一種數字時鐘的校準方法及驗證裝置

張 宇， 陳 靜， 龍 波， 黃徐瑞晗， 王菊鳳， 韓 鋒， 沈 力

(1. 貴州省計量測試院，貴州 貴陽 550003;2. 貴州省機械電子產品質量檢驗檢測院，貴州 貴陽 550081)

1 引 言

數字時鐘是以數字形式顯示當前時刻(年、月、日、時、分、秒)的裝置，采用石英晶體振蕩器或原子頻率標準作為內部振蕩器，可通過互聯網、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)、外接參考時鐘信號等方式進行時間同步，廣泛應用于醫療、金融、高鐵等行業，在計量領域的檢定或校準需求不斷增加。近年來，數字時鐘的守時和同步技術得到快速發展，利用鎖相環技術對內部晶振微調和修正，使守時精度優于±1 ms/d，同步精度優于200 ns[1～5]。

數字時鐘的檢定或校準，要解決當前時刻示值與標準時間的時間偏差、守時能力、同步前后的偏差等問題，時間偏差是目前數字時鐘在各行業領域較為關心的指標。現行國家計量檢定規程對標準數字時鐘的測量方法主要是對其頻率和秒脈沖(1 Pulse Per Second，1PPS)輸出接口進行測量，解決了守時能力(鐘速、頻率長期參數)、同步偏差、定時穩定度和延時量的測量問題，而未能有效解決數字時鐘當前時刻示值與標準時間的時間偏差問題。由于同步偏差和定時穩定度是基于測量秒脈沖信號的計量特性，并且同步偏差的測量方法從原理上存在的問題是不能保證數字時鐘當前時刻示值與輸出的秒脈沖信號對應，無法代表數字時鐘當前時刻的示值與標準時間的時間偏差，對數字時鐘的時間偏差無法定量測量[6]。

因此，為解決數字時鐘時間偏差的測量和校準問題，需對數字時鐘顯示單元進行檢測，產生秒脈沖信號;該秒脈沖信號即代表數字時鐘的時刻信號，再將此信號與參考秒脈沖信號進行比較，最終得到數字時鐘當前時刻的時間偏差，對不具備頻率和秒脈沖信號輸出接口的數字時鐘同樣適用。

對數字時鐘顯示單元的檢測，若采用圖像或視頻識別技術對數字時鐘進行識別檢測，雖識別率較高，但該技術屬于滯后識別，以此產生的秒脈沖信號具有不固定延時，難以代表數字時鐘的秒脈沖信號[7～9]。

由于數字時鐘的顯示單元具有光電特性，光敏電阻和光電二極管作為光電轉換器件已得到廣泛應用[10～12]。但光敏電阻存在延時特性，不同光照度會影響光敏電阻的響應時間，通常呈非線性[13]，響應時間在毫秒級；但光電二極管中其中一種PIN結光電二極管，響應時間在納秒級[14]，已能滿足用于測量數字時鐘的要求。

2 數字時鐘顯示原理

數字時鐘通過內部晶振或原子頻標產生準確的頻率振蕩信號，供內部計數單元進行以某一時刻為起始點的累積計數，最終以年、月、日、時、分、秒的數字方式在顯示單元進行顯示，具有外部時間同步信號輸入接口，使其時刻與外部參考時間進行同步。通常數字時鐘的顯示單元由數碼管組成，數字時鐘組成框架如圖1所示。

圖1 數字時鐘組成框架Fig.1 Framework of digital clock

2.1 響應時間

數字時鐘顯示單元的數碼管由七段發光二極管(light emitting diode, LED)組成，一般分為共陽極數碼管和共陰極數碼管，可顯示數字0～9，數碼管的亮滅由數字時鐘內部所施加的電壓和電流決定。由于LED本質是一個PN結，在點亮或熄滅時存在響應時間，如圖2所示。

圖2 LED響應時間示意圖Fig.2 Response time of LED

通常，用上升時間Tr和下降時間Tf來表征LED的響應時間，Tr代表LED施加正向導通電流時，光照度由10%上升到90%的時間間隔，Tf代表LED無電流流過時，光照度由90%下降到10%的時間間隔。帶來LED響應時間的因素很多，如元器件的材料，結電容等，但總體響應時間短，不超過100 ns[15,16]。

2.2 顯示邏輯

數字時鐘通過施加在七段LED(用字母a～g表示)上的不同信號，從而顯示出0～9的數字，如共陽極數碼管，要顯示數字“0”，應分別給a～g施加0、0、0、0、0、0、1(0代表低電平點亮，1代表高電平熄滅)，則數字時鐘的秒位數碼管從數字“0”到“9”的信號波形如圖3所示。

