专利名称：一种绝对重力仪时间测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及时间测量装置，尤其是涉及一种绝对重力仪时间测量装置。
背景技术：
地球表面上任意一点的绝对重力值,是该点单位质量的物体受到整个地球质量的引力与地球自转在该点所产生的惯性离心力的合力，它等于该点的重力加速度值。绝对重力仪是目前国际上研制用来直接测量重力加速度值的主要精密计量仪器，在地球物理环境、地震、石油勘探、测量等领域有广泛应用，常见绝对重力仪的基本原理是利用迈克尔逊激光干涉仪方法在高真空条件下测量物体(落体棱镜)在垂直方向自由运动所经历的时间和距离，由迈克尔逊激光干涉仪原理可知，落体棱镜下落距离等于1/2ηλ，其中η为激光干涉条纹数，λ为激光器波长。对激光干涉条纹计数的同时测定落体下落时间，根据牛顿第二定律计算重力值。因此，时间测量装置是绝对重力仪的重要部件之一。美国MiCT0-G公司生产的FG5是一种进入商品化的绝对重力仪，绝对重力仪测量的相对不确定度可达到2Χ10_9，其早期版本的测时系统采用SR620通用时间间隔计数器，后期版本采用通用时间采集PCI接口卡，其不足之处在于:通用时间测量装置体积大，价格昂贵。电子计数法是一种简单的时间测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理是时间测量装置启动后计数器开始对量化时钟计数，设量化时钟频率为fo，对应的周期Ttl = l/f0,当某一事件到来时计数器的读书N，刚被测时刻测量值Tx = N*!；。测量量化误差最大值为一个量化时钟周期Ttl，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差，即电子计数法的±1问题。除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服，比如铷原子频率标准。提高量化时钟的频率可有效降低原理误差，但这带来的问题是时钟频率越高对电路的要求越高，并且相应的芯片也很难选择。例如，当要求Ins的测量精度时，时钟频率需要提高到1GHz，此时一般的计数器芯片很难正常工作，同时也会带来电路板的布线、材料选择以及加工等诸多问题。提高电子计数法的测量精度的做法通常是对小于一个量化时钟周期Ttl的量化误差t进行高精度测量，对微小时间间隔测量已有商用专用芯片出售，如德国Acam公司的TDC-GPX芯片，该芯片最高精度模式能够达到2通道IOps分辨率，峰峰误差70ps的高精度测量，但测量范围只IOus左右，量程太小不能满足绝对重力仪时间测量的要求。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种绝对重力仪时间测量装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种绝对重力仪时间测量装置由光电转换器、分频器、计数器锁存器、微测时芯片、时钟源、反相器、D触发器、微处理器组成，光电转换器与分频器相连，分频器与微测时芯片的START端口相连，分频器与触发器的D端口相连，时钟源与反相器相连，时钟源与计数器锁存器的CLK端口相连，时钟源与微测时芯片的STOP端口相连，反相器与D触发器相连，D触发器与计数器锁存器的锁存触发端口 RCLK相连，D触发器与微处理器相连，计数器锁存器与微处理器相连，微测时芯片与微处理器相连，分频器与微处理器相连。计数器锁存器是带锁存功能的计数器，或由计数器加锁存器构成，可根据需要由多个芯片级联扩展数据位宽度。激光干涉信号经由光电转换器输出方波信号送给分频器，设置分频器的目的是对激光干涉信号计数采样，即一组分频数表示的落体下落距离为Ν*1/2ηλ，其中η为激光干涉条纹数，λ为激光器波长，N为分频数，分频后的信号占空比降低N倍，变为不对称窄脉冲，但脉冲宽度要大于时钟源的时钟周期。测量任务开始后，由微处理器对计数器锁存器复位清零，计数器锁存器开始对时钟源输出的信号进行计数，同时，因分频器与D触发器的D端口相连，钟源输出的信号经反相器反向后送给D触发器作为触发信号，在反相器输出信号的上升沿将D触发器的D端口状态传送到计数器锁存器的锁存触发端口 RCLK，计数器锁存器锁存计数值，因计数器锁存器的计数信号与锁存信号相位相反，保证了计数器锁存器锁存时刻不会发生计数器正在计数时的不稳定状态。当微处理器检测到分频器的信号后，立即检测D触发器输出的信号是否有效并记录，如果D触发器输出的信号无效，等待D触发器在反相器输出时钟信号的作用下输出对计数器锁存器的锁存信号，随后微处理器读取计数器锁存器的值和微测时芯片的测量值，因计数器锁存器的速度小于微测时芯片的速度，需要判断微测时芯片所采用的停止信号和计数器锁存器的锁存信号是否同一信号沿，判断方法是如果微测时芯片输出的数值小于时钟源的周期的50%，且记录的D触发器输出的信号是无效的，即当微测时芯片收到停止信号后计数器锁存器信号尚未锁存，则计数器锁存器的值应该减去1，如此了便保证了测量结果没有±1问题。一次测量的时间为计数器锁存器所表示的时间+微测时芯片所测量的时间。计数器锁存器在锁存时计数不停止，一次自由落体棱镜落体下落过程中时间测量误差不会累计。本发明的有益效果是，高分辨率小量程测时芯片与低分辨率大量程芯片结合，实现高分辨率大量程时间测量，能满足绝对重力仪时间测量要求且造价低，结构简单，体积小，一次落体棱镜下落过程中时间测量误差不会累计。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。说明书附图为本绝对重力仪时间测量装置结构示意图。其中1.光电转换器，2.分频器，3.计数器锁存器，4.微测时芯片，5.时钟源，6.反相器，7.D触发器。8.微处理器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述:根据附图可知，一种绝对重力仪时间测量装置由本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种绝对重力仪时间测量装置由光电转换器(I)、分频器(2)、计数器锁存器
