崔永俊,劉 陽(yáng),楊 兵

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)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)

基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

崔永俊1,2*,劉 陽(yáng)1,2,楊 兵1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)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)

針對(duì)目前精密時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)試儀測(cè)量精度低、分辨率低、測(cè)量范圍小、設(shè)計(jì)復(fù)雜等不足,結(jié)合最新的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù),設(shè)計(jì)了基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)合FPGA和上位機(jī),在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間基準(zhǔn)偏差的高精度、高分辨率、大量程連續(xù)測(cè)量。經(jīng)過測(cè)試,系統(tǒng)測(cè)量量程為1 ns～1 s,時(shí)差測(cè)量分辨率達(dá)到100 Ps,精度達(dá)0.001 5%±0.3 ns,滿足設(shè)計(jì)要求。

高精度基準(zhǔn)偏差測(cè)量;TDC-GP2;銣原子鐘;直接脈沖計(jì)數(shù)法

精密時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)試儀主要針對(duì)航天戰(zhàn)略技術(shù)武器型號(hào)研制需求以及發(fā)射場(chǎng)精確時(shí)間同步的要求,為其在研制和試驗(yàn)的各個(gè)階段提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)和頻率信號(hào),精確測(cè)量各測(cè)控設(shè)備與時(shí)統(tǒng)中心站時(shí)間基準(zhǔn)的延遲時(shí)間間隔,保證靶場(chǎng)試驗(yàn)的各測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。精確的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù),尤其是皮秒(1 ps=10-12s)量級(jí)的測(cè)量技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)有重大意義[1],它廣泛應(yīng)用于原子物理、天文實(shí)驗(yàn)、激光測(cè)距、通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航、定位定時(shí)、航天遙測(cè)遙控和軍事等領(lǐng)域[2]。目前國(guó)外的技術(shù)和產(chǎn)品具有顯著優(yōu)勢(shì),HP公司生產(chǎn)的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器HP5371分辨率達(dá)200 ps,HP5360分辨率達(dá)100 ps,商用計(jì)數(shù)器SR620的最高分辨率可達(dá)25 ps[3]。國(guó)內(nèi)的技術(shù)和產(chǎn)品還很薄弱,普遍存在精度和分辨率不高,測(cè)量范圍小、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題。

針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)了基于銣原子鐘和雙TDC-GP2芯片的高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。采用小型銣原子鐘為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào),在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)本地守時(shí)信號(hào)和授時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)偏差的高精度、高分辨率、大量程連續(xù)測(cè)量。

1 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)總體方案

1.1 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖1所示,系統(tǒng)主要由銣原子鐘信號(hào)輸入模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、FPGA時(shí)序控制及數(shù)據(jù)處理模塊、電源隔離模塊、ARM人機(jī)交互模塊五部分組成。

圖1 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊圖

1.2 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)工作原理

時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)TDC(Time-to-Digital Converter)是指將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的一種技術(shù)方法[4]。TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司繼TDC-GP1后新推出的一款高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片,以COMS處理器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化傳播時(shí)間應(yīng)用為基礎(chǔ),擁有高精度測(cè)時(shí)分辨率[5]。

圖2 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)工作原理示意圖

高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)采用粗測(cè)量和精測(cè)量結(jié)合的方法測(cè)量基準(zhǔn)授時(shí)信號(hào)與本地守時(shí)信號(hào)之間的時(shí)間偏差,如圖2所示。設(shè)開始(Start)信號(hào)為GPS基準(zhǔn)授時(shí)信號(hào),截止(Stop)信號(hào)為本地守時(shí)信號(hào),TX即為所測(cè)偏差,高精度銣原子鐘提供10 MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào)CLK。將Start信號(hào)和Stop信號(hào)投影在基準(zhǔn)脈沖信號(hào)CLK上,TX被分解為T1、T2和T33段,T1、T2為精細(xì)測(cè)量部分,T3為粗測(cè)量部分。粗測(cè)量T3通過直接脈沖計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn),采用FPGA片內(nèi)高速計(jì)數(shù)器對(duì)授時(shí)信號(hào)與守時(shí)信號(hào)之間的基準(zhǔn)頻率信號(hào)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)了大量程測(cè)量[6]。精細(xì)測(cè)量T1和T2采用兩片TDC-GP2設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的精密時(shí)間間隔測(cè)量電路,保證系統(tǒng)具有高精度、高分辨率。GPS授時(shí)信號(hào)秒脈沖(PPS)觸發(fā)則進(jìn)行一次測(cè)量,FPGA提供高邏輯電平控制持續(xù)測(cè)量,直到檢測(cè)到低電平截止信號(hào)時(shí)停止測(cè)量,TDC每次測(cè)量完要再次開始測(cè)量時(shí)為其提供復(fù)位信號(hào),實(shí)現(xiàn)了時(shí)間間隔的連續(xù)測(cè)量。