圖3 數字時鐘秒位數碼管信號波形Fig.3 Signal waveform of digital clock LED on second unit

從圖3可知，秒位數碼管在數字跳變時，某段LED的亮滅呈現出電壓信號的上升沿或下降沿，因此，檢測LED的上升沿或下降沿成為最終產生秒脈沖的基礎。從波形可知，僅檢測LED的上升沿或下降沿不可行，如由數字“0”跳變到數字“1”時，只存在上升沿；由數字“7”跳變到數字“8”時，只存在下降沿。

若同時檢測七段LED信號的上升沿和下降沿，將導致重復檢測信號(不同段LED在數字跳變時，同時產生的上升沿和下降沿均算重復檢測信號)的產生，最壞情況下在一次數字跳變中產生4個重復檢測信號，互相干擾，造成干擾的因素主要由LED的響應時間以及檢測方法對該響應時間的擴大。通過觀察波形，在某些數字產生跳變時，僅有一段LED的信號出現上升沿或下降沿，如由數字“8”跳變到數字“9”時，僅有e段LED信號發生改變，呈上升沿r1；由數字“5”跳變到數字“6”時，僅有e段LED信號發生改變，呈下降沿r2，則e段LED必須被檢測。由于從數字“0”開始跳變再回到數字“0”的過程中，e段LED已產生了8個檢測信號，僅剩數字“3”跳變到數字“4”和數字“4”跳變到數字“5”的檢測信號需從其他段LED選取，選取原則為與e段LED重復檢測信號數最少，滿足條件的有b段LED的上升沿r3，a段LED的上升沿r4、r5，只有r5與e段LED重復，且僅在由數字“0”跳變到數字“1”時發生，相比同時檢測七段LED的信號，最大程度減少了重復檢測信號的產生，保證最終發生秒脈沖的精度，因此用3個光電轉換器即可進行檢測。

3 數字時鐘校準方法及驗證裝置

3.1 數字時鐘校準方法

為了對數字時鐘當前時刻的時間偏差進行測量，需設計秒脈沖發生裝置，用于檢測數字時鐘的顯示單元，并產生秒脈沖用于測量和驗證，校準方法示意圖如圖4所示。

圖4 校準方法示意圖Fig.4 Diagram of calibration method

數字時鐘上電后，通過外部時間同步信號進行時間同步，待同步完成后，將驗證裝置(秒脈沖發生裝置)置于數字時鐘顯示單元上方，用于檢測的光電轉換器正對顯示單元的LED，調整秒脈沖發生裝置的位置，直到輸出的1PPS信號穩定。

將秒脈沖發生裝置產生的1PPS信號作為時間間隔測量儀的時間間隔測量停止信號端，由參考時間頻率源輸出的1PPS信號作為時間間隔測量儀的時間間隔測量啟動信號端，設置時間間隔測量儀信號輸入的相關參數，啟動時間間隔測量，其測量結果即數字時鐘當前時刻與參考時間的時間偏差，根據需要，將秒脈沖發生裝置的延時扣除。此外，可根據測得的時間偏差計算其它計量特性。

對于秒級分辨力以上的時間偏差測量，第一種方法將秒脈沖發生裝置做到可以同時檢測數字時鐘顯示單元的年、月、日、時、分、秒，并由參考時間頻率源提供時刻信息，將二者時刻進行比較，秒級以上時差測量結果顯示在秒脈沖發生裝置上，也可集成時間間隔測量功能；第二種方法通過觀察數字時鐘與標準時間秒級以上的時間偏差，由于秒級以上的顯示跳動校慢，便于分辨。

3.2 校準方法的驗證裝置

數字時鐘采用的LED波長一般在700 nm以下，用PIN結硅光電二極管進行檢測，可在該波長范圍內進行響應，響應時間在納秒級，將LED的亮滅信號實時轉為電信號。

硅光電二極管與光敏電阻的工作原理不同，光敏電阻受光照度的影響，實現電阻可變的功能，因此光敏電阻在接入電壓后，反映為電壓的變化，可直接作為比較器的輸入；而硅光電二極管在無光照情況下，只產生極微弱的暗電流，一般小于0.1 nA，在有光照情況下，會使流過PN結的電流增加，形成光電流，反映為電流的變化，但產生的光電流也很微弱。因此需將硅光電二極管進行電流-電壓轉換，使光電流放大轉換成線性電壓信號。

