 电路设计
采样脉冲的形成可采用阶梯波信号和快斜波信号比 较电路产生， 该方法受 到恒流源稳定性 、 精度 、 器件速度
振作为发射脉冲的控制信号 ， 步进取样脉冲采用 ４ Ｍ晶 振作为脉冲产生电路控制信号 ， 调整负载电容容值 ， 经过 分频电路 的分频 ， 分别产 生 ２０００ Ｉ ． ０Ｍ－ ０ Ｉ ｚ的发射脉 冲和
＝
Ｔ＋△ 从 ＝０时 刻开 始 采样 ，ｓ ＝ （）在 ｔ ， ｆｏ ｆ ０ ， ＝Ｔ＋
△ 时刻 ，ｓ： （ ｆ１ ｆ Ｔ＋Ａ ） （ ）在 ＝ｎ（ ＋Ａ ） Ｔ ＝ｆ ａＴ ， Ｔ 时
刻 ， ． ， （ ＋ ） ｆ ， ， ｆ ＝ （ Ｔ △ ） ＝ （△ ）所得到 的样 品值的信 ｓ ２
ｕ ｍ） 以灵 敏 系数 后得 到样 品质量 ｍ 引入 的标 准 （ 乘 不确定 度分 量 １ （ １ Ｑ） ，
—
路， 产生的方波信号作为可预置数计数器的时钟信号 ， 经 过 分 频 电路 分 频 ， 数 器 进 位 Ｔ 计 Ｃ输 出 的 信 号 经 过 由 Ｃ ０ 和 Ｒ ０ 构成的微分网络微分后 ， ２３ ２３ 转变为含有正、 负
脉冲的波形 ， 该信号具有很陡峭的上升沿 ， 能够推动５ 形成需 要的窄脉冲信号。本方案 中， 发射电路选择 １Ｍ ｚ ６ Ｈ 的晶
张 杰 曹思樟 祝 怀标 叶 涛
（ 华中科技大学控制科学与工程系 ， 湖北 武汉 ４０７ ） ３０４
摘 要： 等效时问采样法可 以通过周期取样技术 ， 把高频 、 宽带的周期或准周期信号转化为低频的慢速信号 ， 在基于时域反射 （ Ｒ 技术的测量系统 中 ｒ ） Ｉ Ｄ
应用 比较广泛 。本文给出了一种基于游标法 的等效时间采样模块设计方案及实现电路 ， 并通过试验证 明了模块的等效采样效果。
关键 词： 游标法 ； 等效时间采样 ； 时域反射 ； 高速脉冲
１ 等 效 时间采样 基本原 理
等效时间采样的基本原理是利用取样技术 ， 把周期 性或准周期性的高频 、 快速信号变换为低频的慢速信号。
在 电路上 只对取样 前 的电路 具 有 高频 的要 求 ， 大 降低 大
的限制 ， 步长ＡＴ受 到一定 的限制 ， 度很难进一 步提 精 高。 目 ， 前 用的比较多的是直接采用数字可编程延时器
息与 由采样周期为△ 的采样信号采样得到的样品值的 信息相同， 只是在时间上被延迟 ， 通过把这些序列重 组， 即可得 到在 时间轴 上被放 大 了 ， 状相似 的波形 。步 形
长 △ 即 ｆ ｔ与 Ｎ（） （ （） ｔ的周 期差 ） 越小 ， 相当于实时采样的 频率越高 ， 变换后 的ｆ（） 取样 ｓｔ频率越低 。从时间轴上来看 ，
Ｍ ｍ） √ ：０ ５ ×１ ～ｇ （ ： ３ ．８ ０
通过对测量试样重油的弹热值的不确定 度分析 、 评
定 ， 出该试验 检 测 结 果 的 扩展 不 确 定 度 为 Ｕ＝３Ｊｇ 得 ０／ ， 包含 因子 ｋ 。同时可 以看 出 ， 温度 和其 它 条 件不 变 ＝２ 在 时 ， 油弹热 值 的不 确定 度主要 来 自仪 器热 容量 的标 定 、 重
厂 厂／ 厂 厂厂 厂 八 八一 、 、， 、＾＾ ＼ ＼ 、 、 ＼ Ｕ Ｕ Ｕ √、 ｒ ＼ 八 ｔ
Ｔ Ｉ △Ｔ
Ｉ
图 ２ 步 进 脉 冲 产 生 电 路原 理 图
△ １＋ Ｔ Ｔ
Ｉ
晶振 Ｙ与反 相 器 、 载 电容 、 阻 构 成 晶 振起 振 电 负 电
信号作为控制脉冲发射的信号 ， 周期为 Ｔ 的信号作为采 ｓ
样 时钟 。由于可采 用高 稳定 度 的 晶振 ， 过 调节 晶振 外 通
部电容， 使得产生的两个信号频率非常接近 ， 最小延时可
达 到 ｐ 级 。其 电路原理 图 如图 ２所示 。 ｓ
相当于 厂ｔ在时间轴上被放大了（ ａ ）ａ 倍。采用游 （） ＋ Ｔ／ ￣ 标法可降低等效采样模块的设计成本及难度。
张杰等 ： 基ｆ游标 法的等效 时间采样模 决的设 计
基 于游 标 法 的等 效 时 间采样 模块 的设 计
Ｄｅｉｎｏ ｑ ｉ ｌ ｔ ｉ ａ ｐｉｇＭｏ ｕｅＢ ｓｄｏ ｅｎｅ ｔｏ ｓ ｆＥ ｕｖ ｅ ｍｅＳ ｍ ｌ ｄ ｌ ａｅ ｎ Ｖ ｒ ｉ Ｍｅｈ ｄ ｇ ａｎＴ ｎ ｒ
其 中 ，（） 厂 ｔ为被测高频模拟信号 ， 为采样信号 ， Ｎ（）
．
采用由晶振对产生的信号作为步进脉冲触发 电路的游标
法。
ｆ（） ｓ ｔ为在 采样 脉 冲的作 用 下 由样 品值包 络 形 成 的低 频 信号 。模 拟信 号 厂ｔ为周期 的信号， （） 采样信号周期 乃
．
２１ 步进脉冲产生电路 ． 类似于 机械游标 卡尺 的原理 ， 选择 一对合 适 的 晶振 ， 通过整形 、 调整电路 ， 其产生两个频率非 常接 近的信 使 号， 周期分别 用 和 表示 ，ｓ＝Ｔ＋Ａ ｏ周期 为 Ｔ的 Ｔ Ｔ
社鹞 等： 石油产品热值 溺量不确定度分析
２２５ 样 品质量 引入 的标 准不 确定度 分量 ｎ （ ．． Ｑ）
３ 结 论
样品称量采用分度值为 ０ １ ｇ ． 的电子天平 ， ｍ 天平最 大允许 误差 为 ±０ １ ｇ按 均匀分 布考虑 ， ．ｍ ， 那么 ， 由样 品称
量 不准 所产 生 的标 准不 确定度分 量
件 Ａ ９０ 或 Ａ ９０ 产生 ， Ｄ ５０ Ｄ ５１ 其最小延时可达 １ｐ。但是 ０ｓ 可编程延时器件对程控时钟信号要求比较高， 该信号需要 用 Ｐ Ｄ ＦＧ Ｌ 或 ＰＡ来产生， 电路比较复杂、 成本比较高。这里
采样变换后 的信号处理 、 显示电路对速度的要求 ， 简化了 整个 系统 的设计 难度 。其工作 原理 如 图 １ 所示 。