实时温度补偿的TDC时间间隔测量方法设计与实现

马 成,陈华明,龚 航,孙广富

(国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航定位技术工程研究中心,湖南 长沙 410073)

0 引 言

在GNSS系统中,高精度的时间间隔测量技术在时频基准完好性监测上有着重大意义。近年来基于时间数字转换(TDC)芯片的精密时间间隔测量技术是研究的热点,美、日、欧等国家均对此做了大量研究,他们利用在集成电路领域的优势,发展了大量成熟的TDC测量芯片,分辨率一般在15 ～25 ps之间[1-2].

TDC测量的优点是成本低、技术简单、集成度高、功耗低、性能稳定且表现出很好测量精度[1-4].但由于电路元件存在固有的温度敏感性[3-4],导致时间间隔测量结果存在较强的温度相关性,引起测量误差,需要反复的校准。

针对TDC时间间隔测量中的温度误差,提出了一种TDC温度补偿方案,解决时间间隔测量受温度影响的问题。

1 方法原理

1.1 TDC时间间隔测量原理

TDC时间间隔测量的实现原理如图1所示[3,5]。 TDC测量一般至少存在两个输入通道fch1和fch2,测量开始后fch1、fch2通过检测器产生的触发脉冲输入、接着鉴别器利用脉冲信号边沿达到预先设定的门限的时刻产生Start开门和Stop关门脉冲,再通过时间数字转换得到开阀门到关阀门累计时标τ的二进制计数个数N,通过计算可以求得信号之间经过的时差T,完成本次时间间隔测量。

图1 TDC时间间隔测量实现原理

实现TDC的方法有很多,如计数器方式、电流积分方式、数字时延线方式、延迟锁定环方式[6]等。图2示出了一种基于数字时延线结构的TDC基本结构[3，6],图中每两个基本的CMOS反向门和1个D触发器组成一个延时单元,每个延时单元的时延固定且相同(精度在ps量级),起始脉冲信号沿延迟线传播,当终止脉冲来到时,经过若干延时单元到达相应的抽头处的起始脉冲信号被记录入寄存器,由此即可测得时间间隔。

图2中,假设每个延时单元的时延值为τ,寄存器记录的Start脉冲信号和Stop脉冲信号经过的时延单元数为N,时间间隔测量值为T,则

T=N×τ，

(1)

图2 数字时延线结构的TDC原理

电子测量误差来源按其性质和特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差三种[7],在TDC测量中随机误差通过多次等精度测量平均减少,粗大误差通过阈值判决剔除,系统误差是TDC测量分析的重点。

根据图2测量原理及参考文献 [8]～[10]，系统误差来源有电源电压、环境温度、信号源噪声、触发电平、系统布线、系统时钟、通道时延等,主要误差源为延时单元的时延值τ随温度变化的波动。因此,需要对TDC的测量结果进行温度补偿。

1.2 TDC温度补偿方法原理

TDC的测量误差与温度存在较强的相关性[4],根据这种相关性提出一种温度补偿方法。实现原理如图3所示,被测输入信号为f1、f2,测量前先将f1功分为2路,进Stop1通道前的功分信号需要增加一段固定时延线用于满足TDC最小测量范围及零值校准;将3路输入信号接入TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道,同时时间同步单元利用参考时钟fc产生本地时间戳;当TDC时差测量和温度测量开启后,时间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻,并将输出的时差Yt、T1-2和温度Xt进行实时对齐后输入到误差传递函数模块和实时温度补偿模块,其中Yt表示TDC测量的Start开门信号至Stop1关门信号的时差原始观测量、T1-2表示TDC测量的Start开门信号至Stop2关门信号的时差原始观测量;接着,误差传递函数模块利用前N个点观测量时差Yt、温度Xt为取样窗口拟合温度与通道1时差的误差传递函数,另外,误差传递函数会通过取样窗口实时滑动自动更新;最后利用实时更新的误差传递函数和当前测量温度对当前测量的T1-2(t)进行补偿,输出f1至f2的时间间隔值ΔT.

图3 TDC温度补偿方法原理

具体来说,文中的TDC温度补偿方法是基于通道1同源测量的前n个点观测量的误差预报对通道2当前测量值实时温度补偿实现的。

假设,在一段时间戳完全同步的时间段t,温度测量单元输出的前N个观测量的时间序列为Xt,同时TDC测量单元通道1输出的前N个观测量的时间序列为Yt,Xt和Yt以等间隔h输入到误差传递函数模块中,从而得到由双变量过程产生的一对离散时间序列,将时间序列在时刻t0+h,t0+2h,…,t0+Nh的值记为(X1,Y1),(X2,Y2),…,(XN,YN).

设Xt序列随时间变化的函数为xt,设Yt随时间变化的函数为yt,由于xt、、yt、的时刻一一对应,所以可以根据前N个观测量,以温度值为x坐标,TDC原始观测量为y坐标,拟合出温度与TDC原始观测量的相关函数，记为

y=f(x).