為了適應不同光照度檢測環境和不同數字時鐘，光電流經放大轉換后的信號接入比較器進行電壓比較。高速電壓比較器響應速度快，傳播延遲在納秒級。

當電壓比較器輸出周期性的高、低電平后，用D觸發器將正脈寬減小，再將4路信號經過或門，最終形成秒脈沖輸出。驗證裝置(秒脈沖發生裝置)原理如圖5所示。

圖5 驗證裝置(秒脈沖發生裝置)原理圖Fig.5 Diagram of testing device (1PPS generator)

3.3 跳變檢測

跳變檢測電路如圖6所示，用于檢測數碼管a段LED的跳變。

運算放大器U1工作在單電源模式，給運算放大器的同向端加入偏置電壓，使硅光電二極管在無光照情況下處于零點，不會出現硅光電二極管在響應時由負電源帶來的附加延時，并且該偏置電壓也出現在硅光電二極管上形成反向偏置，減小結電容，提高運行速度。運算放大器輸出電壓為：

(1)

式中：IIPD為硅光電二極管光電流，在該電路下，取R1=R2，則式(1)化簡為：

(2)

圖6 數字時鐘跳變檢測電路Fig.6 Jump detection circuit of digital clock LED on second unit

通過調整電阻R10的阻值，改變運算放大器的放大倍數，若采用前置預放大和二次放大方案，會將R10產生的噪聲也進行放大，噪聲性能差。設計進行一次放大，直接得到所需的輸出電壓，則R10的計算公式如下：

(3)

式中：IIPD(max)為硅光電二極管最大光電流;VAMP(min)為偏置電壓(包含對暗電流補償);VAMP(max)為運算放大器輸出的最大電壓。

隨著反饋電阻R10不斷增加，運算放大器的帶寬響應頻率則會減小，其帶寬計算公式見式(4)，反饋電容C9可由式(5)得到：

(4)

(5)

式中： f-3dB是運算放大器的-3dB帶寬響應頻率;fGBW為運算放大器的增益帶寬積;CD包括硅光電二極管的結電容、反饋電容C9、運算放大器差模和共模輸入電容以及電路寄生電容。因此要使得f-3dB帶寬夠大，響應速度快，應選擇fGBW足夠大的運算放大器以及結電容小的硅光電二極管。若硅光電二極管產生的輸入信號很小，為保證帶寬響應頻率，必要時可采用二次放大方案。

當IIPD(max)為60μA、VAMP(max)為5V時，運算放大器輸出曲線如圖7所示。

圖7 運算放大器輸出曲線Fig.7 Output curve of operational amplifier

將運算放大器的輸出電壓VAMP接入電壓比較器U2的反向輸入端，電壓比較器同向輸入端閾值電壓為VTH。通過計算，當電位器R8阻值范圍在0～5 kΩ以及R9阻值為20 kΩ時，VTH在4～5 V范圍內可調，調整R8使VTH為4.5 V，則VAMP與VTH的關系如圖8所示，VAMP與電壓比較器輸出電壓VA的關系如圖9所示，跳變檢測電路的響應時間如圖10所示。

圖8 VAMP與VTH的關系Fig.8 The relationship between VAMP and VTH

圖9 VAMP與VA的關系Fig.9 The relationship between VAMP and VA

圖10 跳變檢測電路的響應時間Fig.10 Response time of jump detection circuit

圖10中，t1為運算放大器的建立時間，t2為高速電壓比較器的傳播延遲，根據所選擇的放大器和比較器型號不同，t1和t2隨之改變。

3.4 秒脈沖產生

LED跳變檢測后產生的脈沖，需改變其脈寬，以秒脈沖形式表達時鐘的跳變信號。利用D觸發器的清零端，并結合電阻-電容電路(resistor-capacitance circuit, RC)，實現秒脈沖的產生[17]，如圖11所示。

圖11 秒脈沖發生電路Fig.11 Generation circuit of 1PPS

硅光電二極管產生的光電流經電流-電壓轉換、電壓比較后，輸出高/低電平(如VA)，作為D觸發器時鐘端(CLK)的輸入，5 V直流電壓信號作為D觸發器D端的輸入，R16與C11組成RC電路，當VA由低電平變為高電平時，Q端輸出為高電平，RC電路的充電時間即為輸出脈沖a1的脈寬。C11完成充電后，D觸發器的清零端(R)為低電平，使D觸發器Q端清零(低電平)。RC電路中的電阻和電容的精度會影響脈沖寬度的穩定性，但不會對脈沖的產生造成延遲，該秒脈沖發生方法適用于對脈寬要求不高的場合。由于D觸發器的傳播延遲在納秒級，因此對于關注秒脈沖時差的場合，該方法較適用。