CLK的周期為T,計(jì)數(shù)為n,精細(xì)測(cè)量部分延遲單元的延遲為τ,得TX的計(jì)算式(1):

Tx=T3+T1-T2=n·T+(M-N)·τ

(1)

2 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要分為銣原子鐘信號(hào)輸入模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、ARM人機(jī)交互模塊3部分。

2.1 銣原子鐘信號(hào)輸入模塊

在采用數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)時(shí)間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換時(shí),需要時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性都非常好的時(shí)間頻率基準(zhǔn)源,傳統(tǒng)晶體振蕩器產(chǎn)生信號(hào)精度低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,不能滿足要求[7]。采用小型銣原子鐘PRS10為系統(tǒng)提供10 MHz頻率的高穩(wěn)基準(zhǔn)信號(hào),PRS10具有體積小、低漂移、低相噪、高穩(wěn)定度等優(yōu)點(diǎn)[8]。銣原子鐘信號(hào)輸入模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。利用LED燈指示銣原子鐘是否處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)。當(dāng)銣原子鐘未鎖定時(shí),J100的LOCK/1PPS管腳輸出一個(gè)5 V的高電平,鎖定后連續(xù)輸出秒脈沖,使電磁繼電器HS-212的4管腳導(dǎo)通,LED燈點(diǎn)亮。當(dāng)銣原子鐘處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)時(shí),PRS10產(chǎn)生的10 MHz的差分信號(hào)由J100管腳輸出,通過T100變頻放大之后送入倍頻器。T100是中頻變壓器,額定頻率是10.7 MHz,在輸出端接一個(gè)27 pF的去耦電容,使輸出頻率能精確到10 MHz。

圖3 銣原子鐘信號(hào)輸入模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 時(shí)間間隔測(cè)量模塊

時(shí)間間隔測(cè)量模塊分為3部分:兩個(gè)精細(xì)測(cè)量部分T1和T2,一個(gè)粗測(cè)量部分T3。

精細(xì)測(cè)量:由兩片TDC-GP2芯片TDC1和TDC2實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的精細(xì)時(shí)間間隔測(cè)量電路。TDC-GP2芯片主要由TDC時(shí)間間隔測(cè)量單元、主控制器單元、溫度測(cè)量單元和ALU處理器等部分組成,能實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量,雙通道、單通道測(cè)量分辨率均可達(dá)到65 ps[9]。銣原子鐘提供10 MHz基準(zhǔn)頻率信號(hào),TDC1測(cè)T1,Start信號(hào)為衛(wèi)星授時(shí)脈沖信號(hào);TDC2測(cè)T2,Start信號(hào)為本地守時(shí)脈沖信號(hào);兩路Stop信號(hào)分別為各自Start信號(hào)緊接著的基準(zhǔn)頻率信號(hào)。TDC-GP2有兩個(gè)測(cè)量范圍,采用測(cè)量范圍1,即雙通道測(cè)量,兩個(gè)Stop通道共用一個(gè)Start通道,測(cè)量范圍為0～1.8 μs。TDC1的外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 TDC-GP2外圍電路設(shè)計(jì)

使用Start和Stop1通道,Stop2通道截止,通過下拉電阻防止信號(hào)干擾,將En_Start和En_Stop1端置1,En_Stop2端接地。TDC的SPI接口包括SSN、SCK、SI和SO 4個(gè)端口,同時(shí)將TDC的中斷信號(hào)端INTN分別與FPGA的I/O端連接,FPGA通過SPI總線實(shí)現(xiàn)TDC芯片的參數(shù)配置和結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。粗測(cè)量:由FPGA及其外圍電路組成。

