一種用于時差測量的電路結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型一種用于時差測量的電路結構，包括D型觸發器、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關、電容、A/D轉換器以及單片機；D型觸發器的引腳五與第一高速模擬開關的控制端相連；D型觸發器的引腳四與電源地相連，引腳四與第二高速模擬開關的電源輸出端相連；第一高速模擬開關和第二高速模擬開關均包含可與所述控制端、所述電源輸出端相連接的第一觸點和第二觸點；第一高速模擬開關的第二觸點和第二高速模擬開關的第一觸點分別與電容的一個極板和A/D轉換器的一端電連接，電容的另一個極板與電源地相連；A/D轉換器的另一端與單片機的一端相連，單片機的另一端與第二高速模擬開關的控制端相連。本實用新型的有益效果是：結構簡單，時差計算更為精準。
【專利說明】
一種用于時差測量的電路結構
技術領域
[0001] 本實用新型涉時差測量技術領域，尤其是涉及一種用于時差測量的電路結構。
【背景技術】
[0002] 隨著科技的不斷發展，尤其是在測距、通信、雷達、衛星以及導航定位等技術領域 對于時間計量精度的要求也越老越嚴苛。時間間隔即時差的計算精確程度是影響這些技術 領域所得相關數據是否可靠的必要條件之一。因此，在這些技術領域中相關實驗數據是非 常需要精準度更高的時間間隔測量設備所測量的時差為依托進行相關測算。然而，現有技 術中傳統計時器的計時原理以及相關結構不僅復雜還無法滿足這些技術領域對時差計算 的精準要求。
[0003]由此可見，如何設計出一種用于時差測量的電路結構，具有結構簡單、時差計量更 加精準的優點是目前本領域技術人員亟待解決的問題。 【實用新型內容】
[0004] 為了解決上述問題，本實用新型提供了一種結構簡單且時差計量更為精準的用于 時差測量的電路結構。
[0005] 本實用新型一種用于時差測量的電路結構，包括D型觸發器、第一高速模擬開關、 第二高速模擬開關、電容、A/D轉換器以及單片機;所述D型觸發器的引腳五為控制輸出端， 所述引腳五與所述第一高速模擬開關的控制端相連接;所述D型觸發器的引腳四與電源地 相連接，所述引腳四還與所述第二高速模擬開關的電源輸出端相連接;所述第一高速模擬 開關和所述第二高速模擬開關均包含可與所述控制端、所述電源輸出端相連接的第一觸點 和第二觸點;所述第一高速模擬開關的第二觸點和所述第二高速模擬開關的第一觸點相 交形成一交點，所述交點分別與所述電容的一個極板和所述A/D轉換器的一端電連接，所述 電容的另一個極板與所述電源地相連接;所述A/D轉換器的另一端與所述單片機的一端相 連接，所述單片機的另一端與所述第二高速模擬開關的控制端相連接;其中，所述D型觸發 器的引腳一用于接收觸發信號，所述D型觸發器的引腳六用于接收清零信號，所述D型觸發 器的引腳二、引腳七和引腳八用于外接電源。
[0006] 進一步地，還包括運算放大器，所述運算放大器包括正輸入端、負輸入端和輸出 端。
[0007] 進一步地，所述輸出端與A/D轉換器的一端電連接，所述A/D轉換器的另一端則與 所述單片機的一端電連接，所述單片機的另一端與所述第二高速模擬開關的控制端相連 接。
[0008] 進一步地，所述負輸入端與所述電源地連接，所述正輸入端與所述第一高速模擬 開關的第二觸點和所述第二高速模擬開關的第一觸點相連接，所述輸出端與所述負輸入端 相連接。
[0009] 進一步地，所述第一高速模擬開關的電源輸出端和所述電源之間、所述D型觸發器 的引腳五和所述第一高速模擬開關的控制端之間、所述運算放大器的負輸入端和所述D型 觸發器的引腳四之間、所述第一高速模擬開關的第二觸點與所述第二高速模擬開關的第一 觸點的所述交點和所述運算放大器的正輸入端之間、所述運算放大器的負輸入端和輸出端 之間均串聯有負載電阻，其阻值分別為Rl、R2、R3、R4和R5。
