張彬彬，崔永俊*，楊　兵

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

基于TDC-GP2的高精度時間間隔測量系統(tǒng)設(shè)計*

張彬彬1，2，崔永俊1，2*，楊兵1，2

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

為了實現(xiàn)衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的時間同步，設(shè)計了一種高精度、高分辨率的時間間隔測量系統(tǒng)。采用兩片時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2，將脈沖計數(shù)法和數(shù)字內(nèi)插法相結(jié)合，使測量精確度能夠達到1 ns，分辨率可以達到100 ps，量程范圍可達1 ns～1 s；具有體積小、精度高、使用靈活等優(yōu)點，能夠廣泛的應(yīng)用到不同的時間同步系統(tǒng)中。

時間間隔測量；TDC-GP2；脈沖計數(shù)法；數(shù)字內(nèi)插法；高精度

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)TDC（Time-to-Digital Converters）廣泛的應(yīng)用于時頻測量［1］、航天航空、衛(wèi)星導航、雷達定位、激光測距、核物理和粒子物理探測等領(lǐng)域［2］。時間間隔測量的精度和分辨率對這些領(lǐng)域的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。因此，如何提高測量時間間隔的精度和分辨率具有重要的研究意義。TDC的實現(xiàn)方法很多，主要包括模擬測量方法和數(shù)字測量方法，隨著半導體技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字電路技術(shù)的成熟，數(shù)字測量方法成為主流的TDC實現(xiàn)方法。數(shù)字測量方法有著高集成度、全數(shù)字測量、高分辨率和高穩(wěn)定度的優(yōu)點。

1　設(shè)計原理

高精度時間間隔測量系統(tǒng)主要由時間間隔測量模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊組成。時間間隔測量模塊包括TDC-GP2時差測量模塊和FPGA邏輯處理模塊兩部分，其中 TDC-GP2時差測量模塊用于測量待測秒脈沖與接收的衛(wèi)星信號秒脈沖之間的時間差，并把時間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；FPGA邏輯處理模塊用于協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，包括接收上位機下發(fā)的開始測量和停止測量信號，以及在時間間隔測量完成后，發(fā)送完成信號通知上位機可以讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理及顯示模塊用于讀取時間間隔測量系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)，并在上位機進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、處理及顯示［3］。系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖 1所示。

圖1　系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用通用時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2，TDC-GP2芯片有兩種工作模式［4］。工作模式1：兩路Stop通道公用一路Start通道，最低有效位為65 ps，測量范圍是2.0 ns～1.8 μs；工作模式2：只使用了一路Stop通道對應(yīng)Start通道，最低有效位為65 ps，測量范圍是2×Tref～4ms@4 MHz，其中Tref為芯片內(nèi)部時鐘周期。本系統(tǒng)中采用工作模式1，在工作模式1中芯片是以記錄信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲個數(shù)來進行高精度時間間隔測量的［5］，其測量時序如圖2所示。

圖2　時間間隔測量時序圖

如圖2所示，Start作為時間閘門的開門信號，Stop作為時間閘門的關(guān)門信號，Ref作為測量模塊的基準信號，其周期為T，Clk為參考時鐘，其周期為T1，Δt1和Δt2為精細測量結(jié)果，n為粗計數(shù)結(jié)果。如果Δt小于時鐘周期T1，即Start信號上升沿和Stop信號上升沿同時位于一個參考時鐘周期內(nèi)，那么Start或Stop信號的上升沿只有一個會被識別，TDC-GP2無法正常工作，所以在開始測量之前先對Stop信號延時m個參考時鐘周期。Start和Stop之間的時間間隔可表示為：

