基于铷原子钟和双TDC-GP2的高精度时间基准测量系统的设计*

崔永俊,刘 阳,杨 兵

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

基于铷原子钟和双TDC-GP2的高精度时间基准测量系统的设计*

崔永俊1,2*,刘 阳1,2,杨 兵1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

针对目前精密时间基准测试仪测量精度低、分辨率低、测量范围小、设计复杂等不足,结合最新的时间-数字转换技术,设计了基于铷原子钟和双TDC-GP2的高精度时间基准测量系统。结合FPGA和上位机,在简化设计的基础上实现了时间基准偏差的高精度、高分辨率、大量程连续测量。经过测试,系统测量量程为1 ns～1 s,时差测量分辨率达到100 Ps,精度达0.001 5%±0.3 ns,满足设计要求。

高精度基准偏差测量;TDC-GP2;铷原子钟;直接脉冲计数法

精密时间基准测试仪主要针对航天战略技术武器型号研制需求以及发射场精确时间同步的要求,为其在研制和试验的各个阶段提供高精度的时间基准和频率信号,精确测量各测控设备与时统中心站时间基准的延迟时间间隔,保证靶场试验的各测控设备之间实现高精度时间同步。精确的时间间隔测量技术,尤其是皮秒(1 ps=10-12s)量级的测量技术对国民经济和国防建设有重大意义[1],它广泛应用于原子物理、天文实验、激光测距、通信、雷达、卫星导航、定位定时、航天遥测遥控和军事等领域[2]。目前国外的技术和产品具有显著优势,HP公司生产的时间间隔计数器HP5371分辨率达200 ps,HP5360分辨率达100 ps,商用计数器SR620的最高分辨率可达25 ps[3]。国内的技术和产品还很薄弱,普遍存在精度和分辨率不高,测量范围小、设计复杂等问题。

针对上述问题,设计了基于铷原子钟和双TDC-GP2芯片的高精度时间基准测量系统。采用小型铷原子钟为系统提供基准信号,在简化设计的基础上实现本地守时信号和授时基准信号偏差的高精度、高分辨率、大量程连续测量。

1 高精度时间基准测量系统总体方案

1.1 高精度时间基准测量系统结构设计

高精度时间基准测量系统设计思路如图1所示,系统主要由铷原子钟信号输入模块、时间间隔测量模块、FPGA时序控制及数据处理模块、电源隔离模块、ARM人机交互模块五部分组成。

图1 高精度时间基准测量系统结构设计模块图

1.2 高精度时间基准测量系统工作原理

时间-数字转换技术TDC(Time-to-Digital Converter)是指将时间间隔转换为数字信号的一种技术方法[4]。TDC-GP2是德国ACAM公司继TDC-GP1后新推出的一款高精度时间间隔测量芯片,以COMS处理器实现的数字化传播时间应用为基础,拥有高精度测时分辨率[5]。

图2 高精度时间基准测量系统工作原理示意图

高精度时间基准测量系统采用粗测量和精测量结合的方法测量基准授时信号与本地守时信号之间的时间偏差,如图2所示。设开始(Start)信号为GPS基准授时信号,截止(Stop)信号为本地守时信号,TX即为所测偏差,高精度铷原子钟提供10 MHz基准频率信号CLK。将Start信号和Stop信号投影在基准脉冲信号CLK上,TX被分解为T1、T2和T33段,T1、T2为精细测量部分,T3为粗测量部分。粗测量T3通过直接脉冲计数法实现,采用FPGA片内高速计数器对授时信号与守时信号之间的基准频率信号上升沿进行计数,实现了大量程测量[6]。精细测量T1和T2采用两片TDC-GP2设计两个独立的精密时间间隔测量电路,保证系统具有高精度、高分辨率。GPS授时信号秒脉冲(PPS)触发则进行一次测量,FPGA提供高逻辑电平控制持续测量,直到检测到低电平截止信号时停止测量,TDC每次测量完要再次开始测量时为其提供复位信号,实现了时间间隔的连续测量。

CLK的周期为T,计数为n,精细测量部分延迟单元的延迟为τ,得TX的计算式(1):

Tx=T3+T1-T2=n·T+(M-N)·τ

(1)