(2)

由于Yt测量的输入信号同源,且在GNSS时频基准系统中输入信号f1的频率稳定度<1×10-10@1s.在对TDC测量结果进行实时补偿时需要一个补偿的参考原点,由式(2),不妨设在温度x=C0时,测量通道1的时间间隔值真值为常数y=A,即(C0,A)为补偿的参考原点。

设在t时刻,实时测量的温度为Ct,由公式(2)求推导出的对应TDC测量计算值为Tt、原始测量值偏离真实值的误差为δt,则

(3)

设在t时刻,TDC实时测量输出的通道2时差原始观测量为T1-2,原始测量值偏离真实值的误差为δ,实时补偿后输出的时间间隔值为T,由于TDC测量通道1和通道2的电路特性相同,可以认为通道2的温度测量误差和通道1相同,则有:

T=T1-2-δ=T1-2-δt

=T1-2-f(Ct)-A.

(4)

由式(4)即为得到通道2实时温度补偿后输出的f1至f2的时间间隔。

2 实现流程

以上讨论了利用温度测量数据对TDC时间间隔进行实时补偿的方法原理,其实现流程如图4所示。具体实现步骤为:1)开启TDC测量和温度测量;2)实时给每一个输出到数据处理前的TDC观测量和温度观测量打上对应的时刻信息;3)同步每组TDC和温度观测量对应的时刻信息;4)取t时刻前等间隔的N个TDC通道1原始观测量和温度观测量为样本,拟合公式(2)温度与测量值的关系函数;5)利用公式(4)对TDC通道2的原始观测量进行实时温度补偿;6)t时刻输出f1和f2补偿后的时间间隔测量值;7)滑动取样窗口N,更新误差传递实验,进行下一次温度补偿。

图4 TDC温度补偿方法实现流程图

3 实验与结果分析

1)测试平台

为了验证方法的性能,搭建了测试平台,如图5所示。TDC测量模块、温度测量模块及ARM数据处理模块集中在一块测量板卡上,其中TDC芯片测量分辨率典型值为90 ps(RMS),温度测量模块的测量精度为±0.5℃,ARM数据处理模块用于对观测量进行同步处理,温度控制台为一个具备加热功能的风机; SR620为一个高精度的时间间隔计数器,测量分辨率为25 ps(RMS),用于测量温度拟合曲线,并对温度补偿结果进行对比测试验证; PC监控计算机用于记录测试数据。

图5 温度补偿验证测试平台连接图

2)实验结果与分析

图6示出了无温度补偿实时测试输出的结果。

图6 TDC无温度补偿测量结果与SR620测量结果对比

从图6可以看出, TDC的原始测量值受温度影响很大。当外部环境温度不断上升时,由于时间间隔测量采用的延迟器件受温度影响,延迟时间减小,从而时间间隔值减小,曲线成下降趋势;温度下降时,延迟时间增加,从而时间间隔值增加,曲线成上升趋势;当温度达到动态平衡时,时间间隔值也趋于稳定。

图7示出了由TDC的通道1原始测量值和温度值。由公式(2)拟合的函数y=f(x).

图7 函数y=f(x)曲线

从图中测试结果和拟合的误差函数表明, TDC通道1的原始观测量值和温度变化两者关系为负线性相关。图8示出了利用公式(4)进行实时补偿后的测试结果。从图8的实测结果可以得出,对TDC通道2原始测量值进行温度补偿后,其测得的时间间隔值明显得到改善,几乎不受温度影响。在连续4 h的测试样本中,TDC通过补偿后测量值的标准偏差由未补偿的270 ps降低到了76 ps,TDC测量精度得到较大改善。

图8 TDC 温度补偿后实测结果与SR620测量结果对比

4 结束语

根据TDC测量误差的主要来源,提出了一种TDC时间间隔实时温度补偿的方法,给出了具体的实现原理,通过实验及实测数据分析对方法进行了验证,结果表明本方法可以实时补偿TDC由于温度变化造成的测量误差,使得时间间隔测量精度得到较大改善,该方法对基于TDC的高精度时间间隔测量具有一定应用价值。

[1]李孝辉,周 渭.时间频率天文发展报告[R].西安:国家授时中心,2008.

[2]STASZEWSKI R B, LEIPOLD D,etal. TDC-based frequency synthesizer for wireless applica-tions. [J].IEEE Radio Frequency Integrated Cir-cuits Symposium,2004:215-218.

[3]李孝辉,杨旭海,刘 娅,等.时间频率信号的精密测量[M].西安:科学出版社,2010.

[4]CHEN Chunchi, LIN Shihao,etal. An area-efficient CMOS time-to-digital converter based on a pulse-shrinking scheme [J]. Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on,2014,61(3):163-167.

[5]王松武,将志坚. 电子测量仪器原理及应用(I)[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2002.

[6]丁建国,沈国报,刘松强. 基于数字延时线的高分辨率TDC系统[J].核技术,2005,28(3):173-175.

[7]张永瑞.电子测量技术基础[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[8]王 希.高分辨率数字计时器TDC的设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2007.

[9]刘 娅.多通道数字化频率测量方法研究与实现[D].北京:中国科学研究院,2010.

[10]罗尊旺.一种基于TDC的时间间隔测量方法的研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.