系統(tǒng)設(shè)計的測量范圍是1ns～1s，而TDC-GP2工作模式1的測量范圍為2.0 ns～1.8 μs，那么當Start信號上升沿與Stop信號上升沿不同時位于該范圍內(nèi)時，Δt1與Δt2就不會同時被測量到。由于TDC-GP2芯片完成一次測量到下一次測量之間需要幾μs，這樣就會造成比較大的工作死區(qū)，因此采用兩片TDC-GP2芯片分別對Δt1和Δt2進行測量，Δt1與Δt2的測量互不影響，可以同時進行測量。第1片TDC-GP2芯片用于測量衛(wèi)星信號與基準信號之間的時差Δt1，第2片TDC-GP2芯片用于測量待測信號與基準信號之間的時差△t2。粗計數(shù)部分由FPGA實現(xiàn)，Start信號上升沿到來時計數(shù)器開始計數(shù)，Stop信號上升沿到來時對計數(shù)器數(shù)值進行鎖存，計數(shù)器的數(shù)值就是粗計數(shù)結(jié)果［6］。測量完成后，把測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機根據(jù)式（1）進行計算，得到精確時間間隔Δt。

3　硬件及軟件設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

硬件設(shè)計中，時間間隔的精細測量部分是使用TDC-GP2芯片來實現(xiàn)的［7］，圖3為TDC-GP2芯片的外圍連接電路圖，TDC-GP2芯片外接兩個晶振，其中4 MHz高速晶振用于時鐘校準以及在工作模式2中作為時間測量單元的一部分，32.768 kHz晶振作為基準時鐘用來控制高速時鐘和進行時鐘校準用。Start引腳用于接收時間測量的開始脈沖信號，Stop引腳用于接收時間測量停止脈沖信號。該設(shè)計中選擇工作模式1模式，在工作模式1中TDC-GP2芯片開通兩個Stop通道，而系統(tǒng)只需要1個，因此把Stop2與En_Stop2引腳接地以關(guān)閉Stop2通道。SPI總線引腳SSN、SCK、SI、SO經(jīng)過排阻分別與FPGA的I/O口P1到P4引腳相連。

圖3TDC-GP2外圍連接電路

硬件電路采用兩片TDC-GP2芯片分別對衛(wèi)星脈沖信號與基準信號之間的時間差以及待測信號與基準信號之間的時間差進行測量，要實現(xiàn)高精度的測量，在PCB板中被測信號和基準信號到達芯片的布線長度應(yīng)該是相等的，以保證引入最小的硬件誤差。TDC-GP2是通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進行高精度的時間間隔測量的，容易受溫度和外電源電壓的影響，在電路設(shè)計中，放置了低阻抗、低阻值的去耦電容，并采用獨立的電源層和地層以提高線路的抗干擾能力。

3.2軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括用VHDL語言編寫的FPGA嵌入式程序和用C#語言編寫的上位機程序［8］。主程序流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

TDC-GP2芯片的初始化是通過FPGA發(fā)送操作碼給TDC-GP2芯片來實現(xiàn)的，初始化測量單元與ALU數(shù)據(jù)處理單元。初始化完成之后，分別對寫寄存器reg0～reg5進行配置，reg0中bit（2：0）設(shè)置為000，Start、Stop均為上升沿有效，bit（3）設(shè)置為0，選擇測量范圍1，bit4（DisAutoCal）設(shè)置為0不選擇自動校準功能；reg1中reg（10：8）設(shè)置為010，Stop通道1的脈沖數(shù)為2，bit（13：11）設(shè)置為000，Stop通道2的脈沖數(shù)為0，bit（19：16）和bit（23：20）用于定義ALU數(shù)據(jù)處理的計算方式，第1次設(shè)置為測量Start與Stop通道1的第1次采樣的時差，第2次設(shè)置為測量Stop通道1的第1次采樣與第2次采樣的時差。配置完寄存器之后，通過FPGA發(fā)送啟動信號使能TDC-GP2芯片，ALU數(shù)據(jù)處理單元工作完成后將測量數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的結(jié)果寄存器。

