基于TDC-GP22的45pS分辨率時間間隔測試電路

汪劍+楊健

【摘要】 時間間隔測試是利用GPS、北斗等秒脈沖馴服晶振或銣鐘，產生再生秒脈沖的基礎，時間間隔的測試精度直接關系到晶振或銣鐘的馴服精度和再生秒的穩定度。該文提出了基于ACAM公司的超聲波流量計TDC-GP22和FPGA AFS600實現的高精度時間間隔測試方案，TDC-GP22芯片利用邏輯門延遲來實現高精度時間測量，該方案在AFS600內部設計了粗計數器和精確脈寬產生電路和單片機，實驗結果表明，測試分辨率可達45pS，測試精度優于100pS。

【關鍵詞】 TDC-GP22 時間間隔測試 時間數字轉換器

一、引言

在航天、電力、通信、銀行等領域都需要較高精度的時間基準和標準頻率信號，保證測試數據的有效性和控制的準確性，雖然GPS和北斗模塊的秒信號精度達到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，因此通常的應用是利用GPS或北斗來馴服晶振或銣鐘，使晶振或銣鐘的長期穩定度提高一個等級，同時利用晶振或銣鐘的分頻秒作為再生秒，克服GPS或北斗秒信號的短期不穩定性。而時間間隔測試是GPS或北斗馴服晶振或銣鐘的基礎，本文利用ACAM公司的TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片，設計了一款時間間隔測試電路，分辨率可達45pS。

二、基本原理

時間間隔測試的基本原理，晶振或銣鐘的分頻秒前沿與GPS或北斗秒的前沿會產生一個時間間隔T，用周期為T0的填充脈沖來填充該時間間隔，利用填充脈沖個數與填充脈沖周期的乘積來表示時間間隔，其測試得到的脈寬為T2+T0，而實際脈沖寬度為T1+T2+T3，這樣就產生量化誤差T0-T1-T3，該誤差小于一個脈沖周期。當采用較高精度的填充頻率時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的測試精度是提高測試分辨率的關鍵。

本文采用ACAM公司的超聲波流量計TDC-GP22來提高測試分辨率，由于TDC-GP22的測試范圍最大只有4mS，不能測試較寬的脈沖，因此本文采用MICROSEMI的FPGA芯片AFS600來分段測試時間間隔，T2由FPGA搭建的計數器通過脈沖計數獲得。由于TDC-GP22的測試范圍最小為3.5nS，為了避免出現小于3.5nS的測試脈寬，利用AFS600產生脈沖T4和脈沖T5，T4和T5脈沖分別由被測脈寬的上升沿和下降沿開門，由填充脈沖的第二個上升沿關門產生，這樣T4和T5的脈沖寬度均大于100nS小于200nS，在TDC-GP22的測試范圍內，利用兩片TDC-GP22分別測試T4和T5的脈沖寬度，對應關系可得測試脈寬為：

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、電路實現

3.1 TDC-GP22簡介

TDC-GP22是ACAM公司生產的超聲波熱表水表專用雙通道時間數字轉換器，其管腳，在本設計中只應用其時間數字轉換器部分，其時間數字轉換器部分利用邏輯門電路的傳輸延遲時間來測試脈沖寬度，通過計算脈寬時間內信號經過多少個邏輯門電路來計算脈寬。它有兩個測量范圍，測量范圍1時雙通道精度90pS，單通道雙精度45pS，測試范圍3.5nS～2.5mS；測量范圍2時單通道精度90pS，雙精度模式45pS，四精度模式22pS，測試范圍500nS～4mS。采用4線SPI通信接口，提供3個測試數據存儲空間，與該公司的第一代TDC芯片TDC-GP1（單精度測試分辨率250pS，雙精度測試分辨率為125pS）和第二代TDC芯片TDC-GP2（單精度測試分辨率130pS，雙精度測試分辨率為65pS）相比，測試分辨率有較大提高。

