应用于UTC（NTSC）远程复现终端中的时间间隔计数器的设计与验证
发布时间：2021-02-28 16:36
在UTC（NTSC）远程复现终端中,时间间隔计数器的分辨率和测量精度直接影响着最后的复现精度,为更准确地将我国标准时间UTC（NTSC）传递给用户,不仅要寻求性能更高的授时手段,时间间隔计数器的设计也尤为重要。介绍了一种基于无间隙卫星共视的UTC（NTSC）远程复现系统及其核心部分——时间间隔计数器的设计与验证。时间间隔计数器基于FPGA（field-programmable gate array）加法进位链设计,实验验证其测量误差小于100ps,对UTC（NTSC）远程复现终端的复现误差贡献小于1%,满足UTC（NTSC）远程复现终端对时间间隔计数器的应用需求。
【文章来源】：时间频率学报. 2019,42(01)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）远程复现原理图
在这个过程中起到了决定性作用，其测量精度直接影响着最后的时间复现精度。因此，对于整个系统而言，设计一个高精度、稳定性好的时间间隔计数器是必须的。２时间间隔计数器在ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）复现终端中，时间间隔计数器主要是测量两个不同来源的１ＰＰＳ信号之间的时间间隔，针对此应用需求，笔者基于精密时间内插法设计了测量范围为０～１ｓ的时间间隔计数器。２．１时间间隔计数器的测量原理时间间隔计数器的设计采用“粗＋细”的测量模式，原理如图２所示。图２时间间隔测量原理粗测量部分采用脉冲计数法，通过周期为ＴＰ的基准时钟进行直接脉冲计数，粗测量部分计数结果为Ｎ，则该部分测量的时间间隔为ＮＴＰ［８］。但是该部分测量分辨率为ＴＰ，对于小于ＴＰ的时间间隔，如图２所示的ΔＴ１和ΔＴ２的测量则通过细测量实现。最终待测量的起始信号与停止信号之间的时间间隔为：Ｔ＝ＮＴＰ＋ΔＴ１－ΔＴ２。（１）细测量部分通过利用ＦＰＧＡ内部的加法进位延迟链资源实现时间的精密内插，从而有效提升测量的分辨率。ＦＰＧＡ芯片中具有大量的逻辑单元ＬＥ，ＬＥ之间具有用于快速进位功能的进位链，其ｃａｒｒｙ－ｉｎ到ｃａｒｒｙ－ｏｕｔ的进位延迟一般都在几十皮秒，且各级ＬＥ之间没有多余的走线延迟［９］。将ＬＥ之间的进位延迟作为精密时间内插的最小延迟单元，理论上可以将时间间隔测量的分辨率至少提高到１００ｐｓ，足够满足时间复现精度的需求。２．２进位链的设计ＦＰＧＡ中进位连线是为了加
得起始信号上升沿和紧接着的下一个时钟信号上升沿之间的时间间隔，达到细测量的目的［１０］。图３进位链的设计２．３进位链的校准由于制作工艺等因素的影响，不同型号的ＦＰＧＡ器件的进位链时延是不同的；同一器件各级进位延时单元的时延也并不完全相同，并且很容易随着工作环境（温度、电压等）的改变而改变。为了使测量结果更加准确，需对进位链的各级进位延迟单元的时延进行实时校准［１１］。本文采用基于统计学的码密度法对各个延迟单元的时延进行校准，校准原理如图４所示［１２］。图４码密度校准原理示意图大量具有随机跳变特性的脉冲信号在进位链中传播，同时用周期为ＴＰ的粗计数基准时钟信号进行采样，则随机脉冲的跳变将均匀地分布在［０，ＴＰ）的区间内，随机跳变落入第ｉ级延迟单元内的次数ｎｉ正比于第ｉ级延时单元的时延ｄｉ，当样本数Ｎ足够大时，则有：ｎｉＮ≈ｄｉＴＰ。