張 宇， 陳 靜， 龍 波， 黃徐瑞晗， 王菊鳳， 韓 鋒， 沈 力

(1. 貴州省計量測試院，貴州 貴陽 550003;2. 貴州省機械電子產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院，貴州 貴陽 550081)

1 引 言

數(shù)字時鐘是以數(shù)字形式顯示當前時刻(年、月、日、時、分、秒)的裝置，采用石英晶體振蕩器或原子頻率標準作為內(nèi)部振蕩器，可通過互聯(lián)網(wǎng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)、外接參考時鐘信號等方式進行時間同步，廣泛應用于醫(yī)療、金融、高鐵等行業(yè)，在計量領(lǐng)域的檢定或校準需求不斷增加。近年來，數(shù)字時鐘的守時和同步技術(shù)得到快速發(fā)展，利用鎖相環(huán)技術(shù)對內(nèi)部晶振微調(diào)和修正，使守時精度優(yōu)于±1 ms/d，同步精度優(yōu)于200 ns[1～5]。

數(shù)字時鐘的檢定或校準，要解決當前時刻示值與標準時間的時間偏差、守時能力、同步前后的偏差等問題，時間偏差是目前數(shù)字時鐘在各行業(yè)領(lǐng)域較為關(guān)心的指標?，F(xiàn)行國家計量檢定規(guī)程對標準數(shù)字時鐘的測量方法主要是對其頻率和秒脈沖(1 Pulse Per Second，1PPS)輸出接口進行測量，解決了守時能力(鐘速、頻率長期參數(shù))、同步偏差、定時穩(wěn)定度和延時量的測量問題，而未能有效解決數(shù)字時鐘當前時刻示值與標準時間的時間偏差問題。由于同步偏差和定時穩(wěn)定度是基于測量秒脈沖信號的計量特性，并且同步偏差的測量方法從原理上存在的問題是不能保證數(shù)字時鐘當前時刻示值與輸出的秒脈沖信號對應，無法代表數(shù)字時鐘當前時刻的示值與標準時間的時間偏差，對數(shù)字時鐘的時間偏差無法定量測量[6]。

因此，為解決數(shù)字時鐘時間偏差的測量和校準問題，需對數(shù)字時鐘顯示單元進行檢測，產(chǎn)生秒脈沖信號;該秒脈沖信號即代表數(shù)字時鐘的時刻信號，再將此信號與參考秒脈沖信號進行比較，最終得到數(shù)字時鐘當前時刻的時間偏差，對不具備頻率和秒脈沖信號輸出接口的數(shù)字時鐘同樣適用。

對數(shù)字時鐘顯示單元的檢測，若采用圖像或視頻識別技術(shù)對數(shù)字時鐘進行識別檢測，雖識別率較高，但該技術(shù)屬于滯后識別，以此產(chǎn)生的秒脈沖信號具有不固定延時，難以代表數(shù)字時鐘的秒脈沖信號[7～9]。

由于數(shù)字時鐘的顯示單元具有光電特性，光敏電阻和光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件已得到廣泛應用[10～12]。但光敏電阻存在延時特性，不同光照度會影響光敏電阻的響應時間，通常呈非線性[13]，響應時間在毫秒級；但光電二極管中其中一種PIN結(jié)光電二極管，響應時間在納秒級[14]，已能滿足用于測量數(shù)字時鐘的要求。

2 數(shù)字時鐘顯示原理

數(shù)字時鐘通過內(nèi)部晶振或原子頻標產(chǎn)生準確的頻率振蕩信號，供內(nèi)部計數(shù)單元進行以某一時刻為起始點的累積計數(shù)，最終以年、月、日、時、分、秒的數(shù)字方式在顯示單元進行顯示，具有外部時間同步信號輸入接口，使其時刻與外部參考時間進行同步。通常數(shù)字時鐘的顯示單元由數(shù)碼管組成，數(shù)字時鐘組成框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字時鐘組成框架Fig.1 Framework of digital clock

2.1 響應時間

數(shù)字時鐘顯示單元的數(shù)碼管由七段發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)組成，一般分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管，可顯示數(shù)字0～9，數(shù)碼管的亮滅由數(shù)字時鐘內(nèi)部所施加的電壓和電流決定。由于LED本質(zhì)是一個PN結(jié)，在點亮或熄滅時存在響應時間，如圖2所示。

