基于TDC-GPX2的精密时间间隔测量仪设计

侯志军，马红皎，王康，赵爱萍，邢燕



基于TDC-GPX2的精密时间间隔测量仪设计

侯志军1,2，马红皎1，王康1，赵爱萍1，邢燕1

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600； 2. 中国科学院大学，北京 100049）

为满足科学研究和工程应用中对多通道、高精度时间间隔测量的需求，基于TDC-GPX2时间数字转换芯片设计了一款四通道精密时间间隔测量仪，根据功能控制模块的设置，仪器可实现对不同通道输入信号时间间隔的高精度测量。详细论述了系统的测量原理，硬件组成和软件设计，并搭建实验平台对仪器的性能进行测试与分析。实验结果表明：设计的时间间隔测量仪测量精度优于20 ps，并具有良好的准确性，接入5 MHz的时钟参考其量程可达3.34 s，基本满足大多数时间频率应用领域对测量设备的性能需求。

时间测量；TDC-GPX2；多通道

0 引言

测量两个物理事件间隔的时间或一个物理事件持续的时间称为时间间隔测量，当测量精度优于1 ns时称为高精度时间间隔测量[1]。高精度时间间隔测量技术在原子物理研究、电子通信、激光测距、授时及时间传递等领域有着广泛的应用[2-3]，现已成为卫星导航、航天遥测等国防和军事应用中不可或缺的关键技术[4-5]。

近年来，随着电子技术的不断发展，市面上已出现一些较为常用的时间间隔测量设备，如：美国斯坦福大学研发的通用时间间隔计数器SR620，欧洲粒子物理研究中心设计的时间测量芯片HPTDC，美国惠普公司研制的精密时间间隔测量仪HP5370B等[5-7]。但大多数仪器的通道数量较为有限（如SR620、HP5370B仅有两个测量通道），无法对多个物理事件进行并行观测，现有的多通道测量设备（如HPTDC）在测量精度与测量范围两方面不能同时兼顾，且一般价格较为昂贵，给应用带来诸多不便。

基于此，本文采用德国ACAM公司推出的高性能时间数字转换芯片TDC-GPX2设计了一款四通道时间间隔测量仪TF-NTSC-2014，其操作简单，使用灵活，根据其功能控制模块的设置可实现对高达秒级时间间隔的精密测量，基本满足大多数时间频率应用中对测量设备的性能需求，且仪器成本较低，便于大规模推广应用。

1 测量原理

现代意义的时间间隔测量始于真空管时代，经过不断地发展、改进，目前已产生多种经典的测量方法，按实现的技术，可分为模拟和数字两大类。模拟测量方法，如：时间间隔扩展法、时间幅度转换法，内部需要时间—数字转换过程，响应速度较慢。数字测量方法，如：直接计数法、抽头延迟线法、游标法，可实现待测时间间隔到数字量的直接输出，在现代的测量仪器中得到了普遍采用[8]。

为使设计的时间间隔测量仪在保持较高测量精度的同时具有大的测量范围，易于通道扩展，满足不同应用领域对测量设备的性能需求。本文采用直接计数法与抽头延迟线法相结合的单次内插测量方法对待测时间进行量化，具体实现方案如图1所示[9]。

图1 时间测量原理图

2 系统设计

设计的时间间隔测量仪主要由时间测量单元、微处理器单元、功能控制模块和数据显示模块以及上位机软件组成，其结构如图2所示。系统上电后微处理器单元根据功能控制模块的设置或上位机软件发送的控制命令对系统进行初始化，随后开启时间测量单元，当任一通道有测量信号输入时，时间测量单元对测量信号进行处理生成对应的时间测量结果并产生测量完成信号，微处理器收到测量完成信号后读取各通道的测量结果，根据用户需求计算输出数据，将数据通过串行通信接口发送到上位机软件存储，并控制数据显示模块对其进行显示。

