基于TDC-GP2的高精度时间间隔测量系统设计*

张彬彬，崔永俊*，杨　兵

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

基于TDC-GP2的高精度时间间隔测量系统设计*

张彬彬1，2，崔永俊1，2*，杨兵1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

为了实现卫星定位系统中的时间同步，设计了一种高精度、高分辨率的时间间隔测量系统。采用两片时间-数字转换芯片TDC-GP2，将脉冲计数法和数字内插法相结合，使测量精确度能够达到1 ns，分辨率可以达到100 ps，量程范围可达1 ns～1 s；具有体积小、精度高、使用灵活等优点，能够广泛的应用到不同的时间同步系统中。

时间间隔测量；TDC-GP2；脉冲计数法；数字内插法；高精度

时间数字转换技术TDC（Time-to-Digital Converters）广泛的应用于时频测量［1］、航天航空、卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理和粒子物理探测等领域［2］。时间间隔测量的精度和分辨率对这些领域的发展起到决定性的作用。因此，如何提高测量时间间隔的精度和分辨率具有重要的研究意义。TDC的实现方法很多，主要包括模拟测量方法和数字测量方法，随着半导体技术的发展和数字电路技术的成熟，数字测量方法成为主流的TDC实现方法。数字测量方法有着高集成度、全数字测量、高分辨率和高稳定度的优点。

1　设计原理

高精度时间间隔测量系统主要由时间间隔测量模块、数据处理和显示模块组成。时间间隔测量模块包括TDC-GP2时差测量模块和FPGA逻辑处理模块两部分，其中 TDC-GP2时差测量模块用于测量待测秒脉冲与接收的卫星信号秒脉冲之间的时间差，并把时间信号转换为数字信号；FPGA逻辑处理模块用于协调各模块之间的工作，包括接收上位机下发的开始测量和停止测量信号，以及在时间间隔测量完成后，发送完成信号通知上位机可以读取数据；数据处理及显示模块用于读取时间间隔测量系统测量的数据，并在上位机进行数据的统计、处理及显示［3］。系统的整体设计框图如图 1所示。

图1　系统的整体设计框图

2　关键技术

系统采用通用时间-数字转换芯片TDC-GP2，TDC-GP2芯片有两种工作模式［4］。工作模式1：两路Stop通道公用一路Start通道，最低有效位为65 ps，测量范围是2.0 ns～1.8 μs；工作模式2：只使用了一路Stop通道对应Start通道，最低有效位为65 ps，测量范围是2×Tref～4ms@4 MHz，其中Tref为芯片内部时钟周期。本系统中采用工作模式1，在工作模式1中芯片是以记录信号通过内部门电路的传播延迟个数来进行高精度时间间隔测量的［5］，其测量时序如图2所示。

图2　时间间隔测量时序图

如图2所示，Start作为时间闸门的开门信号，Stop作为时间闸门的关门信号，Ref作为测量模块的基准信号，其周期为T，Clk为参考时钟，其周期为T1，Δt1和Δt2为精细测量结果，n为粗计数结果。如果Δt小于时钟周期T1，即Start信号上升沿和Stop信号上升沿同时位于一个参考时钟周期内，那么Start或Stop信号的上升沿只有一个会被识别，TDC-GP2无法正常工作，所以在开始测量之前先对Stop信号延时m个参考时钟周期。Start和Stop之间的时间间隔可表示为：

系统设计的测量范围是1ns～1s，而TDC-GP2工作模式1的测量范围为2.0 ns～1.8 μs，那么当Start信号上升沿与Stop信号上升沿不同时位于该范围内时，Δt1与Δt2就不会同时被测量到。由于TDC-GP2芯片完成一次测量到下一次测量之间需要几μs，这样就会造成比较大的工作死区，因此采用两片TDC-GP2芯片分别对Δt1和Δt2进行测量，Δt1与Δt2的测量互不影响，可以同时进行测量。第1片TDC-GP2芯片用于测量卫星信号与基准信号之间的时差Δt1，第2片TDC-GP2芯片用于测量待测信号与基准信号之间的时差△t2。粗计数部分由FPGA实现，Start信号上升沿到来时计数器开始计数，Stop信号上升沿到来时对计数器数值进行锁存，计数器的数值就是粗计数结果［6］。测量完成后，把测量的数据发送给上位机，上位机根据式（1）进行计算，得到精确时间间隔Δt。

3　硬件及软件设计

3.1硬件设计

硬件设计中，时间间隔的精细测量部分是使用TDC-GP2芯片来实现的［7］，图3为TDC-GP2芯片的外围连接电路图，TDC-GP2芯片外接两个晶振，其中4 MHz高速晶振用于时钟校准以及在工作模式2中作为时间测量单元的一部分，32.768 kHz晶振作为基准时钟用来控制高速时钟和进行时钟校准用。Start引脚用于接收时间测量的开始脉冲信号，Stop引脚用于接收时间测量停止脉冲信号。该设计中选择工作模式1模式，在工作模式1中TDC-GP2芯片开通两个Stop通道，而系统只需要1个，因此把Stop2与En_Stop2引脚接地以关闭Stop2通道。SPI总线引脚SSN、SCK、SI、SO经过排阻分别与FPGA的I/O口P1到P4引脚相连。

图3TDC-GP2外围连接电路

硬件电路采用两片TDC-GP2芯片分别对卫星脉冲信号与基准信号之间的时间差以及待测信号与基准信号之间的时间差进行测量，要实现高精度的测量，在PCB板中被测信号和基准信号到达芯片的布线长度应该是相等的，以保证引入最小的硬件误差。TDC-GP2是通过内部门电路的传播延迟来进行高精度的时间间隔测量的，容易受温度和外电源电压的影响，在电路设计中，放置了低阻抗、低阻值的去耦电容，并采用独立的电源层和地层以提高线路的抗干扰能力。

