基于TDC-GP22的45pS分辨率时间间隔测试电路

【摘要】 时间间隔测试是利用GPS、北斗等秒脉冲驯服晶振或铷钟，产生再生秒脉冲的基础，时间间隔的测试精度直接关系到晶振或铷钟的驯服精度和再生秒的稳定度。该文提出了基于ACAM公司的超声波流量计TDC-GP22和FPGA AFS600实现的高精度时间间隔测试方案，TDC-GP22芯片利用逻辑门延迟来实现高精度时间测量，该方案在AFS600内部设计了粗计数器和精确脉宽产生电路和单片机，实验结果表明，测试分辨率可达45pS，测试精度优于100pS。

【关键词】 TDC-GP22 时间间隔测试 时间数字转换器

一、引言

在航天、电力、通信、银行等领域都需要较高精度的时间基准和标准频率信号，保证测试数据的有效性和控制的准确性，虽然GPS和北斗模块的秒信号精度达到100nS，但是其所给精度是在一定置信概率下的精度，不能保证每一秒都在需要的精度范围内，因此通常的应用是利用GPS或北斗来驯服晶振或铷钟，使晶振或铷钟的长期稳定度提高一个等级，同时利用晶振或铷钟的分频秒作为再生秒，克服GPS或北斗秒信号的短期不稳定性。而时间间隔测试是GPS或北斗驯服晶振或铷钟的基础，本文利用ACAM公司的TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片，设计了一款时间间隔测试电路，分辨率可达45pS。

二、基本原理

时间间隔测试的基本原理，晶振或铷钟的分频秒前沿与GPS或北斗秒的前沿会产生一个时间间隔T，用周期为T0的填充脉冲来填充该时间间隔，利用填充脉冲个数与填充脉冲周期的乘积来表示时间间隔，其测试得到的脉宽为T2+T0，而实际脉冲宽度为T1+T2+T3，这样就产生量化误差T0-T1-T3，该误差小于一个脉冲周期。当采用较高精度的填充频率时T2的精度就较高，误差主要来源于量化误差T1和T3，如何提高T1和T3的测试精度是提高测试分辨率的关键。

本文采用ACAM公司的超声波流量计TDC-GP22来提高测试分辨率，由于TDC-GP22的测试范围最大只有4mS，不能测试较宽的脉冲，因此本文采用MICROSEMI的FPGA芯片AFS600来分段测试时间间隔，T2由FPGA搭建的计数器通过脉冲计数获得。由于TDC-GP22的测试范围最小为3.5nS，为了避免出现小于3.5nS的测试脉宽，利用AFS600产生脉冲T4和脉冲T5，T4和T5脉冲分别由被测脉宽的上升沿和下降沿开门，由填充脉冲的第二个上升沿关门产生，这样T4和T5的脉冲宽度均大于100nS小于200nS，在TDC-GP22的测试范围内，利用两片TDC-GP22分别测试T4和T5的脉冲宽度，对应关系可得测试脉宽为：

上式中T0为填充频率的周期，为已知量，因而只要获得N、T4和T5的值，就可以求出T。

三、电路实现

3.1 TDC-GP22简介

TDC-GP22是ACAM公司生产的超声波热表水表专用双通道时间数字转换器，其管脚，在本设计中只应用其时间数字转换器部分，其时间数字转换器部分利用逻辑门电路的传输延迟时间来测试脉冲宽度，通过计算脉宽时间内信号经过多少个逻辑门电路来计算脉宽。它有两个测量范围，测量范围1时双通道精度90pS，单通道双精度45pS，测试范围3.5nS～2.5mS；测量范围2时单通道精度90pS，双精度模式45pS，四精度模式22pS，测试范围500nS～4mS。采用4线SPI通信接口，提供3个测试数据存储空间，与该公司的第一代TDC芯片TDC-GP1（单精度测试分辨率250pS，双精度测试分辨率为125pS）和第二代TDC芯片TDC-GP2（单精度测试分辨率130pS，双精度测试分辨率为65pS）相比，测试分辨率有较大提高。

