應用于UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)終端中的時間間隔計數(shù)器的設計與驗證
發(fā)布時間：2021-02-28 16:36
在UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)終端中,時間間隔計數(shù)器的分辨率和測量精度直接影響著最后的復現(xiàn)精度,為更準確地將我國標準時間UTC（NTSC）傳遞給用戶,不僅要尋求性能更高的授時手段,時間間隔計數(shù)器的設計也尤為重要。介紹了一種基于無間隙衛(wèi)星共視的UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)系統(tǒng)及其核心部分——時間間隔計數(shù)器的設計與驗證。時間間隔計數(shù)器基于FPGA（field-programmable gate array）加法進位鏈設計,實驗驗證其測量誤差小于100ps,對UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)終端的復現(xiàn)誤差貢獻小于1%,滿足UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)終端對時間間隔計數(shù)器的應用需求。
【文章來源】：時間頻率學報. 2019,42(01)
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
圖１ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）遠程復現(xiàn)原理圖
在這個過程中起到了決定性作用，其測量精度直接影響著最后的時間復現(xiàn)精度。因此，對于整個系統(tǒng)而言，設計一個高精度、穩(wěn)定性好的時間間隔計數(shù)器是必須的。２時間間隔計數(shù)器在ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）復現(xiàn)終端中，時間間隔計數(shù)器主要是測量兩個不同來源的１ＰＰＳ信號之間的時間間隔，針對此應用需求，筆者基于精密時間內插法設計了測量范圍為０～１ｓ的時間間隔計數(shù)器。２．１時間間隔計數(shù)器的測量原理時間間隔計數(shù)器的設計采用“粗＋細”的測量模式，原理如圖２所示。圖２時間間隔測量原理粗測量部分采用脈沖計數(shù)法，通過周期為ＴＰ的基準時鐘進行直接脈沖計數(shù)，粗測量部分計數(shù)結果為Ｎ，則該部分測量的時間間隔為ＮＴＰ［８］。但是該部分測量分辨率為ＴＰ，對于小于ＴＰ的時間間隔，如圖２所示的ΔＴ１和ΔＴ２的測量則通過細測量實現(xiàn)。最終待測量的起始信號與停止信號之間的時間間隔為：Ｔ＝ＮＴＰ＋ΔＴ１－ΔＴ２。（１）細測量部分通過利用ＦＰＧＡ內部的加法進位延遲鏈資源實現(xiàn)時間的精密內插，從而有效提升測量的分辨率。ＦＰＧＡ芯片中具有大量的邏輯單元ＬＥ，ＬＥ之間具有用于快速進位功能的進位鏈，其ｃａｒｒｙ－ｉｎ到ｃａｒｒｙ－ｏｕｔ的進位延遲一般都在幾十皮秒，且各級ＬＥ之間沒有多余的走線延遲［９］。將ＬＥ之間的進位延遲作為精密時間內插的最小延遲單元，理論上可以將時間間隔測量的分辨率至少提高到１００ｐｓ，足夠滿足時間復現(xiàn)精度的需求。２．２進位鏈的設計ＦＰＧＡ中進位連線是為了加