(3)、微测时芯片(4)、时钟源(5)、反相器(6)、D触发器(7)、微处理器(8)组成,光电转换器
(I)与分频器⑵相连，分频器⑵与微测时芯片⑷的START端口相连，分频器⑵与D触发器(7)的D端口相连，时钟源(5)与反相器(6)相连，时钟源(5)与计数器锁存器(3)的CLK端口相连，时钟源(5)与微测时芯片(4)的STOP端口相连，反相器(6)与D触发器(7)相连，D触发器(7)与计数器锁存器(3)的锁存触发端口 RCLK相连，D触发器(7)与微处理器(8)相连，计数器锁存器(3)与微处理器(8)相连，微测时芯片(4)与微处理器(8)相连，分频器(2)与微处理器(8)相连。计数器锁存器(3)是带锁存功能的计数器，或由计数器加锁存器构成，可根据需要由多个芯片级联扩展数据位宽度。本实施方式中，分频器
(2)选高速分频器，时钟源(5)选用铷原子钟，频率为lMHz，D触发器(7)型号为74HC74，计数器锁存器(3)为8位带锁存功能的74HC590两片级联为16位计数器，微测时芯片(4)选用德国 Acam 公司的 TDC-GPX，微处理器(8)选用 NXP LPC1766100MHz ARM CPU。激光干涉信号经由光电转换器(I)输出方波信号送给分频器(2)，设置分频器(2)的目的是对激光干涉信号计数采样，即一组分频数表示的落体下落距离为Ν*1/2η λ，其中η为激光干涉条纹数，λ为激光器波长，N为分频数，分频后的信号占空比降低N倍，变为不对称窄脉冲，但脉冲宽度要大于时钟源(5)的时钟周期。测量任务开始后，由微处理器8对计数器锁存器(3)复位清零，计数器锁存器(3)开始对时钟源(5)输出的信号进行计数，同时，因分频器(2)与D触发器(7)的D端口相连，钟源(5)输出的信号经反相器6反向后送给D触发器(7)作为触发信号，在反相器(6)输出信号的上升沿将D触发器(7)的D端口状态传送到计数器锁存器(3)的锁存触发端口 RCLK，计数器锁存器(3)锁存计数值，因计数器锁存器(3)的计数信号与锁存信号相位相反，保证了计数器锁存器(3)锁存时刻不会发生计数器正在计数时的不稳定状态。当微处理器(8)检测到分频器(2)的信号后，立即检测D触发器(7)输出的信号是否有效并记录，如果D触发器(7)输出的信号无效，等待D触发器(7)在反相器(6)输出时钟信号的作用下输出对计数器锁存器(3)的锁存信号，随后微处理器(8)读取计数器锁存器(3)的值和微测时芯片(4)的测量值，因计数器锁存器
(3)的速度小于微测时芯片(4)的速度，需要判断微测时芯片(4)所采用的停止信号和计数器锁存器(3)的锁存信号是否同一信号沿，判断方法是如果微测时芯片(4)输出的数值小于时钟源(5)的周期的50%，且记录的D触发器(7)输出的信号是无效的，即当微测时芯片
(4)收到停止信号后计数器锁存器(3)信号尚未锁存，则计数器锁存器(3)的值应该减去1，如此了便保证了测量结果没有±1问题。一次测量的时间为计数器锁存器(3)所表示的时间+微测时芯片(4)所测量的时间。计数器锁存器(3)在锁存时计数不停止，一次自由落体棱镜落体下落过程中时间测量误差不会累计。
权利要求
1.一种绝对重力仪时间测量装置，它由光电转换器、分频器、计数器锁存器、微测时芯片、时钟源、反相器、D触发器、微处理器组成，其特征是:光电转换器与分频器相连，分频器与微测时芯片的START端口相连，分频器与D触发器的D端口相连，时钟源与反相器相连，时钟源与计数器锁存器的CLK端口相连，时钟源与微测时芯片的STOP端口相连，反相器与D触发器相连，D触发器与计数器锁存器的锁存触发端口 RCLK相连，D触发器与微处理器相连，计数器锁存器与微处理器相连，微测时芯片与微处理器相连，分频器与微处理器相连。
全文摘要
一种绝对重力仪时间测量装置，它包括它由光电转换器、分频器、计数器锁存器、微测时芯片、时钟源、反相器、D触发器、微处理器组成，光电转换器与分频器相连，分频器与微测时芯片的START端口相连，分频器与D触发器的D端口相连，时钟源与反相器相连，时钟源与计数器锁存器的CLK端口相连，时钟源与微测时芯片的STOP端口相连，反相器与D触发器相连，D触发器与计数器锁存器的锁存触发端口RCLK相连，D触发器与微处理器相连，计数器锁存器与微处理器相连，微测时芯片与微处理器相连，分频器与微处理器相连。该绝对重力仪时间测量装置造价低，结构简单，体积小，一次落体棱镜下落过程中时间测量误差不会累计。
文档编号G01V7/14GK103185902SQ20111045375
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者薛怀平, 杜耘, 厉恩华, 冯奇, 吴胜军 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所