2.3 ARM人機(jī)交互模塊

ARM人機(jī)交互模塊基于OK335XD開發(fā)板開發(fā)而成,采用TI公司Sitara系統(tǒng)的ARM處理器AM335X。時(shí)間間隔測(cè)量模塊與ARM模塊的通信采用RS232串口模塊實(shí)現(xiàn),采用MAX3245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

3 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括TDC-GP2參數(shù)配置及測(cè)量流程、高速計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)兩部分。FPGA通過SPI總線對(duì)兩片TDC-GP2芯片和片內(nèi)高速計(jì)數(shù)器的邏輯控制實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)間偏差測(cè)量。

3.1 TDC-GP2參數(shù)配置及測(cè)量流程

TDC-GP2作為系統(tǒng)的核心部件,對(duì)其配置和控制的好壞直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,兩片TDC-GP2參數(shù)配置一致。TDC-GP2有6個(gè)24位寄存器Reg0～Reg5,采用8位操作碼對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫。TDC-GP2測(cè)量流程圖如圖5所示。

圖5 TDC-GP2測(cè)量流程圖

設(shè)置TDC-GP2的工作模式為測(cè)量范圍1,Stop1通道對(duì)應(yīng)Start通道進(jìn)行兩次采樣,上升沿觸發(fā)。每輪測(cè)量開始時(shí)都進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn),設(shè)置參考時(shí)鐘內(nèi)部分頻器為1,定義ALU數(shù)據(jù)處理公式為1.Stop Ch1-Start和2.Stop Ch2-1.Stop Ch1,中斷源設(shè)置為ALU空閑或TDC單元溢出。每次配置之前發(fā)送復(fù)位信號(hào)0x50,然后發(fā)送6個(gè)寄存器寫寄存器命令為:

Reg0:0x80008660

Reg1:0x81014200 0x81124200

Reg2:0x82c00000 Reg3:0x83180000

Reg4:0x84200000 Reg5:0x85080000

系統(tǒng)有兩次采樣,ALU每次只允許計(jì)算一次采樣,需要向Reg1中寫入新的命令指示ALU計(jì)算其他采樣,因此對(duì)Reg1配置進(jìn)行兩次編碼。每次獲得時(shí)間間隔2配置寄存器之后,將寄存器配置為原來的參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的循環(huán)進(jìn)行,即系統(tǒng)要求得連續(xù)測(cè)量。

3.2 高速計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過FPGA片內(nèi)編程設(shè)計(jì)高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)粗時(shí)間間隔測(cè)量,如圖6所示,利用100 MHz晶振對(duì)10 MHz的基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的位數(shù)為32位,擴(kuò)展時(shí)間間隔測(cè)量范圍為0～1.5 s。

gener_count通過對(duì)截止信號(hào)進(jìn)行10個(gè)計(jì)數(shù)周期的延時(shí),判斷提取沿邊獲得一個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔的高電平en_count,通過兩個(gè)計(jì)數(shù)單元分別計(jì)數(shù),gener_data根據(jù)en_count的電平置低,讀取兩個(gè)計(jì)數(shù)模塊count_rising的計(jì)數(shù),減去延時(shí)的10個(gè)計(jì)數(shù)周期后輸出,即計(jì)數(shù)結(jié)果減1。

其中count_rising模塊通過8位計(jì)數(shù)器和16位計(jì)數(shù)器串聯(lián)獲得,實(shí)現(xiàn)對(duì)10 MHz的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)的功能。

圖6 高速計(jì)數(shù)器程序結(jié)構(gòu)圖

4 高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間間隔等于精細(xì)時(shí)間加粗時(shí)間,而量程的擴(kuò)展主要和粗時(shí)間有關(guān),通過擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的位數(shù)來實(shí)現(xiàn),經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量范圍可達(dá)1 ns～1 s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單片TDC-GP2的測(cè)量范圍0～1.8 μs。

系統(tǒng)的量程為1 ns～1 s,因此取量程內(nèi)1 ns、1 μs、1 ms和1 s 4個(gè)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量,數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 時(shí)間間隔測(cè)量分辨率數(shù)據(jù)記錄表