得起始信號上升沿和緊接著的下一個時鐘信號上升沿之間的時間間隔，達到細測量的目的［１０］。圖３進位鏈的設計２．３進位鏈的校準由于制作工藝等因素的影響，不同型號的ＦＰＧＡ器件的進位鏈時延是不同的；同一器件各級進位延時單元的時延也并不完全相同，并且很容易隨著工作環(huán)境（溫度、電壓等）的改變而改變。為了使測量結果更加準確，需對進位鏈的各級進位延遲單元的時延進行實時校準［１１］。本文采用基于統(tǒng)計學的碼密度法對各個延遲單元的時延進行校準，校準原理如圖４所示［１２］。圖４碼密度校準原理示意圖大量具有隨機跳變特性的脈沖信號在進位鏈中傳播，同時用周期為ＴＰ的粗計數(shù)基準時鐘信號進行采樣，則隨機脈沖的跳變將均勻地分布在［０，ＴＰ）的區(qū)間內，隨機跳變落入第ｉ級延遲單元內的次數(shù)ｎｉ正比于第ｉ級延時單元的時延ｄｉ，當樣本數(shù)Ｎ足夠大時，則有：ｎｉＮ≈ｄｉＴＰ。（２）可以近似認為進位鏈中各個延遲單元的時延為：ｄｉ＝ｎｉＮ×ＴＰ。（３）當隨機跳變落入到第ｉ級延遲單元時，總時延ｔｉ介于∑ｉ－１ｊ＝０ｄｊ（記為ｔ１）和∑ｉｊ＝０ｄｊ（記為ｔ２）之間，若校準值�。簦�，則測量結果的誤差（標準方差）為：δ２＝１ｔ２－ｔ１∫ｔ２ｔ１（ｔ－ｔｃ）２ｄｔ＝（ｔ２－ｔｃ）２－（ｔ１－ｔｃ）２３（ｔ２－ｔ１）。（４）當進位鏈校準值ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２
【參考文獻】：
期刊論文
[1]UTC（NTSC）遠程高精度復現(xiàn)方法研究及工程實現(xiàn)[J]. 劉婭,陳瑞瓊,趙志雄,李孝輝. 時間頻率學報. 2016(03)
[2]基于改進的衛(wèi)星共視法的遠程時間比對研究[J]. 陳瑞瓊,劉婭,李孝輝. 儀器儀表學報. 2016(04)
[3]基于衛(wèi)星共視的遠程時間頻率校準系統(tǒng)[J]. 陳瑞瓊,劉婭,李孝輝. 電子測量與儀器學報. 2016(01)
[4]一種基于FPGA進位延遲鏈的IGBT柵極電壓米勒時延的高精度測量方法研究[J]. 方化潮,鄭利兵,方光榮,韓立,王春雷. 電工電能新技術. 2015(11)
[5]基于碼密度法的時間數(shù)字轉換器非線性校正方法研究[J]. 賈云飛,鐘志鵬,許孟強,康金. 測控技術. 2015(01)
[6]基于衛(wèi)星共視技術的電網(wǎng)時間同步[J]. 趙當麗,胡永輝,翟慧生,馬紅皎. 電力科學與技術學報. 2011(03)
[7]GPS共視法遠距離時間頻率傳遞技術研究[J]. 高小珣,高源,張越,寧大愚,王偉波. 計量學報. 2008(01)
博士論文
[1]UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)方法研究與工程實現(xiàn)[D]. 陳瑞瓊.中國科學院研究生院(國家授時中心) 2016
[2]基于共視原理的衛(wèi)星授時方法[D]. 許龍霞.中國科學院研究生院（國家授時中心） 2012
碩士論文
[1]基于FPGA時間內插技術的TDC設計[D]. 黃海艦.華中師范大學 2013
本文編號：3056136
【文章來源】：時間頻率學報. 2019,42(01)
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
圖１ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）遠程復現(xiàn)原理圖
在這個過程中起到了決定性作用，其測量精度直接影響著最后的時間復現(xiàn)精度。因此，對于整個系統(tǒng)而言，設計一個高精度、穩(wěn)定性好的時間間隔計數(shù)器是必須的。２時間間隔計數(shù)器在ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）復現(xiàn)終端中，時間間隔計數(shù)器主要是測量兩個不同來源的１ＰＰＳ信號之間的時間間隔，針對此應用需求，筆者基于精密時間內插法設計了測量范圍為０～１ｓ的時間間隔計數(shù)器。２．１時間間隔計數(shù)器的測量原理時間間隔計數(shù)器的設計采用“粗＋細”的測量模式，原理如圖２所示。圖２時間間隔測量原理粗測量部分采用脈沖計數(shù)法，通過周期為ＴＰ的基準時鐘進行直接脈沖計數(shù)，粗測量部分計數(shù)結果為Ｎ，則該部分測量的時間間隔為ＮＴＰ［８］。