張彬彬，崔永俊*，楊　兵

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于TDC-GP2的高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張彬彬1，2，崔永俊1，2*，楊兵1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

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

時(shí)間間隔測(cè)量；TDC-GP2；脈沖計(jì)數(shù)法；數(shù)字內(nèi)插法；高精度

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)TDC（Time-to-Digital Converters）廣泛的應(yīng)用于時(shí)頻測(cè)量［1］、航天航空、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)定位、激光測(cè)距、核物理和粒子物理探測(cè)等領(lǐng)域［2］。時(shí)間間隔測(cè)量的精度和分辨率對(duì)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(cè)量時(shí)間間隔的精度和分辨率具有重要的研究意義。TDC的實(shí)現(xiàn)方法很多，主要包括模擬測(cè)量方法和數(shù)字測(cè)量方法，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字電路技術(shù)的成熟，數(shù)字測(cè)量方法成為主流的TDC實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)字測(cè)量方法有著高集成度、全數(shù)字測(cè)量、高分辨率和高穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)。

1　設(shè)計(jì)原理

高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)主要由時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊組成。時(shí)間間隔測(cè)量模塊包括TDC-GP2時(shí)差測(cè)量模塊和FPGA邏輯處理模塊兩部分，其中 TDC-GP2時(shí)差測(cè)量模塊用于測(cè)量待測(cè)秒脈沖與接收的衛(wèi)星信號(hào)秒脈沖之間的時(shí)間差，并把時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；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(jī)下發(fā)的開始測(cè)量和停止測(cè)量信號(hào)，以及在時(shí)間間隔測(cè)量完成后，發(fā)送完成信號(hào)通知上位機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理及顯示模塊用于讀取時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、處理及顯示［3］。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示。

圖1　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用通用時(shí)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(cè)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(duì)應(yīng)Start通道，最低有效位為65 ps，測(cè)量范圍是2×Tref～4ms@4 MHz，其中Tref為芯片內(nèi)部時(shí)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(hào)通過內(nèi)部門電路的傳播延遲個(gè)數(shù)來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的［5］，其測(cè)量時(shí)序如圖2所示。

圖2　時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)序圖

如圖2所示，Start作為時(shí)間閘門的開門信號(hào)，Stop作為時(shí)間閘門的關(guān)門信號(hào)，Ref作為測(cè)量模塊的基準(zhǔn)信號(hào)，其周期為T，Clk為參考時(shí)鐘，其周期為T1，Δt1和Δt2為精細(xì)測(cè)量結(jié)果，n為粗計(jì)數(shù)結(jié)果。如果Δt小于時(shí)鐘周期T1，即Start信號(hào)上升沿和Stop信號(hào)上升沿同時(shí)位于一個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)，那么Start或Stop信號(hào)的上升沿只有一個(gè)會(huì)被識(shí)別，TDC-GP2無法正常工作，所以在開始測(cè)量之前先對(duì)Stop信號(hào)延時(shí)m個(gè)參考時(shí)鐘周期。Start和Stop之間的時(shí)間間隔可表示為：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍是1ns～1s，而TDC-GP2工作模式1的測(cè)量范圍為2.0 ns～1.8 μs，那么當(dāng)Start信號(hào)上升沿與Stop信號(hào)上升沿不同時(shí)位于該范圍內(nèi)時(shí)，Δt1與Δt2就不會(huì)同時(shí)被測(cè)量到。由于TDC-GP2芯片完成一次測(cè)量到下一次測(cè)量之間需要幾μs，這樣就會(huì)造成比較大的工作死區(qū)，因此采用兩片TDC-GP2芯片分別對(duì)Δt1和Δt2進(jìn)行測(cè)量，Δt1與Δt2的測(cè)量互不影響，可以同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。第1片TDC-GP2芯片用于測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)差Δt1，第2片TDC-GP2芯片用于測(cè)量待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)差△t2。粗計(jì)數(shù)部分由FPGA實(shí)現(xiàn)，Start信號(hào)上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，Stop信號(hào)上升沿到來時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行鎖存，計(jì)數(shù)器的數(shù)值就是粗計(jì)數(shù)結(jié)果［6］。測(cè)量完成后，把測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到精確時(shí)間間隔Δt。

