基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度時間基準測量系統的設計*

崔永俊,劉 陽,楊 兵

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度時間基準測量系統的設計*

崔永俊1,2*,劉 陽1,2,楊 兵1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對目前精密時間基準測試儀測量精度低、分辨率低、測量范圍小、設計復雜等不足,結合最新的時間-數字轉換技術,設計了基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度時間基準測量系統。結合FPGA和上位機,在簡化設計的基礎上實現了時間基準偏差的高精度、高分辨率、大量程連續測量。經過測試,系統測量量程為1 ns～1 s,時差測量分辨率達到100 Ps,精度達0.001 5%±0.3 ns,滿足設計要求。

高精度基準偏差測量;TDC-GP2;銣原子鐘;直接脈沖計數法

精密時間基準測試儀主要針對航天戰略技術武器型號研制需求以及發射場精確時間同步的要求,為其在研制和試驗的各個階段提供高精度的時間基準和頻率信號,精確測量各測控設備與時統中心站時間基準的延遲時間間隔,保證靶場試驗的各測控設備之間實現高精度時間同步。精確的時間間隔測量技術,尤其是皮秒(1 ps=10-12s)量級的測量技術對國民經濟和國防建設有重大意義[1],它廣泛應用于原子物理、天文實驗、激光測距、通信、雷達、衛星導航、定位定時、航天遙測遙控和軍事等領域[2]。目前國外的技術和產品具有顯著優勢,HP公司生產的時間間隔計數器HP5371分辨率達200 ps,HP5360分辨率達100 ps,商用計數器SR620的最高分辨率可達25 ps[3]。國內的技術和產品還很薄弱,普遍存在精度和分辨率不高,測量范圍小、設計復雜等問題。

針對上述問題,設計了基于銣原子鐘和雙TDC-GP2芯片的高精度時間基準測量系統。采用小型銣原子鐘為系統提供基準信號,在簡化設計的基礎上實現本地守時信號和授時基準信號偏差的高精度、高分辨率、大量程連續測量。

1 高精度時間基準測量系統總體方案

1.1 高精度時間基準測量系統結構設計

高精度時間基準測量系統設計思路如圖1所示,系統主要由銣原子鐘信號輸入模塊、時間間隔測量模塊、FPGA時序控制及數據處理模塊、電源隔離模塊、ARM人機交互模塊五部分組成。

圖1 高精度時間基準測量系統結構設計模塊圖

1.2 高精度時間基準測量系統工作原理

時間-數字轉換技術TDC(Time-to-Digital Converter)是指將時間間隔轉換為數字信號的一種技術方法[4]。TDC-GP2是德國ACAM公司繼TDC-GP1后新推出的一款高精度時間間隔測量芯片,以COMS處理器實現的數字化傳播時間應用為基礎,擁有高精度測時分辨率[5]。

圖2 高精度時間基準測量系統工作原理示意圖

高精度時間基準測量系統采用粗測量和精測量結合的方法測量基準授時信號與本地守時信號之間的時間偏差,如圖2所示。設開始(Start)信號為GPS基準授時信號,截止(Stop)信號為本地守時信號,TX即為所測偏差,高精度銣原子鐘提供10 MHz基準頻率信號CLK。將Start信號和Stop信號投影在基準脈沖信號CLK上,TX被分解為T1、T2和T33段,T1、T2為精細測量部分,T3為粗測量部分。粗測量T3通過直接脈沖計數法實現,采用FPGA片內高速計數器對授時信號與守時信號之間的基準頻率信號上升沿進行計數,實現了大量程測量[6]。精細測量T1和T2采用兩片TDC-GP2設計兩個獨立的精密時間間隔測量電路,保證系統具有高精度、高分辨率。GPS授時信號秒脈沖(PPS)觸發則進行一次測量,FPGA提供高邏輯電平控制持續測量,直到檢測到低電平截止信號時停止測量,TDC每次測量完要再次開始測量時為其提供復位信號,實現了時間間隔的連續測量。

CLK的周期為T,計數為n,精細測量部分延遲單元的延遲為τ,得TX的計算式(1):

Tx=T3+T1-T2=n·T+(M-N)·τ

(1)