[0010] 進一步地，所述D型觸發器的型號為NC7SZ74的一種高速D型觸發器。
[0011] 本實用新型一種用于時差測量的電路結構，與現有技術相比具有以下優點：
[0012] 第一，該用于時差測量的電路結構中在進行時差測量時，所述引腳一的觸發信號 保持高電平，所述引腳五輸出高電平，所述第一高速模擬開關的控制端與其第二觸點和其 電源輸出端接通，使得所述電容開始充電；當測量結束時，所述引腳一的觸發信號變為低電 平，所述引腳五輸出低電平，所述第一高速模擬開關的控制端與其第一觸點和其電源輸出 端接通，所述電容結束充電。之后，通過所述電容電壓的幅值大小便可以簡單并精確計算出 時差的長短。因此，該時差測量電路結構不僅結構簡單，而且通過所述電容微弱的電壓幅值 信號變化便能夠得出時差的精確數據，使得時差計算更為精準。
[0013] 第二，該用于時差測量的電路結構中還包括運算放大器，所述運算放大器包括正 輸入端、負輸入端和輸出端。這主要是為了通過所述運算放大器檢測出所述電容的較小電 壓幅值，從而進一步提高了該用于時差測量的電路結構的測量精度，以使所述用于時差測 量的電路結構能夠應用于更多技術領域，提高了其普適性。
[0014] 第三，該用于時差測量的電路結構中所述輸出端與A/D轉換器的一端電連接，所述 A/D轉換器的另一端則與所述單片機的一端電連接，所述單片機的另一端與所述第二高速 模擬開關的控制端相連接。該設計使得所述電容的電壓幅值經所述運算放大器運算放大 后，通過所述A/D轉換器轉化為所述單片機可讀取的電壓值，為所述電容的電壓幅值與時差 的轉換提供了便利。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型的電路圖；
[0016] 圖2為本實用新型中所述觸發器的結構示意圖。
[0017] 圖中：D型觸發器為Ul，第一高速模擬開關為U2，第二高速模擬開關為U3，運算放大 器為U4,電容為Cl，第一高速模擬開關和第二高速模擬開關的控制端、電源輸出端、第一觸 點、第二觸點分別為SEL、VOUT、BO、B1，運算放大器的正輸入端、負輸入端和輸出端分別為 INI+、INI-和OUTI。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本實用新型的具體實施例做詳細說明。
[0019] 如圖1-2所示，一種用于時差測量的電路結構，包括D型觸發器U1、第一高速模擬開 關U2、第二高速模擬開關U3、電容C1、A/D轉換器以及單片機。所述D型觸發器的引腳五為控 制輸出端，所述引腳五與所述第一高速模擬開關U2的控制端相連接。所述D型觸發器的引腳 四與電源地相連接，所述引腳四還與所述第二高速模擬開關U2的電源輸出端VOUT相連接。
[0020] 所述第一高速模擬開關U2和所述第二高速模擬開關U3均包含可與所述控制端 SEL、所述電源輸出端VOUT相連接的第一觸點BO和第二觸點B1。所述第一高速模擬開關U2的 第二觸點BI和所述第二高速模擬開關U3的第一觸點BO相交形成一交點，所述交點分別與所 述電容Cl的一個極板和所述A/D轉換器的一端電連接。所述電容Cl的另一個極板與所述電 源地相連接;所述A/D轉換器的另一端與所述單片機的一端相連接，所述單片機的另一端與 所述第二高速模擬開關U3的控制端SEL相連接。
[0021]其中，所述D型觸發器Ul的引腳一用于接收觸發信號，所述D型觸發器Ul的引腳六 用于接收清零信號，所述D型觸發器Ul的引腳二、引腳七和引腳八用于外接電源。