但是該部分測量分辨率為ＴＰ，對于小于ＴＰ的時間間隔，如圖２所示的ΔＴ１和ΔＴ２的測量則通過細測量實現(xiàn)。最終待測量的起始信號與停止信號之間的時間間隔為：Ｔ＝ＮＴＰ＋ΔＴ１－ΔＴ２。（１）細測量部分通過利用ＦＰＧＡ內部的加法進位延遲鏈資源實現(xiàn)時間的精密內插，從而有效提升測量的分辨率。ＦＰＧＡ芯片中具有大量的邏輯單元ＬＥ，ＬＥ之間具有用于快速進位功能的進位鏈，其ｃａｒｒｙ－ｉｎ到ｃａｒｒｙ－ｏｕｔ的進位延遲一般都在幾十皮秒，且各級ＬＥ之間沒有多余的走線延遲［９］。將ＬＥ之間的進位延遲作為精密時間內插的最小延遲單元，理論上可以將時間間隔測量的分辨率至少提高到１００ｐｓ，足夠滿足時間復現(xiàn)精度的需求。２．２進位鏈的設計ＦＰＧＡ中進位連線是為了加
得起始信號上升沿和緊接著的下一個時鐘信號上升沿之間的時間間隔，達到細測量的目的［１０］。圖３進位鏈的設計２．３進位鏈的校準由于制作工藝等因素的影響，不同型號的ＦＰＧＡ器件的進位鏈時延是不同的；同一器件各級進位延時單元的時延也并不完全相同，并且很容易隨著工作環(huán)境（溫度、電壓等）的改變而改變。為了使測量結果更加準確，需對進位鏈的各級進位延遲單元的時延進行實時校準［１１］。本文采用基于統(tǒng)計學的碼密度法對各個延遲單元的時延進行校準，校準原理如圖４所示［１２］。圖４碼密度校準原理示意圖大量具有隨機跳變特性的脈沖信號在進位鏈中傳播，同時用周期為ＴＰ的粗計數(shù)基準時鐘信號進行采樣，則隨機脈沖的跳變將均勻地分布在［０，ＴＰ）的區(qū)間內，隨機跳變落入第ｉ級延遲單元內的次數(shù)ｎｉ正比于第ｉ級延時單元的時延ｄｉ，當樣本數(shù)Ｎ足夠大時，則有：ｎｉＮ≈ｄｉＴＰ。（２）可以近似認為進位鏈中各個延遲單元的時延為：ｄｉ＝ｎｉＮ×ＴＰ。（３）當隨機跳變落入到第ｉ級延遲單元時，總時延ｔｉ介于∑ｉ－１ｊ＝０ｄｊ（記為ｔ１）和∑ｉｊ＝０ｄｊ（記為ｔ２）之間，若校準值�。簦�，則測量結果的誤差（標準方差）為：δ２＝１ｔ２－ｔ１∫ｔ２ｔ１（ｔ－ｔｃ）２ｄｔ＝（ｔ２－ｔｃ）２－（ｔ１－ｔｃ）２３（ｔ２－ｔ１）。（４）當進位鏈校準值ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２
【參考文獻】：
期刊論文
[1]UTC（NTSC）遠程高精度復現(xiàn)方法研究及工程實現(xiàn)[J]. 劉婭,陳瑞瓊,趙志雄,李孝輝. 時間頻率學報. 2016(03)
[2]基于改進的衛(wèi)星共視法的遠程時間比對研究[J]. 陳瑞瓊,劉婭,李孝輝. 儀器儀表學報. 2016(04)
[3]基于衛(wèi)星共視的遠程時間頻率校準系統(tǒng)[J]. 陳瑞瓊,劉婭,李孝輝. 電子測量與儀器學報. 2016(01)
[4]一種基于FPGA進位延遲鏈的IGBT柵極電壓米勒時延的高精度測量方法研究[J]. 方化潮,鄭利兵,方光榮,韓立,王春雷. 電工電能新技術. 2015(11)
[5]基于碼密度法的時間數(shù)字轉換器非線性校正方法研究[J]. 賈云飛,鐘志鵬,許孟強,康金. 測控技術. 2015(01)
[6]基于衛(wèi)星共視技術的電網(wǎng)時間同步[J]. 趙當麗,胡永輝,翟慧生,馬紅皎. 電力科學與技術學報. 2011(03)
[7]GPS共視法遠距離時間頻率傳遞技術研究[J]. 高小珣,高源,張越,寧大愚,王偉波. 計量學報. 2008(01)
博士論文
[1]UTC（NTSC）遠程復現(xiàn)方法研究與工程實現(xiàn)[D]. 陳瑞瓊.中國科學院研究生院(國家授時中心) 2016
[2]基于共視原理的衛(wèi)星授時方法[D]. 許龍霞.中國科學院研究生院（國家授時中心） 2012
碩士論文
[1]基于FPGA時間內插技術的TDC設計[D]. 黃海艦.華中師范大學 2013
本文編號：3056136
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