图2 TF-NTSC-2014系统结构图

2.1 硬件组成

根据系统结构及各组成单元的具体功能，选取元器件、绘制电路板对测量仪的硬件部分进行实现，各单元的具体实现方案如下：

时间测量单元由德国ACAM公司最新推出的高性能时间数字转换芯片TDC-GPX2及其外围电路构成，该芯片内部集成24位参考时钟计数器，16级FIFO结果缓存器，最大测量精度可达10 ps，满足设计的性能要求[9]。为使系统结构简单并兼顾应用实际，芯片输入部分采用CMOS电平接入，测量结果通过SPI接口输出，测量完成信号端与微处理器PC4管脚连接通知微处理器读取测量结果，所有未使用的输入引脚接高电平，未用到的输出引脚悬空，以降低系统功耗。

微处理器单元选用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6微处理芯片进行实现，该芯片具有7组16位的可配置I/O管脚，内部集成多种通信接口，满足系统的应用需求[11]。微处理器通过串行通信接口经MAX3232电平转换实现与上位机软件的数据交互，通过SPI接口完成对时间测量单元的配置以及测量结果的读取，通过I/O管脚与其他模块连接，为系统的核心部分。

功能控制模块由8位拨码开关Key1~Key8完成，各开关一端接地另一端与STM32微处理器的PE8~PE15管脚依次连接，允许用户对测量仪进行直接控制。各开关的具体功能如表1所示。

表1 输入控制模块功能表

数据显示模块由16位8段数码管构成，其在微处理器的控制下对系统的输出数据进行直观显示。各数码管的位选端与STM32微处理器PG端口的16个I/O管脚依次连接，高8位的段选端与微处理器的PD8~PD15管脚连接，低8位的段选端与微处理器的PF0~PF7管脚连接，系统将高低8位数码管并行处理，以提高刷新速度、获得良好的显示效果。

按照以上实现方案，利用Altium Desinger电路板制作工具设计完成的硬件电路版图如图3所示。经焊接、调试完成的时间间隔测量仪TF-NTSC-2014主体实物图如图4所示。

图3 硬件电路版图

图4 TF-NTSC-2014主体实物图

2.2 软件设计

时间间隔测量仪软件部分包括上位机应用软件和微处理器驱动程序，上位机应用软件采用Visual Basic语言开发完成，其通过计算机的串行通信接口实现与硬件部分的数据交互，主要用于对微处理器模块的输出数据进行存储、显示，便于以后对数据的处理分析，也可在一定条件下对设计的时间间隔测量仪进行控制，得到需要的测量结果。

微处理器驱动程序主要用于完成系统各硬件模块的控制，时间测量单元测量结果的读取、处理等操作，程序的N-S流程图如图5所示[12]。系统上电后微处理器单元首先进行自身初始化，主要对STM32的工作频率、各输入输出管脚的状态，以及与上位机通信的串行接口，与时间测量单元通信的SPI接口进行配置，然后读取功能控制模块，根据控制源选择位的电平值，按照功能控制模块或上位机软件的控制命令对TDC-GPX2的功能寄存器进行设置，开启时间测量单元、循环等待，当收到时间测量单元发送的测量完成信号后，读取各通道时间测量结果、计算用户需要的数据，将数据发送到上位机软件存储并控制显示模块对其进行显示。由于TDC-GPX2内部各通道均有16级的FIFO对测量结果进行存储，故驱动程序在数据的读取、处理部分采用循环检测而非中断的方式进行，其可使每个输出数据都能在数码管上得到显示[13]。

图5 驱动程序N-S流程图

3 系统误差校准

由于硬件电路设计中各通道的布线无法做到完全一致，以及所用参考时钟准确度的影响使TF-NTSC-2014的输出数据与真实值之间存在一个固定偏差，即：系统误差，当被测时间间隔较小时，测量仪的系统误差主要由不同通道的布线延时误差决定，被测时间间隔较大时，时钟准确度将对测量仪的系统误差产生影响。为使TF-NTSC-2014的输出数据准确、可靠，使用前必须对仪器的系统误差进行校准[14]。

表2 各通道统计结果 ns

参考时钟准确度与实际测量中采用的时钟源有关，对此参考文献[14]和[15]给出了两种较为详细的时钟准确性校准方案，时间间隔测量仪在使用中可任选一种方案对所用的参考时钟进行校准。由于实验采用的时钟信号——国家授时中心钟房主钟输出的10 MHz频率信号，已具有较高的准确性，故本文不再对其进行修正。