2 高精度时间基准测量系统硬件电路设计

系统硬件电路主要分为铷原子钟信号输入模块、时间间隔测量模块、ARM人机交互模块3部分。

2.1 铷原子钟信号输入模块

在采用数字集成电路实现时间到数字的转换时,需要时间稳定性和温度稳定性都非常好的时间频率基准源,传统晶体振荡器产生信号精度低、长期稳定性差,不能满足要求[7]。采用小型铷原子钟PRS10为系统提供10 MHz频率的高稳基准信号,PRS10具有体积小、低漂移、低相噪、高稳定度等优点[8]。铷原子钟信号输入模块电路设计如图3所示。利用LED灯指示铷原子钟是否处于稳定输出状态。当铷原子钟未锁定时,J100的LOCK/1PPS管脚输出一个5 V的高电平,锁定后连续输出秒脉冲,使电磁继电器HS-212的4管脚导通,LED灯点亮。当铷原子钟处于稳定输出状态时,PRS10产生的10 MHz的差分信号由J100管脚输出,通过T100变频放大之后送入倍频器。T100是中频变压器,额定频率是10.7 MHz,在输出端接一个27 pF的去耦电容,使输出频率能精确到10 MHz。

图3 铷原子钟信号输入模块电路设计

2.2 时间间隔测量模块

时间间隔测量模块分为3部分:两个精细测量部分T1和T2,一个粗测量部分T3。

精细测量:由两片TDC-GP2芯片TDC1和TDC2实现两个独立的精细时间间隔测量电路。TDC-GP2芯片主要由TDC时间间隔测量单元、主控制器单元、温度测量单元和ALU处理器等部分组成,能实现高精度时间间隔测量,双通道、单通道测量分辨率均可达到65 ps[9]。铷原子钟提供10 MHz基准频率信号,TDC1测T1,Start信号为卫星授时脉冲信号;TDC2测T2,Start信号为本地守时脉冲信号;两路Stop信号分别为各自Start信号紧接着的基准频率信号。TDC-GP2有两个测量范围,采用测量范围1,即双通道测量,两个Stop通道共用一个Start通道,测量范围为0～1.8 μs。TDC1的外围电路设计如图4所示。

图4 TDC-GP2外围电路设计

使用Start和Stop1通道,Stop2通道截止,通过下拉电阻防止信号干扰,将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个端口,同时将TDC的中断信号端INTN分别与FPGA的I/O端连接,FPGA通过SPI总线实现TDC芯片的参数配置和结果数据输出。粗测量:由FPGA及其外围电路组成。

2.3 ARM人机交互模块

ARM人机交互模块基于OK335XD开发板开发而成,采用TI公司Sitara系统的ARM处理器AM335X。时间间隔测量模块与ARM模块的通信采用RS232串口模块实现,采用MAX3245实现电平转换。

3 高精度时间基准测量系统软件设计

系统软件设计包括TDC-GP2参数配置及测量流程、高速计数器设计两部分。FPGA通过SPI总线对两片TDC-GP2芯片和片内高速计数器的逻辑控制实现基准时间偏差测量。

3.1 TDC-GP2参数配置及测量流程

TDC-GP2作为系统的核心部件,对其配置和控制的好坏直接影响测量结果的准确性,两片TDC-GP2参数配置一致。TDC-GP2有6个24位寄存器Reg0～Reg5,采用8位操作码对寄存器进行读写。TDC-GP2测量流程图如图5所示。

图5 TDC-GP2测量流程图

设置TDC-GP2的工作模式为测量范围1,Stop1通道对应Start通道进行两次采样,上升沿触发。每轮测量开始时都进行时钟校准,设置参考时钟内部分频器为1,定义ALU数据处理公式为1.Stop Ch1-Start和2.Stop Ch2-1.Stop Ch1,中断源设置为ALU空闲或TDC单元溢出。每次配置之前发送复位信号0x50,然后发送6个寄存器写寄存器命令为:

Reg0:0x80008660

Reg1:0x81014200 0x81124200

Reg2:0x82c00000 Reg3:0x83180000

Reg4:0x84200000 Reg5:0x85080000

系统有两次采样,ALU每次只允许计算一次采样,需要向Reg1中写入新的命令指示ALU计算其他采样,因此对Reg1配置进行两次编码。每次获得时间间隔2配置寄存器之后,将寄存器配置为原来的参数,从而实现了测量的循环进行,即系统要求得连续测量。