2 高精度時間基準測量系統硬件電路設計

系統硬件電路主要分為銣原子鐘信號輸入模塊、時間間隔測量模塊、ARM人機交互模塊3部分。

2.1 銣原子鐘信號輸入模塊

在采用數字集成電路實現時間到數字的轉換時,需要時間穩定性和溫度穩定性都非常好的時間頻率基準源,傳統晶體振蕩器產生信號精度低、長期穩定性差,不能滿足要求[7]。采用小型銣原子鐘PRS10為系統提供10 MHz頻率的高穩基準信號,PRS10具有體積小、低漂移、低相噪、高穩定度等優點[8]。銣原子鐘信號輸入模塊電路設計如圖3所示。利用LED燈指示銣原子鐘是否處于穩定輸出狀態。當銣原子鐘未鎖定時,J100的LOCK/1PPS管腳輸出一個5 V的高電平,鎖定后連續輸出秒脈沖,使電磁繼電器HS-212的4管腳導通,LED燈點亮。當銣原子鐘處于穩定輸出狀態時,PRS10產生的10 MHz的差分信號由J100管腳輸出,通過T100變頻放大之后送入倍頻器。T100是中頻變壓器,額定頻率是10.7 MHz,在輸出端接一個27 pF的去耦電容,使輸出頻率能精確到10 MHz。

圖3 銣原子鐘信號輸入模塊電路設計

2.2 時間間隔測量模塊

時間間隔測量模塊分為3部分:兩個精細測量部分T1和T2,一個粗測量部分T3。

精細測量:由兩片TDC-GP2芯片TDC1和TDC2實現兩個獨立的精細時間間隔測量電路。TDC-GP2芯片主要由TDC時間間隔測量單元、主控制器單元、溫度測量單元和ALU處理器等部分組成,能實現高精度時間間隔測量,雙通道、單通道測量分辨率均可達到65 ps[9]。銣原子鐘提供10 MHz基準頻率信號,TDC1測T1,Start信號為衛星授時脈沖信號;TDC2測T2,Start信號為本地守時脈沖信號;兩路Stop信號分別為各自Start信號緊接著的基準頻率信號。TDC-GP2有兩個測量范圍,采用測量范圍1,即雙通道測量,兩個Stop通道共用一個Start通道,測量范圍為0～1.8 μs。TDC1的外圍電路設計如圖4所示。

圖4 TDC-GP2外圍電路設計

使用Start和Stop1通道,Stop2通道截止,通過下拉電阻防止信號干擾,將En_Start和En_Stop1端置1,En_Stop2端接地。TDC的SPI接口包括SSN、SCK、SI和SO 4個端口,同時將TDC的中斷信號端INTN分別與FPGA的I/O端連接,FPGA通過SPI總線實現TDC芯片的參數配置和結果數據輸出。粗測量:由FPGA及其外圍電路組成。

2.3 ARM人機交互模塊

ARM人機交互模塊基于OK335XD開發板開發而成,采用TI公司Sitara系統的ARM處理器AM335X。時間間隔測量模塊與ARM模塊的通信采用RS232串口模塊實現,采用MAX3245實現電平轉換。

3 高精度時間基準測量系統軟件設計

系統軟件設計包括TDC-GP2參數配置及測量流程、高速計數器設計兩部分。FPGA通過SPI總線對兩片TDC-GP2芯片和片內高速計數器的邏輯控制實現基準時間偏差測量。

3.1 TDC-GP2參數配置及測量流程

TDC-GP2作為系統的核心部件,對其配置和控制的好壞直接影響測量結果的準確性,兩片TDC-GP2參數配置一致。TDC-GP2有6個24位寄存器Reg0～Reg5,采用8位操作碼對寄存器進行讀寫。TDC-GP2測量流程圖如圖5所示。

圖5 TDC-GP2測量流程圖

設置TDC-GP2的工作模式為測量范圍1,Stop1通道對應Start通道進行兩次采樣,上升沿觸發。每輪測量開始時都進行時鐘校準,設置參考時鐘內部分頻器為1,定義ALU數據處理公式為1.Stop Ch1-Start和2.Stop Ch2-1.Stop Ch1,中斷源設置為ALU空閑或TDC單元溢出。每次配置之前發送復位信號0x50,然后發送6個寄存器寫寄存器命令為:

Reg0:0x80008660

Reg1:0x81014200 0x81124200

Reg2:0x82c00000 Reg3:0x83180000

Reg4:0x84200000 Reg5:0x85080000

系統有兩次采樣,ALU每次只允許計算一次采樣,需要向Reg1中寫入新的命令指示ALU計算其他采樣,因此對Reg1配置進行兩次編碼。每次獲得時間間隔2配置寄存器之后,將寄存器配置為原來的參數,從而實現了測量的循環進行,即系統要求得連續測量。

3.2 高速計數器設計

系統通過FPGA片內編程設計高速計數器實現粗時間間隔測量,如圖6所示,利用100 MHz晶振對10 MHz的基準脈沖進行計數。計數器的位數為32位,擴展時間間隔測量范圍為0～1.5 s。

gener_count通過對截止信號進行10個計數周期的延時,判斷提取沿邊獲得一個對應時間間隔的高電平en_count,通過兩個計數單元分別計數,gener_data根據en_count的電平置低,讀取兩個計數模塊count_rising的計數,減去延時的10個計數周期后輸出,即計數結果減1。