表1中,預(yù)測(cè)計(jì)數(shù)器的最大測(cè)量值是根據(jù)計(jì)數(shù)器的性能指標(biāo)計(jì)算計(jì)數(shù)器可能的最大偏差,如果超出則技術(shù)錯(cuò)誤;實(shí)際偏差為計(jì)數(shù)器與本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)值之間差值的標(biāo)準(zhǔn)差;預(yù)測(cè)偏差為按照系統(tǒng)的精度公式計(jì)算的最大偏差值,如果超出則認(rèn)為系統(tǒng)不能達(dá)到要求的性能指標(biāo)。觀察表1可知,計(jì)數(shù)器的測(cè)量值顯示時(shí)間間隔在1 ms與1 s時(shí)波動(dòng)比較大,而在1 ns和1 μs時(shí)波動(dòng)并不明顯。通過對(duì)比理論的偏差最大值與實(shí)際偏差最大值可知,實(shí)際偏差最大值符合理論偏差的0.001 5%±0.3 ns,因此實(shí)現(xiàn)了全量程高精度時(shí)間間隔的測(cè)量。

系統(tǒng)的分辨率主要與TDC-GP2有關(guān),系統(tǒng)由兩片TDC-GP2分別實(shí)現(xiàn)精細(xì)時(shí)間測(cè)量,單片TDC-GP的典型分辨率為50 ps,理論上系統(tǒng)測(cè)量分辨率為100 ps,并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后,系統(tǒng)的分辨率將會(huì)提高。采用步進(jìn)的方法,每次時(shí)間間隔遞增100 ps進(jìn)行測(cè)量,記錄如表2所示。分析數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)可以達(dá)到100 ps的時(shí)間間隔分辨能力。

表2 時(shí)間間隔測(cè)量分辨率數(shù)據(jù)記錄表

在測(cè)量結(jié)束后,通過USB接口將測(cè)量的中間數(shù)據(jù)以及輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼XCEL表格中通過公式計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)算原始測(cè)量數(shù)據(jù),并與輸出結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),如圖7所示?？梢钥闯鲚敵鰯?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比,剔除了粗大值,并通過均值濾波在保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的情況下平穩(wěn)輸出。

圖7 時(shí)間間隔測(cè)量原始值與輸出值對(duì)比

對(duì)輸出結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)頻度與正態(tài)分布相吻合,驗(yàn)證了時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)大致上符合正態(tài)分布的判斷,如圖8所示。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本地時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間間隔測(cè)量,并且結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出也在保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的情況下減小了干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖8 數(shù)據(jù)時(shí)間間隔數(shù)據(jù)的分布情況

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)試驗(yàn)中本地守時(shí)信號(hào)和授時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)間偏差的高精度測(cè)量,設(shè)計(jì)了一種基于銣原子鐘和雙TDC-GP2的高精度、高分辨率、大量程連續(xù)測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)測(cè)量量程可達(dá)1 ns～1 s,分辨率達(dá)100 ps,精度達(dá)0.0015%±0.3 ns,滿足高精度時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的要求。

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[9] ACAM公司. TDC-GP2 Datasheet[EB/OL]. http://www.acam.de,2007.

TheDesignofHighprecisionTimeReferenceMeasurementSystemBasedonRubidiumDisciplinedCrystalOscillatorandDoubleTDCGP2*

CUIYongjun1,2*,LIUYang1,2,YANGBing1,2

(1.National key laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test,North University of China,Taiyuan 030051,China;)

Combined with the latest Time-to-Digital Converter technology,a high-precision time reference measure-ment system design is put forward,which is based on rubidium disciplined crystal oscillator and double TDC-GP2 for the problem of the low precision,low resolution,small measuring range and design complex of the precision time benchmark for the moment. Combined with FPGA and PC then the high precision,high resolution and large range continuous measurement of the time base error were realized based on simplified design. After testing,the system measurement range is 1 ns～1 s,the resolution reaches 100 ps,the precision up to 0.001 5%±0.3 ns,which meets the design requirements.

high-precision standard deviation measurement;TDC-GP2;rubidium disciplined crystal oscillator;direct pulse counting method;

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.005

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61335008)

2016-07-05修改日期2016-09-01

TM935

A

1005-9490(2017)05-1072-06

崔永俊(1973-),男,漢族,山西忻州人,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,博士,副教授,主要從事納米測(cè)試技術(shù)與儀器方向的研究,annayucyj@nuc.edu.cn;

劉陽(yáng)(1992-),女,漢族,山西長(zhǎng)治人,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,在讀碩士研究生,主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器方向的研究,2193580481@qq.com。