3　硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中，時(shí)間間隔的精細(xì)測(cè)量部分是使用TDC-GP2芯片來實(shí)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(gè)晶振，其中4 MHz高速晶振用于時(shí)鐘校準(zhǔn)以及在工作模式2中作為時(shí)間測(cè)量單元的一部分，32.768 kHz晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘用來控制高速時(shí)鐘和進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)用。Start引腳用于接收時(shí)間測(cè)量的開始脈沖信號(hào)，Stop引腳用于接收時(shí)間測(cè)量停止脈沖信號(hào)。該設(shè)計(jì)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(gè)Stop通道，而系統(tǒng)只需要1個(gè)，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(duì)衛(wèi)星脈沖信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)間差以及待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，要實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，在PCB板中被測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)到達(dá)芯片的布線長(zhǎng)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(jìn)行高精度的時(shí)間間隔測(cè)量的，容易受溫度和外電源電壓的影響，在電路設(shè)計(jì)中，放置了低阻抗、低阻值的去耦電容，并采用獨(dú)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(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)的，初始化測(cè)量單元與ALU數(shù)據(jù)處理單元。初始化完成之后，分別對(duì)寫寄存器reg0～reg5進(jìn)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(cè)量范圍1，bit4（DisAutoCal）設(shè)置為0不選擇自動(dòng)校準(zhǔn)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(jì)算方式，第1次設(shè)置為測(cè)量Start與Stop通道1的第1次采樣的時(shí)差，第2次設(shè)置為測(cè)量Stop通道1的第1次采樣與第2次采樣的時(shí)差。配置完寄存器之后，通過FPGA發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)使能TDC-GP2芯片，ALU數(shù)據(jù)處理單元工作完成后將測(cè)量數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的結(jié)果寄存器。

上位機(jī)模塊擔(dān)任著數(shù)據(jù)接收、處理、顯示及存儲(chǔ)的任務(wù)，時(shí)間間隔測(cè)量模塊每秒更新一次測(cè)量數(shù)據(jù)，上位機(jī)每200 ms檢測(cè)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(shí)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(shí)間間隔測(cè)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。然后將數(shù)據(jù)按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差剔除、計(jì)算平均值等處理，最終顯示在上位機(jī)界面上。

4　測(cè)試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的精度，在1 ns～1 s的量程范圍內(nèi)選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量并將該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與Agilent公司53132A計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

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

表1　標(biāo)定精度測(cè)量數(shù)據(jù)　單位：ns

表2　標(biāo)定分辨率測(cè)量數(shù)據(jù)　單位：ns

在實(shí)際測(cè)量中，由于脈沖信號(hào)發(fā)生器信號(hào)存在波動(dòng)，單次測(cè)量的數(shù)據(jù)是一直跳動(dòng)的，所以表1和表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)都是對(duì)100次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均得到的。這樣可以減小因信號(hào)源波動(dòng)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。由表1的數(shù)據(jù)可知，時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)在1 ns、100 ns、500 ns、1 μs、10 μs、50 μs這6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)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(cè)量精度得要求。表2中，測(cè)試數(shù)據(jù)表明脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置時(shí)差變化100 ps。樣機(jī)的測(cè)量值也會(huì)隨著變化70 ps～120 ps，符合系統(tǒng)測(cè)量分辨率的要求。

5　結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的時(shí)間同步，設(shè)計(jì)了一種高精度、高分辨率的時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)量范圍大、精度高、人機(jī)交互界面操作簡(jiǎn)單。采用雙TDC-GP2的設(shè)計(jì)，消除了測(cè)量盲區(qū)，擴(kuò)展了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。通過大量試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠滿足精度1 ns，分辨率100 ps，測(cè)量范圍1 ns～1 s的測(cè)量要求。

［1］瞿鑫，吳云峰，江桓，等.基于FPGA的時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36（6）：825-827.

［2］周國清，周祥，張烈平，等.面陣激光雷達(dá)多通道時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)研制［J］.電子器件，2015，38（1）：166-173.

［3］邢燕.高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010（5）：1-3，9.

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［7］仲峰，萬莉萍，岳宇軍.高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2在激光測(cè)距中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007（4）：69-70，72.

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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(xué)與技術(shù)，研究方向?yàn)殡娐放c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?yàn)榧{米測(cè)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(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61335008）

2015-10-13修改日期：2015-11-11

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