汪劍+楊健

【摘要】 時間間隔測試是利用GPS、北斗等秒脈沖馴服晶振或銣鐘，產(chǎn)生再生秒脈沖的基礎(chǔ)，時間間隔的測試精度直接關(guān)系到晶振或銣鐘的馴服精度和再生秒的穩(wěn)定度。該文提出了基于ACAM公司的超聲波流量計TDC-GP22和FPGA AFS600實現(xiàn)的高精度時間間隔測試方案，TDC-GP22芯片利用邏輯門延遲來實現(xiàn)高精度時間測量，該方案在AFS600內(nèi)部設(shè)計了粗計數(shù)器和精確脈寬產(chǎn)生電路和單片機，實驗結(jié)果表明，測試分辨率可達45pS，測試精度優(yōu)于100pS。

【關(guān)鍵詞】 TDC-GP22 時間間隔測試 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器

一、引言

在航天、電力、通信、銀行等領(lǐng)域都需要較高精度的時間基準和標準頻率信號，保證測試數(shù)據(jù)的有效性和控制的準確性，雖然GPS和北斗模塊的秒信號精度達到100nS，但是其所給精度是在一定置信概率下的精度，不能保證每一秒都在需要的精度范圍內(nèi)，因此通常的應(yīng)用是利用GPS或北斗來馴服晶振或銣鐘，使晶振或銣鐘的長期穩(wěn)定度提高一個等級，同時利用晶振或銣鐘的分頻秒作為再生秒，克服GPS或北斗秒信號的短期不穩(wěn)定性。而時間間隔測試是GPS或北斗馴服晶振或銣鐘的基礎(chǔ)，本文利用ACAM公司的TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片，設(shè)計了一款時間間隔測試電路，分辨率可達45pS。

二、基本原理

時間間隔測試的基本原理，晶振或銣鐘的分頻秒前沿與GPS或北斗秒的前沿會產(chǎn)生一個時間間隔T，用周期為T0的填充脈沖來填充該時間間隔，利用填充脈沖個數(shù)與填充脈沖周期的乘積來表示時間間隔，其測試得到的脈寬為T2+T0，而實際脈沖寬度為T1+T2+T3，這樣就產(chǎn)生量化誤差T0-T1-T3，該誤差小于一個脈沖周期。當采用較高精度的填充頻率時T2的精度就較高，誤差主要來源于量化誤差T1和T3，如何提高T1和T3的測試精度是提高測試分辨率的關(guān)鍵。

本文采用ACAM公司的超聲波流量計TDC-GP22來提高測試分辨率，由于TDC-GP22的測試范圍最大只有4mS，不能測試較寬的脈沖，因此本文采用MICROSEMI的FPGA芯片AFS600來分段測試時間間隔，T2由FPGA搭建的計數(shù)器通過脈沖計數(shù)獲得。由于TDC-GP22的測試范圍最小為3.5nS，為了避免出現(xiàn)小于3.5nS的測試脈寬，利用AFS600產(chǎn)生脈沖T4和脈沖T5，T4和T5脈沖分別由被測脈寬的上升沿和下降沿開門，由填充脈沖的第二個上升沿關(guān)門產(chǎn)生，這樣T4和T5的脈沖寬度均大于100nS小于200nS，在TDC-GP22的測試范圍內(nèi)，利用兩片TDC-GP22分別測試T4和T5的脈沖寬度，對應(yīng)關(guān)系可得測試脈寬為：

上式中T0為填充頻率的周期，為已知量，因而只要獲得N、T4和T5的值，就可以求出T。

三、電路實現(xiàn)

3.1 TDC-GP22簡介

TDC-GP22是ACAM公司生產(chǎn)的超聲波熱表水表專用雙通道時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其管腳，在本設(shè)計中只應(yīng)用其時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分，其時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分利用邏輯門電路的傳輸延遲時間來測試脈沖寬度，通過計算脈寬時間內(nèi)信號經(jīng)過多少個邏輯門電路來計算脈寬。它有兩個測量范圍，測量范圍1時雙通道精度90pS，單通道雙精度45pS，測試范圍3.5nS～2.5mS；測量范圍2時單通道精度90pS，雙精度模式45pS，四精度模式22pS，測試范圍500nS～4mS。采用4線SPI通信接口，提供3個測試數(shù)據(jù)存儲空間，與該公司的第一代TDC芯片TDC-GP1（單精度測試分辨率250pS，雙精度測試分辨率為125pS）和第二代TDC芯片TDC-GP2（單精度測試分辨率130pS，雙精度測試分辨率為65pS）相比，測試分辨率有較大提高。

