葉世山 謝劍波 陳 潔 趙圣麟 呂金水 馮俊鵬 陳建濤 關(guān)作金 羅新恒 盧子晉 鄧 金 廖一帆 勞 謙 丁莉莎

1 廣東省地震局，廣州市先烈中路81號(hào)，510070 2 珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東省珠海市創(chuàng)新四路60號(hào)，519002

從模擬地震觀測(cè)到數(shù)字地震觀測(cè)，地震事件的時(shí)間標(biāo)識(shí)一直是地震觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。地震數(shù)據(jù)采集器將高精度的衛(wèi)星系統(tǒng)參考時(shí)鐘信號(hào)作為地震事件標(biāo)識(shí)時(shí)間。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)通過(guò)地震數(shù)據(jù)采集器采集參考時(shí)鐘源設(shè)備輸出的分脈沖(pulse per minute, PPM)或時(shí)脈沖(pulse per hour, PPH)信號(hào)，然后分析地震數(shù)據(jù)采集器的相對(duì)時(shí)鐘精度[1-3]。謝劍波等[4]率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集器μs級(jí)時(shí)間精度的誤差測(cè)試，并在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度可能對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器的時(shí)間精度產(chǎn)生影響。為此，本文進(jìn)一步測(cè)試地震數(shù)據(jù)采集器在室溫、低溫恒溫及高溫恒溫環(huán)境中的時(shí)間精度。

1 時(shí)鐘脈沖擴(kuò)展

一般參考時(shí)鐘源設(shè)備輸出的PPM和PPH信號(hào)為200～300 ms窄脈沖，難以滿足測(cè)試地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)間精度的需求[4]。本文采取增加電路的方法使PPM信號(hào)擴(kuò)展為占空比50%的方波串信號(hào)。擴(kuò)展電路使用時(shí)鐘源輸出的PPM信號(hào)和秒脈沖(pulse per second, PPS)信號(hào)，并保持方波上升沿起始于符合精度要求的整分時(shí)刻。

1.1 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

采用tiny13單片機(jī)作為電路主控制器，參考時(shí)鐘源設(shè)備輸出的PPM信號(hào)同時(shí)觸發(fā)單片機(jī)打開0號(hào)端口中斷計(jì)時(shí)及觸發(fā)器74LS74輸出高電平，單片機(jī)在接受參考時(shí)鐘源設(shè)備輸出的30個(gè)PPS脈沖中斷計(jì)數(shù)后，控制74LS74復(fù)位至低電平輸出并關(guān)閉0號(hào)端口中斷功能。循環(huán)過(guò)程可輸出30 s高電平標(biāo)準(zhǔn)寬度的PPM信號(hào)，即占空比為50%的PPM信號(hào)。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖擴(kuò)展電路框圖

當(dāng)測(cè)試10 sps或更低采樣率的時(shí)鐘精度時(shí)，應(yīng)采用PPH信號(hào)[4]。PPH信號(hào)寬度擴(kuò)展為占空比50%的寬度脈沖電路的原理與PPM脈沖擴(kuò)展電路相同，將輸入的PPS換成PPM，PPM換成PPH即可。

1.2 隔離電路設(shè)計(jì)

為防止擴(kuò)展電路的單片機(jī)電路和74LS74觸發(fā)器電路相互干擾，設(shè)計(jì)兩路獨(dú)立的電源分別給單片機(jī)電路和74LS74電路供電，使兩路電源地相互隔離。電路原理框圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)電路和觸發(fā)器電路電源原理框圖

1.3 接口電路匹配與延遲

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，tiny13單片機(jī)在檢測(cè)PPM信號(hào)時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)，經(jīng)查為參考時(shí)鐘源設(shè)備PPS信號(hào)和PPM信號(hào)輸出接口電路與擴(kuò)展電路不匹配所致。在參考時(shí)鐘源設(shè)備的PPS信號(hào)和PPM信號(hào)輸入到擴(kuò)展電路前并聯(lián)一個(gè)200 pF的電容以解決該問題。并聯(lián)電容后可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)延遲問題，但采用示波器測(cè)量發(fā)現(xiàn)延時(shí)小于50 ns，該延遲量對(duì)測(cè)試評(píng)估μs級(jí)的時(shí)間誤差量可以忽略。