上位機模塊擔任著數(shù)據(jù)接收、處理、顯示及存儲的任務(wù)，時間間隔測量模塊每秒更新一次測量數(shù)據(jù)，上位機每200 ms檢測一次串口緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)格式，符合要求則讀取數(shù)據(jù)，同時清空緩沖區(qū)，否則直接清空緩沖區(qū)。串口讀取數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭判斷數(shù)據(jù)來源，若為時間間隔測量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)進行提取。然后將數(shù)據(jù)按照式（1）進行計算，并將計算結(jié)果進行誤差剔除、計算平均值等處理，最終顯示在上位機界面上。

4　測試結(jié)果與分析

為了驗證時間間隔測量系統(tǒng)的精度，在1 ns～1 s的量程范圍內(nèi)選取多個測量點，在每個測量點進行多次測量并將該系統(tǒng)的測量結(jié)果與Agilent公司53132A計數(shù)器測量結(jié)果進行比較，測量結(jié)果如表1所示。

為了驗證時間間隔測量系統(tǒng)的，將Agilent公司81110A型脈沖發(fā)生器兩通道的延時按100 ps遞增，進行多組測量得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　標定精度測量數(shù)據(jù)　單位：ns

表2　標定分辨率測量數(shù)據(jù)　單位：ns

在實際測量中，由于脈沖信號發(fā)生器信號存在波動，單次測量的數(shù)據(jù)是一直跳動的，所以表1和表2中的測量數(shù)據(jù)都是對100次測量結(jié)果進行平均得到的。這樣可以減小因信號源波動產(chǎn)生的隨機誤差，提高系統(tǒng)測量精度。由表1的數(shù)據(jù)可知，時間間隔測量系統(tǒng)在1 ns、100 ns、500 ns、1 μs、10 μs、50 μs這6個測量點的測量精度都優(yōu)于1 ns，在1 ns～1 s全量程范圍內(nèi)，精度都優(yōu)于0.001 5%×設(shè)置值+0.3 ps，滿足系統(tǒng)測量精度得要求。表2中，測試數(shù)據(jù)表明脈沖信號發(fā)生器的設(shè)置時差變化100 ps。樣機的測量值也會隨著變化70 ps～120 ps，符合系統(tǒng)測量分辨率的要求。

5　結(jié)論

為了實現(xiàn)衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的時間同步，設(shè)計了一種高精度、高分辨率的時間間隔測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量范圍大、精度高、人機交互界面操作簡單。采用雙TDC-GP2的設(shè)計，消除了測量盲區(qū)，擴展了系統(tǒng)的測量范圍。通過大量試驗測試，該系統(tǒng)能夠滿足精度1 ns，分辨率100 ps，測量范圍1 ns～1 s的測量要求。

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張彬彬（1990-），男，漢族，山西省太原市，碩士研究生，專業(yè)：儀器科學與技術(shù)，研究方向為電路與系統(tǒng)，837497088@ qq.com；

崔永?。?973-），男，漢族，山西省太原市，博士生，副教授，主要研究方向為納米測試技術(shù)與儀器，annayucyj@nuc.edu.cn。

Design of High Precision Time Interval Measurement System Based on TDC-GP2*

ZHANG Binbin1，2，CUI Yongjun1，2*，YANG Bing1，2
（1.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to realize the time synchronization in satellite positioning system，a high precision and high resolution time interval measurement system is designed.Using two time digital converter chip TDC-GP2，the pulse counting method and digital interpolation method are combined，The result shows that the measurement accuracy of the system is 1 ns，the resolution is 100 ps，the measuring range is up to 1 ns～1 s.With the advantages of small size，high accuracy，and flexibility it can be widely used in different time synchronization system.

time interval measurement；TDC-GP2；pulse counting method；digital interpolation method；High-precision

TN787

A

1005-9490（2016）05-1108-05

項目來源：國家自然科學基金項目（61335008）

2015-10-13修改日期：2015-11-11

EEACC:7320K10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.018