環境溫度對地震數據采集器時間精度的影響測試

葉世山 謝劍波 陳 潔 趙圣麟 呂金水 馮俊鵬 陳建濤 關作金 羅新恒 盧子晉 鄧 金 廖一帆 勞 謙 丁莉莎

1 廣東省地震局，廣州市先烈中路81號，510070 2 珠海市泰德企業有限公司，廣東省珠海市創新四路60號，519002

從模擬地震觀測到數字地震觀測，地震事件的時間標識一直是地震觀測的關鍵技術之一。地震數據采集器將高精度的衛星系統參考時鐘信號作為地震事件標識時間。美國Sandia國家實驗室(SNL)通過地震數據采集器采集參考時鐘源設備輸出的分脈沖(pulse per minute, PPM)或時脈沖(pulse per hour, PPH)信號，然后分析地震數據采集器的相對時鐘精度[1-3]。謝劍波等[4]率先在國內實現地震數據采集器μs級時間精度的誤差測試，并在測試中發現環境溫度可能對地震數據采集器的時間精度產生影響。為此，本文進一步測試地震數據采集器在室溫、低溫恒溫及高溫恒溫環境中的時間精度。

1 時鐘脈沖擴展

一般參考時鐘源設備輸出的PPM和PPH信號為200～300 ms窄脈沖，難以滿足測試地震數據采集器時間精度的需求[4]。本文采取增加電路的方法使PPM信號擴展為占空比50%的方波串信號。擴展電路使用時鐘源輸出的PPM信號和秒脈沖(pulse per second, PPS)信號，并保持方波上升沿起始于符合精度要求的整分時刻。

1.1 擴展電路設計

采用tiny13單片機作為電路主控制器，參考時鐘源設備輸出的PPM信號同時觸發單片機打開0號端口中斷計時及觸發器74LS74輸出高電平，單片機在接受參考時鐘源設備輸出的30個PPS脈沖中斷計數后，控制74LS74復位至低電平輸出并關閉0號端口中斷功能。循環過程可輸出30 s高電平標準寬度的PPM信號，即占空比為50%的PPM信號。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖擴展電路框圖

當測試10 sps或更低采樣率的時鐘精度時，應采用PPH信號[4]。PPH信號寬度擴展為占空比50%的寬度脈沖電路的原理與PPM脈沖擴展電路相同，將輸入的PPS換成PPM，PPM換成PPH即可。

1.2 隔離電路設計

為防止擴展電路的單片機電路和74LS74觸發器電路相互干擾，設計兩路獨立的電源分別給單片機電路和74LS74電路供電，使兩路電源地相互隔離。電路原理框圖如圖2所示。

圖2 單片機電路和觸發器電路電源原理框圖

1.3 接口電路匹配與延遲

在實際測試過程中發現，tiny13單片機在檢測PPM信號時偶爾會出現誤觸發，經查為參考時鐘源設備PPS信號和PPM信號輸出接口電路與擴展電路不匹配所致。在參考時鐘源設備的PPS信號和PPM信號輸入到擴展電路前并聯一個200 pF的電容以解決該問題。并聯電容后可能會出現信號延遲問題，但采用示波器測量發現延時小于50 ns，該延遲量對測試評估μs級的時間誤差量可以忽略。

2 測試實例分析

利用擴展的時鐘方波信號測試同一型號多臺地震數據采集器在正常室溫、低溫恒溫、高溫恒溫工作狀態下的時間精度及守時穩定性。測試使用的地震數據采集器為珠海市泰德企業有限公司生產的TDE-324CI-2021，該型號地震數據采集器在衛星授時同步狀態下的系統時鐘精度優于0.1 ms，在衛星授時信號缺失狀態下的系統時鐘漂移小于1 ms/d。地震數據采集器機箱內部有溫度傳感器，可存儲秒采樣的溫度監測信息。將用于測試的4臺地震數據采集器分別編號為A、B、C、D。測試時使用100 sps采樣率和±20 V量程，測試結果精確到μs。

2.1 正常室溫環境下時鐘精度及穩定性

在正常室溫環境下對4臺地震數據采集器進行測試。A、B一直連接衛星授時源，A在最小相位濾波狀態下工作，B在線性相位濾波狀態下工作；C授時同步1 h后斷開授時源，在最小相位濾波狀態下守時工作；D授時同步1 h后斷開授時源，在線性相位濾波狀態下守時工作。4臺地震數據采集器連續測試7 d以上，結果如圖3所示。

圖3 常溫環境下時標延遲測試結果

圖4為C、D守時工作狀態測試的首個及最后一個分脈沖詳細結果，包含該段測試記錄數據的起始時間、該記錄波形為測試記錄數據中第幾個分脈沖上升沿、該上升沿前后部分采樣點數值及升采樣插值后的波形、四邊形脈沖參考波形、該上升沿對應的分鐘時標及時標相對該上升沿50%幅度水平處的時間差。