對于檢測e段LED產生的脈沖，除了在其上升沿時產生脈沖，還應在其下降沿時產生脈沖，因此，檢測e段LED產生的脈沖，一路采用圖11所示的電路連接，另一路先經過反相器反相，再接入如圖11所示D觸發器的時鐘端。

將數碼管a段、b段、e段(含兩路)對應產生的4路脈沖進行合成，采用或門將4路信號取“或”運算，最終產生一路秒脈沖信號，用于表示數字時鐘的秒脈沖。

4 實驗結果及分析

4.1 秒脈沖發生裝置的延時

實驗設計電路圖，并制作印制電路板(printed circuit board, PCB)進行實驗，測量秒脈沖發生裝置的延時，分析其不確定度，實驗方案及所用儀器設備如圖12所示。

圖12 實驗方案圖Fig.12 Diagram of experimental scheme

實驗用銣頻標(型號：TR2004D)的相對頻率偏差為5×10-11，提供參考頻率信號給函數發生器(型號：33250A)和通用計數器(型號：53230A)。函數發生器輸出周期為2 s(占空比50%、峰峰值電壓5 V)的脈沖信號，一路作為時間間隔測量的啟動信號并連接至通用計數器；另一路連接LED，使LED模擬數字時鐘數碼管的跳變，進行周期性亮滅，同時用秒脈沖發生裝置進行跳變檢測，產生秒脈沖信號作為時間間隔測量的停止信號并連接至通用計數器。通用計數器置時間間隔測量模式，測量兩路正脈沖的時間間隔，該時間間隔即為秒脈沖發生裝置的延時，也可用示波器進行測量[18]。秒脈沖發生裝置的延時如表1所示。

表1 秒脈沖發生裝置的延時測量值Tab.1 Delay of 1PPS generator ns

最終秒脈沖發生裝置延時測量結果符合預期，其不確定度主要來源于LED響應時間，實驗結果理想。

4.2 數字時鐘的時差

實驗采用一種可被UTC(NIM)實時馴服、實時溯源的銣原子振蕩器(UTC(NIM) Disciplined Oscillator, NIMDO)作為參考時間頻率源，與UTC(NIM)的時間偏差在20 ns以內[19,20]，輸出標準1PPS作為時間間隔測量的啟動信號；用秒脈沖發生裝置對被測數字時鐘(型號：DH1360CS)進行檢測并輸出1PPS作為時間間隔測量的停止信號；時間間隔測量儀器采用通用計數器(型號：53230A)。時間偏差測量結果如圖13所示。

圖13 時差測量結果Fig.13 Measurement results of time offset

在實際測量過程中，應注意避免周圍高亮度環境對秒脈沖發生裝置產生干擾，并且在裝置設計上，需考慮防電磁干擾的設計方案。實驗制作的PCB電路板如圖14所示，硅光電二極管直接焊接在電路板背面。

圖14 秒脈沖發生裝置PCB電路板Fig.14 PCB of 1PPS generator

5 結 論

針對目前市場上主流的靜態顯示數字時鐘，從顯示原理和邏輯出發，給出了數字時鐘校準方法以及驗證裝置，采用硅光電二極管作為跳變檢測的前端光電轉換器件，并設計檢測電路與秒脈沖發生電路，分析了電路中影響檢測精度的關鍵因素，輸出代表數字時鐘的秒脈沖用于測量，從測量原理上，保證了數字時鐘的有效溯源。用制作的實物PCB電路板進行測量實驗，實驗結果表明，該設計方案可有效用于數字時鐘的測量。

在跳變檢測方法中，可根據實際應用場景的精度要求，合理選擇光電二極管，其響應時間和結電容是影響檢測精度的關鍵因素，必要時還可采用雪崩光電二極管提高檢測精度，響應時間在亞納秒級。同時靈活選擇放大方案，合理搭配反饋電阻及反饋電容，在運算放大器芯片的選擇上，需綜合考慮其增益帶寬積是否滿足設計需求。

為進一步提高秒脈沖發生的精度，可采用數字電位器代替傳統旋鈕式電位器，由于不同數碼管段均可觸發秒脈沖的發生，四路不同檢測信號對相同亮度的響應時間應盡可能一致，以減小四路不同檢測信號所發生秒脈沖的抖動。

下一步完善對動態掃描顯示的數字時鐘進行測量，對檢測的跳變信號進行濾波處理，過濾掉動態掃描產生的脈沖，加入時間間隔測量功能，完善數字時鐘顯示單元全檢測，進一步提高校準效率。