3.2 高速计数器设计

系统通过FPGA片内编程设计高速计数器实现粗时间间隔测量,如图6所示,利用100 MHz晶振对10 MHz的基准脉冲进行计数。计数器的位数为32位,扩展时间间隔测量范围为0～1.5 s。

gener_count通过对截止信号进行10个计数周期的延时,判断提取沿边获得一个对应时间间隔的高电平en_count,通过两个计数单元分别计数,gener_data根据en_count的电平置低,读取两个计数模块count_rising的计数,减去延时的10个计数周期后输出,即计数结果减1。

其中count_rising模块通过8位计数器和16位计数器串联获得,实现对10 MHz的上升沿进行计数的功能。

图6 高速计数器程序结构图

4 高精度时间基准测量系统测试结果

高精度时间基准测量系统的时间间隔等于精细时间加粗时间,而量程的扩展主要和粗时间有关,通过扩展计数器的位数来实现,经验证系统测量范围可达1 ns～1 s,远远超过了单片TDC-GP2的测量范围0～1.8 μs。

系统的量程为1 ns～1 s,因此取量程内1 ns、1 μs、1 ms和1 s 4个时间间隔进行测量,数据如表1所示。

表1 时间间隔测量分辨率数据记录表

表1中,预测计数器的最大测量值是根据计数器的性能指标计算计数器可能的最大偏差,如果超出则技术错误;实际偏差为计数器与本系统测量数值之间差值的标准差;预测偏差为按照系统的精度公式计算的最大偏差值,如果超出则认为系统不能达到要求的性能指标。观察表1可知,计数器的测量值显示时间间隔在1 ms与1 s时波动比较大,而在1 ns和1 μs时波动并不明显。通过对比理论的偏差最大值与实际偏差最大值可知,实际偏差最大值符合理论偏差的0.001 5%±0.3 ns,因此实现了全量程高精度时间间隔的测量。

系统的分辨率主要与TDC-GP2有关,系统由两片TDC-GP2分别实现精细时间测量,单片TDC-GP的典型分辨率为50 ps,理论上系统测量分辨率为100 ps,并且对结果进行数据处理之后,系统的分辨率将会提高。采用步进的方法,每次时间间隔递增100 ps进行测量,记录如表2所示。分析数据可知,系统可以达到100 ps的时间间隔分辨能力。

表2 时间间隔测量分辨率数据记录表

在测量结束后,通过USB接口将测量的中间数据以及输出的结果数据传输到EXCEL表格中通过公式计算进行数据分析。计算原始测量数据,并与输出结果数据进行比对,如图7所示。可以看出输出数据与原始数据相比,剔除了粗大值,并通过均值滤波在保留数据细节的情况下平稳输出。

图7 时间间隔测量原始值与输出值对比

对输出结果数据进行分析,数据频度与正态分布相吻合,验证了时间间隔测量数据大致上符合正态分布的判断,如图8所示。

经过实验验证,高精度时间基准测量系统可以实现对本地时间基准的时间间隔测量,并且结果数据的输出也在保留数据细节的情况下减小了干扰对系统的影响。

图8 数据时间间隔数据的分布情况

5 结束语

为了实现靶场试验中本地守时信号和授时基准信号时间偏差的高精度测量,设计了一种基于铷原子钟和双TDC-GP2的高精度、高分辨率、大量程连续测量的时间基准测量系统。测试结果表明,系统测量量程可达1 ns～1 s,分辨率达100 ps,精度达0.0015%±0.3 ns,满足高精度时间基准测量系统的要求。

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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

项目来源:国家自然科学基金项目(61335008)

2016-07-05修改日期2016-09-01

TM935

A

1005-9490(2017)05-1072-06

崔永俊(1973-),男,汉族,山西忻州人,中北大学仪器与电子学院,博士,副教授,主要从事纳米测试技术与仪器方向的研究,annayucyj@nuc.edu.cn;

刘阳(1992-),女,汉族,山西长治人,中北大学仪器与电子学院,在读硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器方向的研究,2193580481@qq.com。