圖4 C、D常溫守時測試的首個及最后一個分脈沖詳細結果

從測試結果來看，A、B在持續授時狀態下具有基本一致的時鐘穩定性和相對精度，長期時間精度明顯優于10 μs。C斷開授時源后，經歷10 320 min守時工作，時標時延從-0.002 915 s變為-0.007 723 s，平均時鐘漂移率為-7.76×10-3ppm。地震數據采集器D斷開授時源經歷相同時長后，時標時延從-0.000 033 s變為-0.001 943 s，平均時鐘漂移率為-3.08×10-3ppm。

整個測試過程從2021-01-08 19:00開始，開始階段實驗室中除本次測試的4臺地震數據采集器外還有較多其他設備處于工作狀態。約在01-11 18：00前0.5 h，其他設備全被撤出。該過程在圖3(c)溫度記錄中有所反映：其他設備撤出前溫度變化無明顯規律，撤出后溫度下降約1 ℃；之后地震數據采集器機箱內溫度隨室溫變化。在01-11 18：00前溫度下降約1 ℃后，A、B時標精度均發生相似的μs級變化，而C、D時鐘漂移趨勢也發生轉折。之后在環境日溫變化中，C、D時鐘漂移也均在環境溫度最低點稍遲后存在趨勢變化。時鐘漂移趨勢相對溫度變化的延遲似乎指示溫度變化的積累效應，為此在基線校正后對溫度記錄數據進行簡單的數值積分處理，并與原時鐘漂移數據進行對比。結果表明，溫度積分的拐點與時鐘漂移的拐點具有很好的對應關系(圖5)。

圖5 時鐘漂移與環境溫度變化積累效應對比

2.2 低溫恒溫環境下守時穩定性

將B和D放置在溫度為-10 ℃的恒溫箱中連續工作7 d以上，恒溫狀態下授時完成后斷開授時源。圖6是B、D時標精度變化情況及機箱內溫度記錄。數據顯示，2臺地震數據采集器溫度差約為0.5 ℃，整個測試過程中各機箱內溫度變化約在0.25 ℃范圍內，時標延遲變化平穩。

圖6 低溫恒溫環境下守時穩定性測試結果

圖7為B、D斷開授時源時刻起首個及最后一個分脈沖詳細結果。從圖中可以看出，經歷10 361 min守時工作，B時標時延從-0.000 023 s變為-0.032 531 s，平均時鐘漂移率為-5.23×10-2ppm；D時標時延從-0.000 027 s變為-0.025 721 s，平均時鐘漂移率為-4.13×10-2ppm。

圖7 B、D在低溫恒溫環境下守時測試的首個及最后一個分脈沖詳細結果

2.3 高溫恒溫環境下守時穩定性

將B和D放置在溫度為64 ℃的恒溫箱中連續工作7 d以上，恒溫狀態下授時完成后斷開授時源。圖8是B、D時標精度變化情況及機箱內溫度記錄。數據顯示，2臺地震數據采集器溫度差極小，整個測試過程中各機箱內溫度變化約在0.25 ℃范圍內，時標延遲變化平穩。

圖8 B、D在高溫恒溫環境下守時穩定性測試結果

圖9為B、D斷開授時源時刻起首個及最后一個分脈沖詳細結果。從圖中可以看出，經歷10 324 min守時工作，B時標時延從-0.000 029 s變為0.005 204 s，平均時鐘漂移率為8.45×10-3ppm；D時標時延從-0.000 049 s變為0.004 764 s，平均時鐘漂移率為7.77×10-3ppm。

圖9 B、D在高溫恒溫環境下守時測試的首個及最后一個分脈沖詳細結果

3 結 語

正常室溫環境下，持續授時狀態的A、B時標延遲均優于10 μs，當環境溫度在0.5 h內發生約1 ℃的溫度下降時，時標時延存在μs級變化。守時工作的C、D在測試過程中表現出部分相同的變化趨勢：1)環境溫度在0.5 h內發生約1 ℃的溫度下降時，地震數據采集器時鐘漂移趨勢發生轉折；2)在環境溫度日變化中，溫度達到最低值后，地震數據采集器時鐘漂移趨勢也發生轉折；3)時鐘漂移趨勢發生轉折的時間比溫度下降到最低點稍有延遲，并且該延遲指示溫度變化的積累效應。

在-10 ℃和64 ℃恒溫下，B、D守時測試結果均表現出單調的漂移特性，在誤差量級可以接受的情況下可近似為線性。本文認為地震數據采集器在恒溫環境中的時延單調漂移特性由個體使用的晶振器件決定，并與環境溫度值有關。