4 实验结果及分析

测量仪系统误差修正后，如图6所示，实验以国家授时中心钟房主钟输出的10 MHz频率信号为参考，采用脉冲分配放大器将主钟输出的1PPS秒信号转换为两路信号，使用TF-NTSC-2014的通道1与通道2对这两路信号经两根电缆线L1，L2传播的时延之差L1-L2进行测量，并利用两根等长的电缆线L3，L4将测量仪的输入信号转接至通用时间间隔计数器SR620，以SR620为对比测试。将实验得到的数据绘图显示，SR620的测量结果如图7所示，TF-NTSC-2014的测量结果如图8所示。

图6 实验平台示意图

图7 SR620测量结果

图8 TF-NTSC-2014测量结果

分析图7和图8的测量结果可知：① TF-NTSC-2014的测量数据与SR620的数据相接近，本文采用的实现方案合理、有效。② 测试时间内，TF-NTSC-2014的输出数据总体保持平稳，设计的时间间隔测量仪表现出良好的稳定性。③ 对于固定的时间间隔TF-NTSC-2014的数据波动大于通用时间间隔计数器SR620，故TF-NTSC-2014在测量精度方面有待进一步提高。

进一步对实验时TF-NTSC-2014所用两通道的精细时间测量值1/1×ref，2/2×ref，以及TF-NTSC-2014与SR620的输出数据进行统计分析，得到的概率密度直方图如图9所示，图9中，（a）和（b）分别为通道1和通道2精细时间测量值统计结果，（c）和（d）分别为TF-NTSC-2014与SR620的输出数据统计结果。

图9 概率密度直方图统计结果

由图9的统计数据可知，实验时TF-NTSC-2014两通道测量值的标准差分别为0.060 1 ns和0.059 6 ns，而TF-NTSC-2014输出数据的标准差为0.014 3 ns，由于系统采用不同通道的时间测量结果相减，然后求取待测的时间间隔值，抵消掉了各通道的公共误差部分，从而使TF-NTSC-2014输出数据的标准差小于各通道的标准差，本文选用的测量方法可有效减小外界环境的干扰，得到优于抽头延迟线法本身的测量精度。实验中对于同一时间间隔TF-NTSC-2014的数据均值为138.421ns，标准差为0.014 3ns，SR620的均值为138.386 ns，标准差为0.005 9 ns，二者的均值相差0.035 ns，设计的时间间隔测量仪具有良好的准确性，但与通用时间间隔计数器SR620相比，其测量精度存在一定不足，在参考时钟稳定的情况下，可保持在20 ps以内。

5 结论

本文采用STM32微处理器和TDC-GPX2时间数字转换芯片设计了一款四通道时间间隔测量仪TF-NTSC-2014，详细论述了系统的时间测量原理，硬件组成和软件设计，并搭建实验平台对其性能进行测试、分析。实验结果表明：设计的时间间隔测量仪测量精度可优于20ps，并具有良好的准确性。选用5 MHz的时钟参考，TF-NTSC-2014的量程可达224×200 ns，即：3.34 s，基本满足大多数科学研究和工程应用中对测量设备的性能需求，然而与通用时间间隔计数器SR620相比，其在测量精度方面存在一定不足，有待进一步提高。

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Design of a precise time interval measuring instrument base on TDC-GPX2

HOU Zhi-jun1,2, MA Hong-jiao1, WANG Kang1, ZHAO Ai-ping1, XING Yan1

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to meet the requirement of high precision time interval measurement, a four-channel instrument is designed based on the chip of TDC-GPX2. It can realize the precise time interval measurement according to the setting of its control module. The time measuring principle, hardware and software design are introduced in detail, a platform is built to test its performance. Experimental results show that the measuring accuracy is better than 20 ps, its range can up to 3.34 s while inputting 5 MHz reference frequency, can meet the needs for time interval measurement in most applications.

time measurement; TDC-GPX2;multi-channel

TN965.6

A

1674-0637（2017）04-0213-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-04-0213-08

2017-04-18

地理信息工程国家重点实验室项目（SKLGIE2016-M-1-3）；中国科学院“西部之光”西部青年学者B类资助项目（Y607YR8601）

侯志军，男，硕士，主要从事时间频率测量方面的研究。