圖2 LED響應時間示意圖Fig.2 Response time of LED

通常，用上升時間Tr和下降時間Tf來表征LED的響應時間，Tr代表LED施加正向?qū)娏鲿r，光照度由10%上升到90%的時間間隔，Tf代表LED無電流流過時，光照度由90%下降到10%的時間間隔。帶來LED響應時間的因素很多，如元器件的材料，結(jié)電容等，但總體響應時間短，不超過100 ns[15,16]。

2.2 顯示邏輯

數(shù)字時鐘通過施加在七段LED(用字母a～g表示)上的不同信號，從而顯示出0～9的數(shù)字，如共陽極數(shù)碼管，要顯示數(shù)字“0”，應分別給a～g施加0、0、0、0、0、0、1(0代表低電平點亮，1代表高電平熄滅)，則數(shù)字時鐘的秒位數(shù)碼管從數(shù)字“0”到“9”的信號波形如圖3所示。

圖3 數(shù)字時鐘秒位數(shù)碼管信號波形Fig.3 Signal waveform of digital clock LED on second unit

從圖3可知，秒位數(shù)碼管在數(shù)字跳變時，某段LED的亮滅呈現(xiàn)出電壓信號的上升沿或下降沿，因此，檢測LED的上升沿或下降沿成為最終產(chǎn)生秒脈沖的基礎(chǔ)。從波形可知，僅檢測LED的上升沿或下降沿不可行，如由數(shù)字“0”跳變到數(shù)字“1”時，只存在上升沿；由數(shù)字“7”跳變到數(shù)字“8”時，只存在下降沿。

若同時檢測七段LED信號的上升沿和下降沿，將導致重復檢測信號(不同段LED在數(shù)字跳變時，同時產(chǎn)生的上升沿和下降沿均算重復檢測信號)的產(chǎn)生，最壞情況下在一次數(shù)字跳變中產(chǎn)生4個重復檢測信號，互相干擾，造成干擾的因素主要由LED的響應時間以及檢測方法對該響應時間的擴大。通過觀察波形，在某些數(shù)字產(chǎn)生跳變時，僅有一段LED的信號出現(xiàn)上升沿或下降沿，如由數(shù)字“8”跳變到數(shù)字“9”時，僅有e段LED信號發(fā)生改變，呈上升沿r1；由數(shù)字“5”跳變到數(shù)字“6”時，僅有e段LED信號發(fā)生改變，呈下降沿r2，則e段LED必須被檢測。由于從數(shù)字“0”開始跳變再回到數(shù)字“0”的過程中，e段LED已產(chǎn)生了8個檢測信號，僅剩數(shù)字“3”跳變到數(shù)字“4”和數(shù)字“4”跳變到數(shù)字“5”的檢測信號需從其他段LED選取，選取原則為與e段LED重復檢測信號數(shù)最少，滿足條件的有b段LED的上升沿r3，a段LED的上升沿r4、r5，只有r5與e段LED重復，且僅在由數(shù)字“0”跳變到數(shù)字“1”時發(fā)生，相比同時檢測七段LED的信號，最大程度減少了重復檢測信號的產(chǎn)生，保證最終發(fā)生秒脈沖的精度，因此用3個光電轉(zhuǎn)換器即可進行檢測。

3 數(shù)字時鐘校準方法及驗證裝置

3.1 數(shù)字時鐘校準方法

為了對數(shù)字時鐘當前時刻的時間偏差進行測量，需設(shè)計秒脈沖發(fā)生裝置，用于檢測數(shù)字時鐘的顯示單元，并產(chǎn)生秒脈沖用于測量和驗證，校準方法示意圖如圖4所示。

圖4 校準方法示意圖Fig.4 Diagram of calibration method

數(shù)字時鐘上電后，通過外部時間同步信號進行時間同步，待同步完成后，將驗證裝置(秒脈沖發(fā)生裝置)置于數(shù)字時鐘顯示單元上方，用于檢測的光電轉(zhuǎn)換器正對顯示單元的LED，調(diào)整秒脈沖發(fā)生裝置的位置，直到輸出的1PPS信號穩(wěn)定。