（２）可以近似认为进位链中各个延迟单元的时延为：ｄｉ＝ｎｉＮ×ＴＰ。（３）当随机跳变落入到第ｉ级延迟单元时，总时延ｔｉ介于∑ｉ－１ｊ＝０ｄｊ（记为ｔ１）和∑ｉｊ＝０ｄｊ（记为ｔ２）之间，若校准值取ｔｃ，则测量结果的误差（标准方差）为：δ２＝１ｔ２－ｔ１∫ｔ２ｔ１（ｔ－ｔｃ）２ｄｔ＝（ｔ２－ｔｃ）２－（ｔ１－ｔｃ）２３（ｔ２－ｔ１）。（４）当进位链校准值ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２
【参考文献】：
期刊论文
[1]UTC（NTSC）远程高精度复现方法研究及工程实现[J]. 刘娅,陈瑞琼,赵志雄,李孝辉. 时间频率学报. 2016(03)
[2]基于改进的卫星共视法的远程时间比对研究[J]. 陈瑞琼,刘娅,李孝辉. 仪器仪表学报. 2016(04)
[3]基于卫星共视的远程时间频率校准系统[J]. 陈瑞琼,刘娅,李孝辉. 电子测量与仪器学报. 2016(01)
[4]一种基于FPGA进位延迟链的IGBT栅极电压米勒时延的高精度测量方法研究[J]. 方化潮,郑利兵,方光荣,韩立,王春雷. 电工电能新技术. 2015(11)
[5]基于码密度法的时间数字转换器非线性校正方法研究[J]. 贾云飞,钟志鹏,许孟强,康金. 测控技术. 2015(01)
[6]基于卫星共视技术的电网时间同步[J]. 赵当丽,胡永辉,翟慧生,马红皎. 电力科学与技术学报. 2011(03)
[7]GPS共视法远距离时间频率传递技术研究[J]. 高小珣,高源,张越,宁大愚,王伟波. 计量学报. 2008(01)
博士论文
[1]UTC（NTSC）远程复现方法研究与工程实现[D]. 陈瑞琼.中国科学院研究生院(国家授时中心) 2016
[2]基于共视原理的卫星授时方法[D]. 许龙霞.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2012
硕士论文
[1]基于FPGA时间内插技术的TDC设计[D]. 黄海舰.华中师范大学 2013
本文编号：3056136
【文章来源】：时间频率学报. 2019,42(01)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）远程复现原理图
在这个过程中起到了决定性作用，其测量精度直接影响着最后的时间复现精度。因此，对于整个系统而言，设计一个高精度、稳定性好的时间间隔计数器是必须的。２时间间隔计数器在ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）复现终端中，时间间隔计数器主要是测量两个不同来源的１ＰＰＳ信号之间的时间间隔，针对此应用需求，笔者基于精密时间内插法设计了测量范围为０～１ｓ的时间间隔计数器。２．１时间间隔计数器的测量原理时间间隔计数器的设计采用“粗＋细”的测量模式，原理如图２所示。图２时间间隔测量原理粗测量部分采用脉冲计数法，通过周期为ＴＰ的基准时钟进行直接脉冲计数，粗测量部分计数结果为Ｎ，则该部分测量的时间间隔为ＮＴＰ［８］。但是该部分测量分辨率为ＴＰ，对于小于ＴＰ的时间间隔，如图２所示的ΔＴ１和ΔＴ２的测量则通过细测量实现。最终待测量的起始信号与停止信号之间的时间间隔为：Ｔ＝ＮＴＰ＋ΔＴ１－ΔＴ２。（１）细测量部分通过利用ＦＰＧＡ内部的加法进位延迟链资源实现时间的精密内插，从而有效提升测量的分辨率。ＦＰＧＡ芯片中具有大量的逻辑单元ＬＥ，ＬＥ之间具有用于快速进位功能的进位链，其ｃａｒｒｙ－ｉｎ到ｃａｒｒｙ－ｏｕｔ的进位延迟一般都在几十皮秒，且各级ＬＥ之间没有多余的走线延迟［９］。将ＬＥ之间的进位延迟作为精密时间内插的最小延迟单元，理论上可以将时间间隔测量的分辨率至少提高到１００ｐｓ，足够满足时间复现精度的需求。２．２进位链的设计ＦＰＧＡ中进位连线是为了加
