實時溫度補償的TDC時間間隔測量方法設計與實現

馬 成,陳華明,龔 航,孫廣富

(國防科學技術大學電子科學與工程學院衛星導航定位技術工程研究中心,湖南 長沙 410073)

0 引 言

在GNSS系統中,高精度的時間間隔測量技術在時頻基準完好性監測上有著重大意義。近年來基于時間數字轉換(TDC)芯片的精密時間間隔測量技術是研究的熱點,美、日、歐等國家均對此做了大量研究,他們利用在集成電路領域的優勢,發展了大量成熟的TDC測量芯片,分辨率一般在15 ～25 ps之間[1-2].

TDC測量的優點是成本低、技術簡單、集成度高、功耗低、性能穩定且表現出很好測量精度[1-4].但由于電路元件存在固有的溫度敏感性[3-4],導致時間間隔測量結果存在較強的溫度相關性,引起測量誤差,需要反復的校準。

針對TDC時間間隔測量中的溫度誤差,提出了一種TDC溫度補償方案,解決時間間隔測量受溫度影響的問題。

1 方法原理

1.1 TDC時間間隔測量原理

TDC時間間隔測量的實現原理如圖1所示[3,5]。 TDC測量一般至少存在兩個輸入通道fch1和fch2,測量開始后fch1、fch2通過檢測器產生的觸發脈沖輸入、接著鑒別器利用脈沖信號邊沿達到預先設定的門限的時刻產生Start開門和Stop關門脈沖,再通過時間數字轉換得到開閥門到關閥門累計時標τ的二進制計數個數N,通過計算可以求得信號之間經過的時差T,完成本次時間間隔測量。

圖1 TDC時間間隔測量實現原理

實現TDC的方法有很多,如計數器方式、電流積分方式、數字時延線方式、延遲鎖定環方式[6]等。圖2示出了一種基于數字時延線結構的TDC基本結構[3，6],圖中每兩個基本的CMOS反向門和1個D觸發器組成一個延時單元,每個延時單元的時延固定且相同(精度在ps量級),起始脈沖信號沿延遲線傳播,當終止脈沖來到時,經過若干延時單元到達相應的抽頭處的起始脈沖信號被記錄入寄存器,由此即可測得時間間隔。

圖2中,假設每個延時單元的時延值為τ,寄存器記錄的Start脈沖信號和Stop脈沖信號經過的時延單元數為N,時間間隔測量值為T,則

T=N×τ，

(1)

圖2 數字時延線結構的TDC原理

電子測量誤差來源按其性質和特點可分為系統誤差、隨機誤差和粗大誤差三種[7],在TDC測量中隨機誤差通過多次等精度測量平均減少,粗大誤差通過閾值判決剔除,系統誤差是TDC測量分析的重點。

根據圖2測量原理及參考文獻 [8]～[10]，系統誤差來源有電源電壓、環境溫度、信號源噪聲、觸發電平、系統布線、系統時鐘、通道時延等,主要誤差源為延時單元的時延值τ隨溫度變化的波動。因此,需要對TDC的測量結果進行溫度補償。

1.2 TDC溫度補償方法原理

TDC的測量誤差與溫度存在較強的相關性[4],根據這種相關性提出一種溫度補償方法。實現原理如圖3所示,被測輸入信號為f1、f2,測量前先將f1功分為2路,進Stop1通道前的功分信號需要增加一段固定時延線用于滿足TDC最小測量范圍及零值校準;將3路輸入信號接入TDC測量單元的Start、Stop1、Stop2通道,同時時間同步單元利用參考時鐘fc產生本地時間戳;當TDC時差測量和溫度測量開啟后,時間同步單元給每一個輸出觀測量記錄對應時刻,并將輸出的時差Yt、T1-2和溫度Xt進行實時對齊后輸入到誤差傳遞函數模塊和實時溫度補償模塊,其中Yt表示TDC測量的Start開門信號至Stop1關門信號的時差原始觀測量、T1-2表示TDC測量的Start開門信號至Stop2關門信號的時差原始觀測量;接著,誤差傳遞函數模塊利用前N個點觀測量時差Yt、溫度Xt為取樣窗口擬合溫度與通道1時差的誤差傳遞函數,另外,誤差傳遞函數會通過取樣窗口實時滑動自動更新;最后利用實時更新的誤差傳遞函數和當前測量溫度對當前測量的T1-2(t)進行補償,輸出f1至f2的時間間隔值ΔT.

圖3 TDC溫度補償方法原理

具體來說,文中的TDC溫度補償方法是基于通道1同源測量的前n個點觀測量的誤差預報對通道2當前測量值實時溫度補償實現的。

假設,在一段時間戳完全同步的時間段t,溫度測量單元輸出的前N個觀測量的時間序列為Xt,同時TDC測量單元通道1輸出的前N個觀測量的時間序列為Yt,Xt和Yt以等間隔h輸入到誤差傳遞函數模塊中,從而得到由雙變量過程產生的一對離散時間序列,將時間序列在時刻t0+h,t0+2h,…,t0+Nh的值記為(X1,Y1),(X2,Y2),…,(XN,YN).