將秒脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生的1PPS信號作為時間間隔測量儀的時間間隔測量停止信號端，由參考時間頻率源輸出的1PPS信號作為時間間隔測量儀的時間間隔測量啟動信號端，設(shè)置時間間隔測量儀信號輸入的相關(guān)參數(shù)，啟動時間間隔測量，其測量結(jié)果即數(shù)字時鐘當前時刻與參考時間的時間偏差，根據(jù)需要，將秒脈沖發(fā)生裝置的延時扣除。此外，可根據(jù)測得的時間偏差計算其它計量特性。

對于秒級分辨力以上的時間偏差測量，第一種方法將秒脈沖發(fā)生裝置做到可以同時檢測數(shù)字時鐘顯示單元的年、月、日、時、分、秒，并由參考時間頻率源提供時刻信息，將二者時刻進行比較，秒級以上時差測量結(jié)果顯示在秒脈沖發(fā)生裝置上，也可集成時間間隔測量功能；第二種方法通過觀察數(shù)字時鐘與標準時間秒級以上的時間偏差，由于秒級以上的顯示跳動校慢，便于分辨。

3.2 校準方法的驗證裝置

數(shù)字時鐘采用的LED波長一般在700 nm以下，用PIN結(jié)硅光電二極管進行檢測，可在該波長范圍內(nèi)進行響應，響應時間在納秒級，將LED的亮滅信號實時轉(zhuǎn)為電信號。

硅光電二極管與光敏電阻的工作原理不同，光敏電阻受光照度的影響，實現(xiàn)電阻可變的功能，因此光敏電阻在接入電壓后，反映為電壓的變化，可直接作為比較器的輸入；而硅光電二極管在無光照情況下，只產(chǎn)生極微弱的暗電流，一般小于0.1 nA，在有光照情況下，會使流過PN結(jié)的電流增加，形成光電流，反映為電流的變化，但產(chǎn)生的光電流也很微弱。因此需將硅光電二極管進行電流-電壓轉(zhuǎn)換，使光電流放大轉(zhuǎn)換成線性電壓信號。

為了適應不同光照度檢測環(huán)境和不同數(shù)字時鐘，光電流經(jīng)放大轉(zhuǎn)換后的信號接入比較器進行電壓比較。高速電壓比較器響應速度快，傳播延遲在納秒級。

當電壓比較器輸出周期性的高、低電平后，用D觸發(fā)器將正脈寬減小，再將4路信號經(jīng)過或門，最終形成秒脈沖輸出。驗證裝置(秒脈沖發(fā)生裝置)原理如圖5所示。

圖5 驗證裝置(秒脈沖發(fā)生裝置)原理圖Fig.5 Diagram of testing device (1PPS generator)

3.3 跳變檢測

跳變檢測電路如圖6所示，用于檢測數(shù)碼管a段LED的跳變。

運算放大器U1工作在單電源模式，給運算放大器的同向端加入偏置電壓，使硅光電二極管在無光照情況下處于零點，不會出現(xiàn)硅光電二極管在響應時由負電源帶來的附加延時，并且該偏置電壓也出現(xiàn)在硅光電二極管上形成反向偏置，減小結(jié)電容，提高運行速度。運算放大器輸出電壓為：

(1)

式中：IIPD為硅光電二極管光電流，在該電路下，取R1=R2，則式(1)化簡為：

(2)

圖6 數(shù)字時鐘跳變檢測電路Fig.6 Jump detection circuit of digital clock LED on second unit

通過調(diào)整電阻R10的阻值，改變運算放大器的放大倍數(shù)，若采用前置預放大和二次放大方案，會將R10產(chǎn)生的噪聲也進行放大，噪聲性能差。設(shè)計進行一次放大，直接得到所需的輸出電壓，則R10的計算公式如下：

(3)

式中：IIPD(max)為硅光電二極管最大光電流;VAMP(min)為偏置電壓(包含對暗電流補償);VAMP(max)為運算放大器輸出的最大電壓。

隨著反饋電阻R10不斷增加，運算放大器的帶寬響應頻率則會減小，其帶寬計算公式見式(4)，反饋電容C9可由式(5)得到：

(4)