3.2软件设计

系统的软件设计包括用VHDL语言编写的FPGA嵌入式程序和用C#语言编写的上位机程序［8］。主程序流程图如图4所示。

图4　主程序流程图

TDC-GP2芯片的初始化是通过FPGA发送操作码给TDC-GP2芯片来实现的，初始化测量单元与ALU数据处理单元。初始化完成之后，分别对写寄存器reg0～reg5进行配置，reg0中bit（2：0）设置为000，Start、Stop均为上升沿有效，bit（3）设置为0，选择测量范围1，bit4（DisAutoCal）设置为0不选择自动校准功能；reg1中reg（10：8）设置为010，Stop通道1的脉冲数为2，bit（13：11）设置为000，Stop通道2的脉冲数为0，bit（19：16）和bit（23：20）用于定义ALU数据处理的计算方式，第1次设置为测量Start与Stop通道1的第1次采样的时差，第2次设置为测量Stop通道1的第1次采样与第2次采样的时差。配置完寄存器之后，通过FPGA发送启动信号使能TDC-GP2芯片，ALU数据处理单元工作完成后将测量数据存入相应的结果寄存器。

上位机模块担任着数据接收、处理、显示及存储的任务，时间间隔测量模块每秒更新一次测量数据，上位机每200 ms检测一次串口缓冲区内的数据格式，符合要求则读取数据，同时清空缓冲区，否则直接清空缓冲区。串口读取数据后，根据数据帧头判断数据来源，若为时间间隔测量模块发送的数据，则对数据进行提取。然后将数据按照式（1）进行计算，并将计算结果进行误差剔除、计算平均值等处理，最终显示在上位机界面上。

4　测试结果与分析

为了验证时间间隔测量系统的精度，在1 ns～1 s的量程范围内选取多个测量点，在每个测量点进行多次测量并将该系统的测量结果与Agilent公司53132A计数器测量结果进行比较，测量结果如表1所示。

为了验证时间间隔测量系统的，将Agilent公司81110A型脉冲发生器两通道的延时按100 ps递增，进行多组测量得到数据如表2所示。

表1　标定精度测量数据　单位：ns

表2　标定分辨率测量数据　单位：ns

在实际测量中，由于脉冲信号发生器信号存在波动，单次测量的数据是一直跳动的，所以表1和表2中的测量数据都是对100次测量结果进行平均得到的。这样可以减小因信号源波动产生的随机误差，提高系统测量精度。由表1的数据可知，时间间隔测量系统在1 ns、100 ns、500 ns、1 μs、10 μs、50 μs这6个测量点的测量精度都优于1 ns，在1 ns～1 s全量程范围内，精度都优于0.001 5%×设置值+0.3 ps，满足系统测量精度得要求。表2中，测试数据表明脉冲信号发生器的设置时差变化100 ps。样机的测量值也会随着变化70 ps～120 ps，符合系统测量分辨率的要求。

5　结论

为了实现卫星定位系统中的时间同步，设计了一种高精度、高分辨率的时间间隔测量系统。该系统测量范围大、精度高、人机交互界面操作简单。采用双TDC-GP2的设计，消除了测量盲区，扩展了系统的测量范围。通过大量试验测试，该系统能够满足精度1 ns，分辨率100 ps，测量范围1 ns～1 s的测量要求。

［1］瞿鑫，吴云峰，江桓，等.基于FPGA的时间间隔测量系统的设计［J］.电子器件，2013，36（6）：825-827.

［2］周国清，周祥，张烈平，等.面阵激光雷达多通道时间间隔测量系统研制［J］.电子器件，2015，38（1）：166-173.

［3］邢燕.高精度时间间隔测量系统［J］.电子测量技术，2010（5）：1-3，9.

［4］ACAMInc.TDC-GP2用户手册［DB/OL］.（2009-12-21）.http：//www. dzsc.com/uploadfile/company/102330/2008410145650637.Pdf.

［5］高正中，谭冲，赵联成，等.基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计［J］.电子技术应用，2015（7）：61-63，67.

［6］徐圣法.基于TDC_GPX的高精度时间间隔测量方法［J］.国外电子测量技术，2012（12）：40-41，54.

［7］仲峰，万莉萍，岳宇军.高精度时间测量芯片TDC-GP2在激光测距中的应用［J］.工业控制计算机，2007（4）：69-70，72.

［8］杨兵，崔永俊，贾磊，等.基于TDC-GP2的时间间隔测量系统设计［J］.计算机测量与控制，2015（9）：2974-2976.

张彬彬（1990-），男，汉族，山西省太原市，硕士研究生，专业：仪器科学与技术，研究方向为电路与系统，837497088@ qq.com；

崔永俊（1973-），男，汉族，山西省太原市，博士生，副教授，主要研究方向为纳米测试技术与仪器，annayucyj@nuc.edu.cn。

Design of High Precision Time Interval Measurement System Based on TDC-GP2*

ZHANG Binbin1，2，CUI Yongjun1，2*，YANG Bing1，2
（1.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to realize the time synchronization in satellite positioning system，a high precision and high resolution time interval measurement system is designed.Using two time digital converter chip TDC-GP2，the pulse counting method and digital interpolation method are combined，The result shows that the measurement accuracy of the system is 1 ns，the resolution is 100 ps，the measuring range is up to 1 ns～1 s.With the advantages of small size，high accuracy，and flexibility it can be widely used in different time synchronization system.

time interval measurement；TDC-GP2；pulse counting method；digital interpolation method；High-precision

TN787

A

1005-9490（2016）05-1108-05

项目来源：国家自然科学基金项目（61335008）

2015-10-13修改日期：2015-11-11

EEACC:7320K10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.018