3.2硬件電路構(gòu)成

時間間隔測試電路， GPS或北斗秒信號經(jīng)過隔離保護電路后進入FPGA芯片， 銣鐘或晶振的10MHz填充頻率信號經(jīng)過放大整形后變成方波信號進入FPGA，10MHz信號進入FPGA后分為三路，一路在單片機的控制下，由GPS或北斗秒同步產(chǎn)生分頻秒；一路進入脈沖計數(shù)電路作為填充脈沖；另一路進入鎖相電路，產(chǎn)生20MHz、4MHz和32.768KHz信號，20MHz信號作為單片機的工作頻率信號，4MHz和32.768KHz信號作為TDC-GP22的工作頻率信號。分頻秒與GPS或北斗秒產(chǎn)生的脈寬進入脈寬計數(shù)電路，產(chǎn)生計數(shù)脈沖N送到單片機，脈寬前沿與10MHz產(chǎn)生T4脈寬，由第一片TDC-GP22進行測試，脈寬后沿與10MHz產(chǎn)生T5脈寬，由第二片TDC-GP22進行測試，測試結(jié)果由單片機讀取。單片機是利用MICROSEMI公司提供的網(wǎng)表文件在FPGA內(nèi)部創(chuàng)建的，鎖相電路也是利用MICROSEMI公司的LIBERO開發(fā)環(huán)境里的靜態(tài)鎖相環(huán)路生成的。電源電路產(chǎn)生3.3V工作電壓和1.5V FPGA核電壓，顯示電路由單片機控制顯示測試結(jié)果，通信接口電路負責模塊與上位機通信。

四、軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要在MICROSEMI公司的LIBERO開發(fā)環(huán)境里利用Verilog HDL語言編寫FPGA程序，首先利用MICROSEMI公司提供的網(wǎng)表文件在FPGA內(nèi)部創(chuàng)建了一個單片機，該單片機用來初始化TDCGP22，讀取GPS或北斗狀態(tài)、銣鐘狀態(tài)、脈沖計數(shù)結(jié)果和兩片TDC-GP22的測試結(jié)果，由公式2計算時間間隔并計算銣鐘或晶振精度、確定修正量，單片機軟件流程如圖1所示。

該設(shè)計的突出特點是T4和T5脈寬的設(shè)計實現(xiàn)，該脈寬設(shè)計保證T4和T5的脈沖寬度均大于100nS而小于200nS，在TDC-GP22的測試范圍內(nèi)，下面以T4的脈寬設(shè)計為例說明該部分軟件實現(xiàn)。在硬件上電時軟件將狀態(tài)機和T4脈沖置0。當時間間隔的上升沿到來時，狀態(tài)機和T4脈沖置1。當狀態(tài)機為1時，第一個填充脈沖上升沿使狀態(tài)機置2。第二個填充脈沖上升沿使狀態(tài)機置0，T4脈沖置0，回復(fù)初始狀態(tài)，保證T4脈沖在時間間隔的上升沿到來時產(chǎn)生，在第二個填充脈沖上升沿時結(jié)束。

五、測試誤差分析

根據(jù)測試原理，誤差主要包括以下幾個方面：首先是脈沖計數(shù)誤差，其誤差大小等于脈沖寬度與填充脈沖的準確度的乘積，由于在測試前我們先利用GPS或北斗秒來同步被測晶振或銣鐘的分頻秒，因此其脈沖寬度由近似零開始，隨著被測晶振或銣鐘的準確度而變化。以晶振精度為1×10-8為例，一天86400秒其脈沖寬度增加到0.864mS，其一天的脈寬計數(shù)誤差將優(yōu)于10pS；其次是TDC-GP22的測試誤差，TDC-GP22的時鐘是由10MHz填充頻率經(jīng)鎖相電路產(chǎn)生，其準確度與填充頻率一致，由于其脈沖寬度小于200nS，因此這部分引起的誤差將優(yōu)于0.002pS；最后由于計數(shù)器分辨率的影響會產(chǎn)生兩個45pS的量化誤差。綜合考量，其測試精度將優(yōu)于100pS。

六、結(jié)束語

本文基于ACAM公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片AFS600設(shè)計了一款時間間隔測試模塊，其分辨率達到45pS，測試精度優(yōu)于100pS，對提升晶振或銣鐘長期穩(wěn)定度的馴服精度和再生秒的穩(wěn)定度提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。

參 考 文 獻

[1] 樊戰(zhàn)友、王大琴、李志剛等. 時間間隔計數(shù)器的研制[J].陜西天文臺臺刊，2001.02

[2] 盧靜怡、楊志卿、趙向凱等.基于TDC-GP1的高精度激光測距研究[J].光電應(yīng)用技術(shù)，2013.01

[3] 馬小燕.基于TDC-GP2的時間間隔測量模塊研究[J].機電信息，2012

[4] 穆晨晨、胡偉東.一種基于FPGA的等精度測頻原理的計數(shù)器[J].微波學(xué)報，2012.08

[5] 周增建. 基于FPGA高分辨率短時間時間間隔測量的研究與實現(xiàn)[J].西安電子技術(shù)大學(xué)碩士論文，2010

[6] 倪媛媛、胡永輝、何在民. 北斗衛(wèi)星校準銣鐘單元的設(shè)計與實現(xiàn)[J].導(dǎo)航天地，2012.12

[7] 楊兵、崔永俊. 基于TDC-GP2的高精度超聲波流量計的設(shè)計[J].電子器件，2016.02