汪劍+楊健

【摘要】 時(shí)間間隔測(cè)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(shí)間間隔的測(cè)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(jì)TDC-GP22和FPGA AFS600實(shí)現(xiàn)的高精度時(shí)間間隔測(cè)試方案，TDC-GP22芯片利用邏輯門延遲來實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量，該方案在AFS600內(nèi)部設(shè)計(jì)了粗計(jì)數(shù)器和精確脈寬產(chǎn)生電路和單片機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試分辨率可達(dá)45pS，測(cè)試精度優(yōu)于100pS。

【關(guān)鍵詞】 TDC-GP22 時(shí)間間隔測(cè)試 時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性和控制的準(zhǔn)確性，雖然GPS和北斗模塊的秒信號(hào)精度達(dá)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(gè)等級(jí)，同時(shí)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(hào)的短期不穩(wěn)定性。而時(shí)間間隔測(cè)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(jì)了一款時(shí)間間隔測(cè)試電路，分辨率可達(dá)45pS。

二、基本原理

時(shí)間間隔測(cè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間間隔T，用周期為T0的填充脈沖來填充該時(shí)間間隔，利用填充脈沖個(gè)數(shù)與填充脈沖周期的乘積來表示時(shí)間間隔，其測(cè)試得到的脈寬為T2+T0，而實(shí)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(gè)脈沖周期。當(dāng)采用較高精度的填充頻率時(shí)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(cè)試精度是提高測(cè)試分辨率的關(guān)鍵。

本文采用ACAM公司的超聲波流量計(jì)TDC-GP22來提高測(cè)試分辨率，由于TDC-GP22的測(cè)試范圍最大只有4mS，不能測(cè)試較寬的脈沖，因此本文采用MICROSEMI的FPGA芯片AFS600來分段測(cè)試時(shí)間間隔，T2由FPGA搭建的計(jì)數(shù)器通過脈沖計(jì)數(shù)獲得。由于TDC-GP22的測(cè)試范圍最小為3.5nS，為了避免出現(xiàn)小于3.5nS的測(cè)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(cè)脈寬的上升沿和下降沿開門，由填充脈沖的第二個(gè)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(cè)試范圍內(nèi)，利用兩片TDC-GP22分別測(cè)試T4和T5的脈沖寬度，對(duì)應(yīng)關(guān)系可得測(cè)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(shí)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其管腳，在本設(shè)計(jì)中只應(yīng)用其時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分，其時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分利用邏輯門電路的傳輸延遲時(shí)間來測(cè)試脈沖寬度，通過計(jì)算脈寬時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過多少個(gè)邏輯門電路來計(jì)算脈寬。它有兩個(gè)測(cè)量范圍，測(cè)量范圍1時(shí)雙通道精度90pS，單通道雙精度45pS，測(cè)試范圍3.5nS～2.5mS；測(cè)量范圍2時(shí)單通道精度90pS，雙精度模式45pS，四精度模式22pS，測(cè)試范圍500nS～4mS。采用4線SPI通信接口，提供3個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，與該公司的第一代TDC芯片TDC-GP1（單精度測(cè)試分辨率250pS，雙精度測(cè)試分辨率為125pS）和第二代TDC芯片TDC-GP2（單精度測(cè)試分辨率130pS，雙精度測(cè)試分辨率為65pS）相比，測(cè)試分辨率有較大提高。

3.2硬件電路構(gòu)成

時(shí)間間隔測(cè)試電路， GPS或北斗秒信號(hào)經(jīng)過隔離保護(hù)電路后進(jìn)入FPGA芯片， 銣鐘或晶振的10MHz填充頻率信號(hào)經(jīng)過放大整形后變成方波信號(hào)進(jìn)入FPGA，10MHz信號(hào)進(jìn)入FPGA后分為三路，一路在單片機(jī)的控制下，由GPS或北斗秒同步產(chǎn)生分頻秒；一路進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)電路作為填充脈沖；另一路進(jìn)入鎖相電路，產(chǎn)生20MHz、4MHz和32.768KHz信號(hào)，20MHz信號(hào)作為單片機(jī)的工作頻率信號(hào)，4MHz和32.768KHz信號(hào)作為TDC-GP22的工作頻率信號(hào)。分頻秒與GPS或北斗秒產(chǎn)生的脈寬進(jìn)入脈寬計(jì)數(shù)電路，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖N送到單片機(jī)，脈寬前沿與10MHz產(chǎn)生T4脈寬，由第一片TDC-GP22進(jìn)行測(cè)試，脈寬后沿與10MHz產(chǎn)生T5脈寬，由第二片TDC-GP22進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果由單片機(jī)讀取。單片機(jī)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(jī)控制顯示測(cè)試結(jié)果，通信接口電路負(fù)責(zé)模塊與上位機(jī)通信。

四、軟件實(shí)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(gè)單片機(jī)，該單片機(jī)用來初始化TDCGP22，讀取GPS或北斗狀態(tài)、銣鐘狀態(tài)、脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果和兩片TDC-GP22的測(cè)試結(jié)果，由公式2計(jì)算時(shí)間間隔并計(jì)算銣鐘或晶振精度、確定修正量，單片機(jī)軟件流程如圖1所示。

該設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)是T4和T5脈寬的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該脈寬設(shè)計(jì)保證T4和T5的脈沖寬度均大于100nS而小于200nS，在TDC-GP22的測(cè)試范圍內(nèi)，下面以T4的脈寬設(shè)計(jì)為例說明該部分軟件實(shí)現(xiàn)。在硬件上電時(shí)軟件將狀態(tài)機(jī)和T4脈沖置0。當(dāng)時(shí)間間隔的上升沿到來時(shí)，狀態(tài)機(jī)和T4脈沖置1。當(dāng)狀態(tài)機(jī)為1時(shí)，第一個(gè)填充脈沖上升沿使?fàn)顟B(tài)機(jī)置2。第二個(gè)填充脈沖上升沿使?fàn)顟B(tài)機(jī)置0，T4脈沖置0，回復(fù)初始狀態(tài)，保證T4脈沖在時(shí)間間隔的上升沿到來時(shí)產(chǎn)生，在第二個(gè)填充脈沖上升沿時(shí)結(jié)束。

五、測(cè)試誤差分析

根據(jù)測(cè)試原理，誤差主要包括以下幾個(gè)方面：首先是脈沖計(jì)數(shù)誤差，其誤差大小等于脈沖寬度與填充脈沖的準(zhǔn)確度的乘積，由于在測(cè)試前我們先利用GPS或北斗秒來同步被測(cè)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(cè)晶振或銣鐘的準(zhǔn)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(jì)數(shù)誤差將優(yōu)于10pS；其次是TDC-GP22的測(cè)試誤差，TDC-GP22的時(shí)鐘是由10MHz填充頻率經(jīng)鎖相電路產(chǎn)生，其準(zhǔn)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(jì)數(shù)器分辨率的影響會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)45pS的量化誤差。綜合考量，其測(cè)試精度將優(yōu)于100pS。

六、結(jié)束語

本文基于ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片AFS600設(shè)計(jì)了一款時(shí)間間隔測(cè)試模塊，其分辨率達(dá)到45pS，測(cè)試精度優(yōu)于100pS，對(duì)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(xiàn)

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