[0022] 所述D型觸發器Ul的型號為NC7SZ74的一種高速D型觸發器。所述高速D型觸發器可 通過對各個引腳的不同設置而使所述引腳五靈活輸出，具體的輸出結果詳見以下真值表 (Truth Table)〇
[0023] Truth Table
[0025]該用于時差測量的電路結構中還包括運算放大器U4,所述運算放大器U4包括正輸 入端INI+、負輸入端INI-和輸出端OUTI。所述輸出端OUTI與A/D轉換器的一端電連接，所述 A/D轉換器的另一端則與所述單片機的一端電連接，所述單片機的另一端與所述第二高速 模擬開關U3的控制端SEL相連接。
[0026]所述負輸入端INI-與所述電源地連接，所述正輸入端INI+與所述第一高速模擬開 關U2的第二觸點Bl和所述第二高速模擬開關U3的第一觸點BO相連接，所述輸出端OUTI與所 述負輸入端INI-相連接。
[0027] 所述第一高速模擬開關U2的電源輸出端VOUT和所述電源之間、所述D型觸發器Ul 的引腳五和所述第一高速模擬開關U2的控制端SEL之間、所述運算放大器U4的負輸入端 INI-和所述D型觸發器Ul的引腳四之間、所述第一高速模擬開關U2的第二觸點Bl與所述第 二高速模擬開關U3的第一觸點BO的所述交點和所述運算放大器U4的正輸入端INI+之間、所 述運算放大器U4的負輸入端INI-和其輸出端OUTI之間均串聯有負載電阻，其阻值分別為 則、1?2、1?3、1?4和1?5。之所以設置這些負載一方面是為了使所述用于時差測量電路結構能夠 正常運行，另一方面則是出于所述用于時差測量電路結構整體安全而設計。
[0028]所述用于時差測量的電路結構的工作原理具體如下：
[0029]所述D型觸發器Ul的引腳六中的清零信號保持高電平，所述D型觸發器Ul的引腳一 中的觸發信號保持低電平，而所述D型觸發器的引腳五則輸出低電平。此時，所述第一高速 模擬開關U2的控制端SEL與其第一觸點BO和其電源輸出端VOUT接通，所述單片機控制所述 第二高速模擬開關U3的控制端SEL與其第一接觸點BO和其電源輸出端VOUT接通，這種情況 下所述電容Cl處于初始未充電狀態。
[0030]當開始時差測量時，所述引腳一的觸發信號保持高電平，所述引腳五輸出高電 平，所述第一高速模擬開關U2的控制端SEL與其第二觸點Bl和其電源輸出端VOUT接通，使得 所述電容Cl開始充電。當測量時差結束時，所述引腳一的觸發信號變為低電平，所述引腳五 輸出低電平，所述第一高速模擬開關Ul的控制端SEL與其第一觸點BO和其電源輸出端VOUT 接通，所述電容Cl結束充電。
[0031] 當測量和開始的時差極短時，例如應用于激光測距、雷達測距等技術領域時，所述 電容Cl電壓升高幅值小，因此需經過所述運算放大器U4運算放大后才能讓所述A/D轉換器 轉化為單片機可讀取的電壓值，然后再除以運算放大倍數，就可獲得真實的電容Cl的電壓。 由于所述運算放大器U4的隔離效果好，因此不會對電容Cl的電壓產生影響。電容Cl電壓的 幅值與時差相對應，如時差大，則所述電容Cl充電時間長，電容Cl電壓高，否則電壓就低。如 此便形成所述電容Cl的電壓與所述時差的一一對應關系。所述單片機可通過電容Cl充放電 公式(1)導出的電容Cl充電時間公式(2)可獲得時差。
[0032] Vt = VO+ (U-VO) X [ I -exp (-t/RC) ] (I)
[0033]所需時間計算公式為：
[0034] t = RCXln[(Ul-VO)/(U-Vt)] (2)
[0035] 其中，VO為電容Cl上的初始電壓值，U為給電容Cl充電的外部電源電壓，Vt為t時刻 電容上的電壓值。