3.2硬件電路構成

時間間隔測試電路， GPS或北斗秒信號經過隔離保護電路后進入FPGA芯片， 銣鐘或晶振的10MHz填充頻率信號經過放大整形后變成方波信號進入FPGA，10MHz信號進入FPGA后分為三路，一路在單片機的控制下，由GPS或北斗秒同步產生分頻秒；一路進入脈沖計數電路作為填充脈沖；另一路進入鎖相電路，產生20MHz、4MHz和32.768KHz信號，20MHz信號作為單片機的工作頻率信號，4MHz和32.768KHz信號作為TDC-GP22的工作頻率信號。分頻秒與GPS或北斗秒產生的脈寬進入脈寬計數電路，產生計數脈沖N送到單片機，脈寬前沿與10MHz產生T4脈寬，由第一片TDC-GP22進行測試，脈寬后沿與10MHz產生T5脈寬，由第二片TDC-GP22進行測試，測試結果由單片機讀取。單片機是利用MICROSEMI公司提供的網表文件在FPGA內部創建的，鎖相電路也是利用MICROSEMI公司的LIBERO開發環境里的靜態鎖相環路生成的。電源電路產生3.3V工作電壓和1.5V FPGA核電壓，顯示電路由單片機控制顯示測試結果，通信接口電路負責模塊與上位機通信。

四、軟件實現

系統軟件主要在MICROSEMI公司的LIBERO開發環境里利用Verilog HDL語言編寫FPGA程序，首先利用MICROSEMI公司提供的網表文件在FPGA內部創建了一個單片機，該單片機用來初始化TDCGP22，讀取GPS或北斗狀態、銣鐘狀態、脈沖計數結果和兩片TDC-GP22的測試結果，由公式2計算時間間隔并計算銣鐘或晶振精度、確定修正量，單片機軟件流程如圖1所示。

該設計的突出特點是T4和T5脈寬的設計實現，該脈寬設計保證T4和T5的脈沖寬度均大于100nS而小于200nS，在TDC-GP22的測試范圍內，下面以T4的脈寬設計為例說明該部分軟件實現。在硬件上電時軟件將狀態機和T4脈沖置0。當時間間隔的上升沿到來時，狀態機和T4脈沖置1。當狀態機為1時，第一個填充脈沖上升沿使狀態機置2。第二個填充脈沖上升沿使狀態機置0，T4脈沖置0，回復初始狀態，保證T4脈沖在時間間隔的上升沿到來時產生，在第二個填充脈沖上升沿時結束。

五、測試誤差分析

根據測試原理，誤差主要包括以下幾個方面：首先是脈沖計數誤差，其誤差大小等于脈沖寬度與填充脈沖的準確度的乘積，由于在測試前我們先利用GPS或北斗秒來同步被測晶振或銣鐘的分頻秒，因此其脈沖寬度由近似零開始，隨著被測晶振或銣鐘的準確度而變化。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，其一天的脈寬計數誤差將優于10pS；其次是TDC-GP22的測試誤差，TDC-GP22的時鐘是由10MHz填充頻率經鎖相電路產生，其準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于0.002pS；最后由于計數器分辨率的影響會產生兩個45pS的量化誤差。綜合考量，其測試精度將優于100pS。

六、結束語

本文基于ACAM公司的時間數字轉換器TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片AFS600設計了一款時間間隔測試模塊，其分辨率達到45pS，測試精度優于100pS，對提升晶振或銣鐘長期穩定度的馴服精度和再生秒的穩定度提供了基礎的數據。

參 考 文 獻

[1] 樊戰友、王大琴、李志剛等. 時間間隔計數器的研制[J].陜西天文臺臺刊，2001.02

[2] 盧靜怡、楊志卿、趙向凱等.基于TDC-GP1的高精度激光測距研究[J].光電應用技術，2013.01

[3] 馬小燕.基于TDC-GP2的時間間隔測量模塊研究[J].機電信息，2012

[4] 穆晨晨、胡偉東.一種基于FPGA的等精度測頻原理的計數器[J].微波學報，2012.08

[5] 周增建. 基于FPGA高分辨率短時間時間間隔測量的研究與實現[J].西安電子技術大學碩士論文，2010

[6] 倪媛媛、胡永輝、何在民. 北斗衛星校準銣鐘單元的設計與實現[J].導航天地，2012.12

[7] 楊兵、崔永俊. 基于TDC-GP2的高精度超聲波流量計的設計[J].電子器件，2016.02