3.2硬件电路构成

时间间隔测试电路， GPS或北斗秒信号经过隔离保护电路后进入FPGA芯片， 铷钟或晶振的10MHz填充频率信号经过放大整形后变成方波信号进入FPGA，10MHz信号进入FPGA后分为三路，一路在单片机的控制下，由GPS或北斗秒同步产生分频秒；一路进入脉冲计数电路作为填充脉冲；另一路进入锁相电路，产生20MHz、4MHz和32.768KHz信号，20MHz信号作为单片机的工作频率信号，4MHz和32.768KHz信号作为TDC-GP22的工作频率信号。分频秒与GPS或北斗秒产生的脉宽进入脉宽计数电路，产生计数脉冲N送到单片机，脉宽前沿与10MHz产生T4脉宽，由第一片TDC-GP22进行测试，脉宽后沿与10MHz产生T5脉宽，由第二片TDC-GP22进行测试，测试结果由单片机读取。单片机是利用MICROSEMI公司提供的网表文件在FPGA内部创建的，锁相电路也是利用MICROSEMI公司的LIBERO开发环境里的静态锁相环路生成的。电源电路产生3.3V工作电压和1.5V FPGA核电压，显示电路由单片机控制显示测试结果，通信接口电路负责模块与上位机通信。

四、软件实现

系统软件主要在MICROSEMI公司的LIBERO开发环境里利用Verilog HDL语言编写FPGA程序，首先利用MICROSEMI公司提供的网表文件在FPGA内部创建了一个单片机，该单片机用来初始化TDCGP22，读取GPS或北斗状态、铷钟状态、脉冲计数结果和两片TDC-GP22的测试结果，由公式2计算时间间隔并计算铷钟或晶振精度、确定修正量，单片机软件流程如图1所示。

该设计的突出特点是T4和T5脉宽的设计实现，该脉宽设计保证T4和T5的脉冲宽度均大于100nS而小于200nS，在TDC-GP22的测试范围内，下面以T4的脉宽设计为例说明该部分软件实现。在硬件上电时软件将状态机和T4脉冲置0。当时间间隔的上升沿到来时，状态机和T4脉冲置1。当状态机为1时，第一个填充脉冲上升沿使状态机置2。第二个填充脉冲上升沿使状态机置0，T4脉冲置0，回复初始状态，保证T4脉冲在时间间隔的上升沿到来时产生，在第二个填充脉冲上升沿时结束。

五、测试误差分析

根测试原理，误差主要包括以下几个方面：首先是脉冲计数误差，其误差大小等于脉冲宽度与填充脉冲的准确度的乘积，由于在测试前我们先利用GPS或北斗秒来同步被测晶振或铷钟的分频秒，因此其脉冲宽度由近似零开始，随着被测晶振或铷钟的准确度而变化。以晶振精度为1×10-8为例，一天86400秒其脉冲宽度增加到0.864mS，其一天的脉宽计数误差将优于10pS；其次是TDC-GP22的测试误差，TDC-GP22的时钟是由10MHz填充频率经锁相电路产生，其准确度与填充频率一致，由于其脉冲宽度小于200nS，因此这部分引起的误差将优于0.002pS；最后由于计数器分辨率的影响会产生两个45pS的量化误差。综合考量，其测试精度将优于100pS。

六、结束语

本文基于ACAM公司的时间数字转换器TDC-GP22和MICROSEMI的FPGA芯片AFS600设计了一款时间间隔测试模块，其分辨率达到45pS，测试精度优于100pS，对提升晶振或铷钟长期稳定度的驯服精度和再生秒的稳定度提供了基础的数据。

参 考 文 献

[1] 樊战友、王大琴、李志刚等. 时间间隔计数器的研制[J].陕西天文台台刊，2001.02

[2] 卢静怡、杨志卿、赵向凯等.基于TDC-GP1的高精度激光测距研究[J].光电应用技术，2013.01

[3] 马小燕.基于TDC-GP2的时间间隔测量模块研究[J].机电信息，2012

[4] 穆晨晨、胡伟东.一种基于FPGA的等精度测频原理的计数器[J].微波学报，2012.08

[5] 周增建. 基于FPGA高分辨率短时间时间间隔测量的研究与实现[J].西安电子技术大学硕士论文，2010

[6] 倪媛媛、胡永辉、何在民. 北斗卫星校准铷钟单元的设计与实现[J].导航天地，2012.12

[7] 杨兵、崔永俊. 基于TDC-GP2的高精度超声波流量计的设计[J].电子器件，2016.02