[0036] 使用充放電公式(2)只能粗略獲得時差，由于電容Cl充電是個復雜的過程，受溫度 和電容精度的影響極大。因此，如果要獲得精確的時差，可通過精確標定的方法獲得更為準 確的時間。如在激光測距技術領域中，可通過距離標定的方法獲得，形成距離與所述電容Cl 電壓準確的對應關系。并可在不同溫度下分別進行標定，這樣就可對溫度變化進行補償。經 標定后的時差與電容Cl電壓的標定結果儲存于所述單片機內，通過查表的方式獲得準確 的時間差。
[0037]所述單片機獲得時間差后，控制所述第二高速模擬開關U3的控制端SEL接通其第 一觸點BO與其電源輸出端V0UT，令電容Cl放電，之后便結束一個測量周期。
[0038]以上對本實用新型的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的 較佳實施例，不能被認為用于限定本實用新型的實施范圍。凡依本實用新型申請范圍所作 的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本實用新型的專利涵蓋范圍之內。
【主權項】
1. 一種用于時差測量的電路結構，其特征在于:包括D型觸發器、第一高速模擬開關、第 二高速模擬開關、電容、A/D轉換器以及單片機； 所述D型觸發器的引腳五為控制輸出端，所述引腳五與所述第一高速模擬開關的控制 端相連接;所述D型觸發器的引腳四與電源地相連接，所述引腳四還與所述第二高速模擬開 關的電源輸出端相連接； 所述第一高速模擬開關和所述第二高速模擬開關均包含可與所述控制端、所述電源輸 出端相連接的第一觸點和第二觸點;所述第一高速模擬開關的第二觸點和所述第二高速模 擬開關的第一觸點相交形成一交點，所述交點分別與所述電容的一個極板和所述A/D轉換 器的一端電連接，所述電容的另一個極板與所述電源地相連接;所述A/D轉換器的另一端與 所述單片機的一端相連接，所述單片機的另一端與所述第二高速模擬開關的控制端相連 接； 其中，所述D型觸發器的引腳一用于接收觸發信號，所述D型觸發器的引腳六用于接收 清零信號，所述D型觸發器的引腳二、引腳七和引腳八用于外接電源。2. 根據權利要求1所述的用于時差測量的電路結構，其特征在于:還包括運算放大器， 所述運算放大器包括正輸入端、負輸入端和輸出端。3. 根據權利要求2所述的用于時差測量的電路結構，其特征在于:所述輸出端與A/D轉 換器的一端電連接，所述A/D轉換器的另一端則與所述單片機的一端電連接，所述單片機的 另一端與所述第二高速模擬開關的控制端相連接。4. 根據權利要求3所述的用于時差測量的電路結構，其特征在于:所述負輸入端與所述 電源地連接，所述正輸入端與所述第一高速模擬開關的第二觸點和所述第二高速模擬開關 的第一觸點相連接，所述輸出端與所述負輸入端相連接。5. 根據權利要求4所述的用于時差測量的電路結構，其特征在于:所述第一高速模擬開 關的電源輸出端和所述電源之間、所述D型觸發器的引腳五和所述第一高速模擬開關的控 制端之間、所述運算放大器的負輸入端和所述D型觸發器的引腳四之間、所述第一高速模擬 開關的第二觸點與所述第二高速模擬開關的第一觸點所述交點和所述運算放大器的正輸 入端之間、所述運算放大器的負輸入端和輸出端之間均串聯有負載電阻，其阻值分別為R1、 R2、R3、R^PR5。6. 根據權利要求1-5任意一項所述的用于時差測量的電路結構，其特征在于:所述D型 觸發器的型號為NC7SZ74的一種高速D型觸發器。
【文檔編號】G05B19/042GK205581570SQ201521034793
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年12月14日
【發明人】張劍, 姚旺, 單玉堂, 俞大海, 王冠
【申請人】天津光電高斯通信工程技術股份有限公司