2 測(cè)試實(shí)例分析

利用擴(kuò)展的時(shí)鐘方波信號(hào)測(cè)試同一型號(hào)多臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器在正常室溫、低溫恒溫、高溫恒溫工作狀態(tài)下的時(shí)間精度及守時(shí)穩(wěn)定性。測(cè)試使用的地震數(shù)據(jù)采集器為珠海市泰德企業(yè)有限公司生產(chǎn)的TDE-324CI-2021，該型號(hào)地震數(shù)據(jù)采集器在衛(wèi)星授時(shí)同步狀態(tài)下的系統(tǒng)時(shí)鐘精度優(yōu)于0.1 ms，在衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)缺失狀態(tài)下的系統(tǒng)時(shí)鐘漂移小于1 ms/d。地震數(shù)據(jù)采集器機(jī)箱內(nèi)部有溫度傳感器，可存儲(chǔ)秒采樣的溫度監(jiān)測(cè)信息。將用于測(cè)試的4臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器分別編號(hào)為A、B、C、D。測(cè)試時(shí)使用100 sps采樣率和±20 V量程，測(cè)試結(jié)果精確到μs。

2.1 正常室溫環(huán)境下時(shí)鐘精度及穩(wěn)定性

在正常室溫環(huán)境下對(duì)4臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測(cè)試。A、B一直連接衛(wèi)星授時(shí)源，A在最小相位濾波狀態(tài)下工作，B在線性相位濾波狀態(tài)下工作；C授時(shí)同步1 h后斷開授時(shí)源，在最小相位濾波狀態(tài)下守時(shí)工作；D授時(shí)同步1 h后斷開授時(shí)源，在線性相位濾波狀態(tài)下守時(shí)工作。4臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器連續(xù)測(cè)試7 d以上，結(jié)果如圖3所示。

圖3 常溫環(huán)境下時(shí)標(biāo)延遲測(cè)試結(jié)果

圖4為C、D守時(shí)工作狀態(tài)測(cè)試的首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果，包含該段測(cè)試記錄數(shù)據(jù)的起始時(shí)間、該記錄波形為測(cè)試記錄數(shù)據(jù)中第幾個(gè)分脈沖上升沿、該上升沿前后部分采樣點(diǎn)數(shù)值及升采樣插值后的波形、四邊形脈沖參考波形、該上升沿對(duì)應(yīng)的分鐘時(shí)標(biāo)及時(shí)標(biāo)相對(duì)該上升沿50%幅度水平處的時(shí)間差。

圖4 C、D常溫守時(shí)測(cè)試的首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，A、B在持續(xù)授時(shí)狀態(tài)下具有基本一致的時(shí)鐘穩(wěn)定性和相對(duì)精度，長(zhǎng)期時(shí)間精度明顯優(yōu)于10 μs。C斷開授時(shí)源后，經(jīng)歷10 320 min守時(shí)工作，時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.002 915 s變?yōu)?0.007 723 s，平均時(shí)鐘漂移率為-7.76×10-3ppm。地震數(shù)據(jù)采集器D斷開授時(shí)源經(jīng)歷相同時(shí)長(zhǎng)后，時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.000 033 s變?yōu)?0.001 943 s，平均時(shí)鐘漂移率為-3.08×10-3ppm。

整個(gè)測(cè)試過(guò)程從2021-01-08 19:00開始，開始階段實(shí)驗(yàn)室中除本次測(cè)試的4臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器外還有較多其他設(shè)備處于工作狀態(tài)。約在01-11 18：00前0.5 h，其他設(shè)備全被撤出。該過(guò)程在圖3(c)溫度記錄中有所反映：其他設(shè)備撤出前溫度變化無(wú)明顯規(guī)律，撤出后溫度下降約1 ℃；之后地震數(shù)據(jù)采集器機(jī)箱內(nèi)溫度隨室溫變化。在01-11 18：00前溫度下降約1 ℃后，A、B時(shí)標(biāo)精度均發(fā)生相似的μs級(jí)變化，而C、D時(shí)鐘漂移趨勢(shì)也發(fā)生轉(zhuǎn)折。之后在環(huán)境日溫變化中，C、D時(shí)鐘漂移也均在環(huán)境溫度最低點(diǎn)稍遲后存在趨勢(shì)變化。時(shí)鐘漂移趨勢(shì)相對(duì)溫度變化的延遲似乎指示溫度變化的積累效應(yīng)，為此在基線校正后對(duì)溫度記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)值積分處理，并與原時(shí)鐘漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，溫度積分的拐點(diǎn)與時(shí)鐘漂移的拐點(diǎn)具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5)。