設Xt序列隨時間變化的函數為xt,設Yt隨時間變化的函數為yt,由于xt、、yt、的時刻一一對應,所以可以根據前N個觀測量,以溫度值為x坐標,TDC原始觀測量為y坐標,擬合出溫度與TDC原始觀測量的相關函數，記為

y=f(x).

(2)

由于Yt測量的輸入信號同源,且在GNSS時頻基準系統中輸入信號f1的頻率穩定度<1×10-10@1s.在對TDC測量結果進行實時補償時需要一個補償的參考原點,由式(2),不妨設在溫度x=C0時,測量通道1的時間間隔值真值為常數y=A,即(C0,A)為補償的參考原點。

設在t時刻,實時測量的溫度為Ct,由公式(2)求推導出的對應TDC測量計算值為Tt、原始測量值偏離真實值的誤差為δt,則

(3)

設在t時刻,TDC實時測量輸出的通道2時差原始觀測量為T1-2,原始測量值偏離真實值的誤差為δ,實時補償后輸出的時間間隔值為T,由于TDC測量通道1和通道2的電路特性相同,可以認為通道2的溫度測量誤差和通道1相同,則有:

T=T1-2-δ=T1-2-δt

=T1-2-f(Ct)-A.

(4)

由式(4)即為得到通道2實時溫度補償后輸出的f1至f2的時間間隔。

2 實現流程

以上討論了利用溫度測量數據對TDC時間間隔進行實時補償的方法原理,其實現流程如圖4所示。具體實現步驟為:1)開啟TDC測量和溫度測量;2)實時給每一個輸出到數據處理前的TDC觀測量和溫度觀測量打上對應的時刻信息;3)同步每組TDC和溫度觀測量對應的時刻信息;4)取t時刻前等間隔的N個TDC通道1原始觀測量和溫度觀測量為樣本,擬合公式(2)溫度與測量值的關系函數;5)利用公式(4)對TDC通道2的原始觀測量進行實時溫度補償;6)t時刻輸出f1和f2補償后的時間間隔測量值;7)滑動取樣窗口N,更新誤差傳遞實驗,進行下一次溫度補償。

圖4 TDC溫度補償方法實現流程圖

3 實驗與結果分析

1)測試平臺

為了驗證方法的性能,搭建了測試平臺,如圖5所示。TDC測量模塊、溫度測量模塊及ARM數據處理模塊集中在一塊測量板卡上,其中TDC芯片測量分辨率典型值為90 ps(RMS),溫度測量模塊的測量精度為±0.5℃,ARM數據處理模塊用于對觀測量進行同步處理,溫度控制臺為一個具備加熱功能的風機; SR620為一個高精度的時間間隔計數器,測量分辨率為25 ps(RMS),用于測量溫度擬合曲線,并對溫度補償結果進行對比測試驗證; PC監控計算機用于記錄測試數據。

圖5 溫度補償驗證測試平臺連接圖

2)實驗結果與分析

圖6示出了無溫度補償實時測試輸出的結果。

圖6 TDC無溫度補償測量結果與SR620測量結果對比

從圖6可以看出, TDC的原始測量值受溫度影響很大。當外部環境溫度不斷上升時,由于時間間隔測量采用的延遲器件受溫度影響,延遲時間減小,從而時間間隔值減小,曲線成下降趨勢;溫度下降時,延遲時間增加,從而時間間隔值增加,曲線成上升趨勢;當溫度達到動態平衡時,時間間隔值也趨于穩定。

圖7示出了由TDC的通道1原始測量值和溫度值。由公式(2)擬合的函數y=f(x).

圖7 函數y=f(x)曲線

從圖中測試結果和擬合的誤差函數表明, TDC通道1的原始觀測量值和溫度變化兩者關系為負線性相關。圖8示出了利用公式(4)進行實時補償后的測試結果。從圖8的實測結果可以得出,對TDC通道2原始測量值進行溫度補償后,其測得的時間間隔值明顯得到改善,幾乎不受溫度影響。在連續4 h的測試樣本中,TDC通過補償后測量值的標準偏差由未補償的270 ps降低到了76 ps,TDC測量精度得到較大改善。

圖8 TDC 溫度補償后實測結果與SR620測量結果對比

4 結束語

根據TDC測量誤差的主要來源,提出了一種TDC時間間隔實時溫度補償的方法,給出了具體的實現原理,通過實驗及實測數據分析對方法進行了驗證,結果表明本方法可以實時補償TDC由于溫度變化造成的測量誤差,使得時間間隔測量精度得到較大改善,該方法對基于TDC的高精度時間間隔測量具有一定應用價值。

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