(5)

式中： f-3dB是運算放大器的-3dB帶寬響應頻率;fGBW為運算放大器的增益帶寬積;CD包括硅光電二極管的結(jié)電容、反饋電容C9、運算放大器差模和共模輸入電容以及電路寄生電容。因此要使得f-3dB帶寬夠大，響應速度快，應選擇fGBW足夠大的運算放大器以及結(jié)電容小的硅光電二極管。若硅光電二極管產(chǎn)生的輸入信號很小，為保證帶寬響應頻率，必要時可采用二次放大方案。

當IIPD(max)為60μA、VAMP(max)為5V時，運算放大器輸出曲線如圖7所示。

圖7 運算放大器輸出曲線Fig.7 Output curve of operational amplifier

將運算放大器的輸出電壓VAMP接入電壓比較器U2的反向輸入端，電壓比較器同向輸入端閾值電壓為VTH。通過計算，當電位器R8阻值范圍在0～5 kΩ以及R9阻值為20 kΩ時，VTH在4～5 V范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)整R8使VTH為4.5 V，則VAMP與VTH的關(guān)系如圖8所示，VAMP與電壓比較器輸出電壓VA的關(guān)系如圖9所示，跳變檢測電路的響應時間如圖10所示。

圖8 VAMP與VTH的關(guān)系Fig.8 The relationship between VAMP and VTH

圖9 VAMP與VA的關(guān)系Fig.9 The relationship between VAMP and VA

圖10 跳變檢測電路的響應時間Fig.10 Response time of jump detection circuit

圖10中，t1為運算放大器的建立時間，t2為高速電壓比較器的傳播延遲，根據(jù)所選擇的放大器和比較器型號不同，t1和t2隨之改變。

3.4 秒脈沖產(chǎn)生

LED跳變檢測后產(chǎn)生的脈沖，需改變其脈寬，以秒脈沖形式表達時鐘的跳變信號。利用D觸發(fā)器的清零端，并結(jié)合電阻-電容電路(resistor-capacitance circuit, RC)，實現(xiàn)秒脈沖的產(chǎn)生[17]，如圖11所示。

圖11 秒脈沖發(fā)生電路Fig.11 Generation circuit of 1PPS

硅光電二極管產(chǎn)生的光電流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換、電壓比較后，輸出高/低電平(如VA)，作為D觸發(fā)器時鐘端(CLK)的輸入，5 V直流電壓信號作為D觸發(fā)器D端的輸入，R16與C11組成RC電路，當VA由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，Q端輸出為高電平，RC電路的充電時間即為輸出脈沖a1的脈寬。C11完成充電后，D觸發(fā)器的清零端(R)為低電平，使D觸發(fā)器Q端清零(低電平)。RC電路中的電阻和電容的精度會影響脈沖寬度的穩(wěn)定性，但不會對脈沖的產(chǎn)生造成延遲，該秒脈沖發(fā)生方法適用于對脈寬要求不高的場合。由于D觸發(fā)器的傳播延遲在納秒級，因此對于關(guān)注秒脈沖時差的場合，該方法較適用。

對于檢測e段LED產(chǎn)生的脈沖，除了在其上升沿時產(chǎn)生脈沖，還應在其下降沿時產(chǎn)生脈沖，因此，檢測e段LED產(chǎn)生的脈沖，一路采用圖11所示的電路連接，另一路先經(jīng)過反相器反相，再接入如圖11所示D觸發(fā)器的時鐘端。

將數(shù)碼管a段、b段、e段(含兩路)對應產(chǎn)生的4路脈沖進行合成，采用或門將4路信號取“或”運算，最終產(chǎn)生一路秒脈沖信號，用于表示數(shù)字時鐘的秒脈沖。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 秒脈沖發(fā)生裝置的延時

實驗設(shè)計電路圖，并制作印制電路板(printed circuit board, PCB)進行實驗，測量秒脈沖發(fā)生裝置的延時，分析其不確定度，實驗方案及所用儀器設(shè)備如圖12所示。