圖5 時(shí)鐘漂移與環(huán)境溫度變化積累效應(yīng)對(duì)比

2.2 低溫恒溫環(huán)境下守時(shí)穩(wěn)定性

將B和D放置在溫度為-10 ℃的恒溫箱中連續(xù)工作7 d以上，恒溫狀態(tài)下授時(shí)完成后斷開授時(shí)源。圖6是B、D時(shí)標(biāo)精度變化情況及機(jī)箱內(nèi)溫度記錄。數(shù)據(jù)顯示，2臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器溫度差約為0.5 ℃，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中各機(jī)箱內(nèi)溫度變化約在0.25 ℃范圍內(nèi)，時(shí)標(biāo)延遲變化平穩(wěn)。

圖6 低溫恒溫環(huán)境下守時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

圖7為B、D斷開授時(shí)源時(shí)刻起首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)歷10 361 min守時(shí)工作，B時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.000 023 s變?yōu)?0.032 531 s，平均時(shí)鐘漂移率為-5.23×10-2ppm；D時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.000 027 s變?yōu)?0.025 721 s，平均時(shí)鐘漂移率為-4.13×10-2ppm。

圖7 B、D在低溫恒溫環(huán)境下守時(shí)測(cè)試的首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果

2.3 高溫恒溫環(huán)境下守時(shí)穩(wěn)定性

將B和D放置在溫度為64 ℃的恒溫箱中連續(xù)工作7 d以上，恒溫狀態(tài)下授時(shí)完成后斷開授時(shí)源。圖8是B、D時(shí)標(biāo)精度變化情況及機(jī)箱內(nèi)溫度記錄。數(shù)據(jù)顯示，2臺(tái)地震數(shù)據(jù)采集器溫度差極小，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中各機(jī)箱內(nèi)溫度變化約在0.25 ℃范圍內(nèi)，時(shí)標(biāo)延遲變化平穩(wěn)。

圖8 B、D在高溫恒溫環(huán)境下守時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

圖9為B、D斷開授時(shí)源時(shí)刻起首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)歷10 324 min守時(shí)工作，B時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.000 029 s變?yōu)?.005 204 s，平均時(shí)鐘漂移率為8.45×10-3ppm；D時(shí)標(biāo)時(shí)延從-0.000 049 s變?yōu)?.004 764 s，平均時(shí)鐘漂移率為7.77×10-3ppm。

圖9 B、D在高溫恒溫環(huán)境下守時(shí)測(cè)試的首個(gè)及最后一個(gè)分脈沖詳細(xì)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

正常室溫環(huán)境下，持續(xù)授時(shí)狀態(tài)的A、B時(shí)標(biāo)延遲均優(yōu)于10 μs，當(dāng)環(huán)境溫度在0.5 h內(nèi)發(fā)生約1 ℃的溫度下降時(shí)，時(shí)標(biāo)時(shí)延存在μs級(jí)變化。守時(shí)工作的C、D在測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)出部分相同的變化趨勢(shì)：1)環(huán)境溫度在0.5 h內(nèi)發(fā)生約1 ℃的溫度下降時(shí)，地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘漂移趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折；2)在環(huán)境溫度日變化中，溫度達(dá)到最低值后，地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘漂移趨勢(shì)也發(fā)生轉(zhuǎn)折；3)時(shí)鐘漂移趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間比溫度下降到最低點(diǎn)稍有延遲，并且該延遲指示溫度變化的積累效應(yīng)。

在-10 ℃和64 ℃恒溫下，B、D守時(shí)測(cè)試結(jié)果均表現(xiàn)出單調(diào)的漂移特性，在誤差量級(jí)可以接受的情況下可近似為線性。本文認(rèn)為地震數(shù)據(jù)采集器在恒溫環(huán)境中的時(shí)延單調(diào)漂移特性由個(gè)體使用的晶振器件決定，并與環(huán)境溫度值有關(guān)。