其中count_rising模塊通過8位計數器和16位計數器串聯獲得,實現對10 MHz的上升沿進行計數的功能。

圖6 高速計數器程序結構圖

4 高精度時間基準測量系統測試結果

高精度時間基準測量系統的時間間隔等于精細時間加粗時間,而量程的擴展主要和粗時間有關,通過擴展計數器的位數來實現,經驗證系統測量范圍可達1 ns～1 s,遠遠超過了單片TDC-GP2的測量范圍0～1.8 μs。

系統的量程為1 ns～1 s,因此取量程內1 ns、1 μs、1 ms和1 s 4個時間間隔進行測量,數據如表1所示。

表1 時間間隔測量分辨率數據記錄表

表1中,預測計數器的最大測量值是根據計數器的性能指標計算計數器可能的最大偏差,如果超出則技術錯誤;實際偏差為計數器與本系統測量數值之間差值的標準差;預測偏差為按照系統的精度公式計算的最大偏差值,如果超出則認為系統不能達到要求的性能指標。觀察表1可知,計數器的測量值顯示時間間隔在1 ms與1 s時波動比較大,而在1 ns和1 μs時波動并不明顯。通過對比理論的偏差最大值與實際偏差最大值可知,實際偏差最大值符合理論偏差的0.001 5%±0.3 ns,因此實現了全量程高精度時間間隔的測量。

系統的分辨率主要與TDC-GP2有關,系統由兩片TDC-GP2分別實現精細時間測量,單片TDC-GP的典型分辨率為50 ps,理論上系統測量分辨率為100 ps,并且對結果進行數據處理之后,系統的分辨率將會提高。采用步進的方法,每次時間間隔遞增100 ps進行測量,記錄如表2所示。分析數據可知,系統可以達到100 ps的時間間隔分辨能力。

表2 時間間隔測量分辨率數據記錄表

在測量結束后,通過USB接口將測量的中間數據以及輸出的結果數據傳輸到EXCEL表格中通過公式計算進行數據分析。計算原始測量數據,并與輸出結果數據進行比對,如圖7所示。可以看出輸出數據與原始數據相比,剔除了粗大值,并通過均值濾波在保留數據細節的情況下平穩輸出。

圖7 時間間隔測量原始值與輸出值對比

對輸出結果數據進行分析,數據頻度與正態分布相吻合,驗證了時間間隔測量數據大致上符合正態分布的判斷,如圖8所示。

經過實驗驗證,高精度時間基準測量系統可以實現對本地時間基準的時間間隔測量,并且結果數據的輸出也在保留數據細節的情況下減小了干擾對系統的影響。

圖8 數據時間間隔數據的分布情況

5 結束語

為了實現靶場試驗中本地守時信號和授時基準信號時間偏差的高精度測量,設計了一種基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度、高分辨率、大量程連續測量的時間基準測量系統。測試結果表明,系統測量量程可達1 ns～1 s,分辨率達100 ps,精度達0.0015%±0.3 ns,滿足高精度時間基準測量系統的要求。

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[9] ACAM公司. TDC-GP2 Datasheet[EB/OL]. http://www.acam.de,2007.

TheDesignofHighprecisionTimeReferenceMeasurementSystemBasedonRubidiumDisciplinedCrystalOscillatorandDoubleTDCGP2*

CUIYongjun1,2*,LIUYang1,2,YANGBing1,2

(1.National key laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test,North University of China,Taiyuan 030051,China;)

Combined with the latest Time-to-Digital Converter technology,a high-precision time reference measure-ment system design is put forward,which is based on rubidium disciplined crystal oscillator and double TDC-GP2 for the problem of the low precision,low resolution,small measuring range and design complex of the precision time benchmark for the moment. Combined with FPGA and PC then the high precision,high resolution and large range continuous measurement of the time base error were realized based on simplified design. After testing,the system measurement range is 1 ns～1 s,the resolution reaches 100 ps,the precision up to 0.001 5%±0.3 ns,which meets the design requirements.

high-precision standard deviation measurement;TDC-GP2;rubidium disciplined crystal oscillator;direct pulse counting method;

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.005

項目來源:國家自然科學基金項目(61335008)

2016-07-05修改日期2016-09-01

TM935

A

1005-9490(2017)05-1072-06

崔永俊(1973-),男,漢族,山西忻州人,中北大學儀器與電子學院,博士,副教授,主要從事納米測試技術與儀器方向的研究,annayucyj@nuc.edu.cn;

劉陽(1992-),女,漢族,山西長治人,中北大學儀器與電子學院,在讀碩士研究生,主要從事動態測試與智能儀器方向的研究,2193580481@qq.com。