圖12 實驗方案圖Fig.12 Diagram of experimental scheme

實驗用銣頻標(型號：TR2004D)的相對頻率偏差為5×10-11，提供參考頻率信號給函數(shù)發(fā)生器(型號：33250A)和通用計數(shù)器(型號：53230A)。函數(shù)發(fā)生器輸出周期為2 s(占空比50%、峰峰值電壓5 V)的脈沖信號，一路作為時間間隔測量的啟動信號并連接至通用計數(shù)器；另一路連接LED，使LED模擬數(shù)字時鐘數(shù)碼管的跳變，進行周期性亮滅，同時用秒脈沖發(fā)生裝置進行跳變檢測，產(chǎn)生秒脈沖信號作為時間間隔測量的停止信號并連接至通用計數(shù)器。通用計數(shù)器置時間間隔測量模式，測量兩路正脈沖的時間間隔，該時間間隔即為秒脈沖發(fā)生裝置的延時，也可用示波器進行測量[18]。秒脈沖發(fā)生裝置的延時如表1所示。

表1 秒脈沖發(fā)生裝置的延時測量值Tab.1 Delay of 1PPS generator ns

最終秒脈沖發(fā)生裝置延時測量結(jié)果符合預期，其不確定度主要來源于LED響應時間，實驗結(jié)果理想。

4.2 數(shù)字時鐘的時差

實驗采用一種可被UTC(NIM)實時馴服、實時溯源的銣原子振蕩器(UTC(NIM) Disciplined Oscillator, NIMDO)作為參考時間頻率源，與UTC(NIM)的時間偏差在20 ns以內(nèi)[19,20]，輸出標準1PPS作為時間間隔測量的啟動信號；用秒脈沖發(fā)生裝置對被測數(shù)字時鐘(型號：DH1360CS)進行檢測并輸出1PPS作為時間間隔測量的停止信號；時間間隔測量儀器采用通用計數(shù)器(型號：53230A)。時間偏差測量結(jié)果如圖13所示。

圖13 時差測量結(jié)果Fig.13 Measurement results of time offset

在實際測量過程中，應注意避免周圍高亮度環(huán)境對秒脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生干擾，并且在裝置設(shè)計上，需考慮防電磁干擾的設(shè)計方案。實驗制作的PCB電路板如圖14所示，硅光電二極管直接焊接在電路板背面。

圖14 秒脈沖發(fā)生裝置PCB電路板Fig.14 PCB of 1PPS generator

5 結(jié) 論

針對目前市場上主流的靜態(tài)顯示數(shù)字時鐘，從顯示原理和邏輯出發(fā)，給出了數(shù)字時鐘校準方法以及驗證裝置，采用硅光電二極管作為跳變檢測的前端光電轉(zhuǎn)換器件，并設(shè)計檢測電路與秒脈沖發(fā)生電路，分析了電路中影響檢測精度的關(guān)鍵因素，輸出代表數(shù)字時鐘的秒脈沖用于測量，從測量原理上，保證了數(shù)字時鐘的有效溯源。用制作的實物PCB電路板進行測量實驗，實驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案可有效用于數(shù)字時鐘的測量。

在跳變檢測方法中，可根據(jù)實際應用場景的精度要求，合理選擇光電二極管，其響應時間和結(jié)電容是影響檢測精度的關(guān)鍵因素，必要時還可采用雪崩光電二極管提高檢測精度，響應時間在亞納秒級。同時靈活選擇放大方案，合理搭配反饋電阻及反饋電容，在運算放大器芯片的選擇上，需綜合考慮其增益帶寬積是否滿足設(shè)計需求。

為進一步提高秒脈沖發(fā)生的精度，可采用數(shù)字電位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋鈕式電位器，由于不同數(shù)碼管段均可觸發(fā)秒脈沖的發(fā)生，四路不同檢測信號對相同亮度的響應時間應盡可能一致，以減小四路不同檢測信號所發(fā)生秒脈沖的抖動。

下一步完善對動態(tài)掃描顯示的數(shù)字時鐘進行測量，對檢測的跳變信號進行濾波處理，過濾掉動態(tài)掃描產(chǎn)生的脈沖，加入時間間隔測量功能，完善數(shù)字時鐘顯示單元全檢測，進一步提高校準效率。