得起始信号上升沿和紧接着的下一个时钟信号上升沿之间的时间间隔，达到细测量的目的［１０］。图３进位链的设计２．３进位链的校准由于制作工艺等因素的影响，不同型号的ＦＰＧＡ器件的进位链时延是不同的；同一器件各级进位延时单元的时延也并不完全相同，并且很容易随着工作环境（温度、电压等）的改变而改变。为了使测量结果更加准确，需对进位链的各级进位延迟单元的时延进行实时校准［１１］。本文采用基于统计学的码密度法对各个延迟单元的时延进行校准，校准原理如图４所示［１２］。图４码密度校准原理示意图大量具有随机跳变特性的脉冲信号在进位链中传播，同时用周期为ＴＰ的粗计数基准时钟信号进行采样，则随机脉冲的跳变将均匀地分布在［０，ＴＰ）的区间内，随机跳变落入第ｉ级延迟单元内的次数ｎｉ正比于第ｉ级延时单元的时延ｄｉ，当样本数Ｎ足够大时，则有：ｎｉＮ≈ｄｉＴＰ。（２）可以近似认为进位链中各个延迟单元的时延为：ｄｉ＝ｎｉＮ×ＴＰ。（３）当随机跳变落入到第ｉ级延迟单元时，总时延ｔｉ介于∑ｉ－１ｊ＝０ｄｊ（记为ｔ１）和∑ｉｊ＝０ｄｊ（记为ｔ２）之间，若校准值取ｔｃ，则测量结果的误差（标准方差）为：δ２＝１ｔ２－ｔ１∫ｔ２ｔ１（ｔ－ｔｃ）２ｄｔ＝（ｔ２－ｔｃ）２－（ｔ１－ｔｃ）２３（ｔ２－ｔ１）。（４）当进位链校准值ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２
【参考文献】：
期刊论文
[1]UTC（NTSC）远程高精度复现方法研究及工程实现[J]. 刘娅,陈瑞琼,赵志雄,李孝辉. 时间频率学报. 2016(03)
[2]基于改进的卫星共视法的远程时间比对研究[J]. 陈瑞琼,刘娅,李孝辉. 仪器仪表学报. 2016(04)
[3]基于卫星共视的远程时间频率校准系统[J]. 陈瑞琼,刘娅,李孝辉. 电子测量与仪器学报. 2016(01)
[4]一种基于FPGA进位延迟链的IGBT栅极电压米勒时延的高精度测量方法研究[J]. 方化潮,郑利兵,方光荣,韩立,王春雷. 电工电能新技术. 2015(11)
[5]基于码密度法的时间数字转换器非线性校正方法研究[J]. 贾云飞,钟志鹏,许孟强,康金. 测控技术. 2015(01)
[6]基于卫星共视技术的电网时间同步[J]. 赵当丽,胡永辉,翟慧生,马红皎. 电力科学与技术学报. 2011(03)
[7]GPS共视法远距离时间频率传递技术研究[J]. 高小珣,高源,张越,宁大愚,王伟波. 计量学报. 2008(01)
博士论文
[1]UTC（NTSC）远程复现方法研究与工程实现[D]. 陈瑞琼.中国科学院研究生院(国家授时中心) 2016
[2]基于共视原理的卫星授时方法[D]. 许龙霞.中国科学院研究生院（国家授时中心） 2012
硕士论文
[1]基于FPGA时间内插技术的TDC设计[D]. 黄海舰.华中师范大学 2013
本文编号：3056136
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