环境温度对地震数据采集器时间精度的影响测试

叶世山 谢剑波 陈 洁 赵圣麟 吕金水 冯俊鹏 陈建涛 关作金 罗新恒 卢子晋 邓 金 廖一帆 劳 谦 丁莉莎

1 广东省地震局，广州市先烈中路81号，510070 2 珠海市泰德企业有限公司，广东省珠海市创新四路60号，519002

从模拟地震观测到数字地震观测，地震事件的时间标识一直是地震观测的关键技术之一。地震数据采集器将高精度的卫星系统参考时钟信号作为地震事件标识时间。美国Sandia国家实验室(SNL)通过地震数据采集器采集参考时钟源设备输出的分脉冲(pulse per minute, PPM)或时脉冲(pulse per hour, PPH)信号，然后分析地震数据采集器的相对时钟精度[1-3]。谢剑波等[4]率先在国内实现地震数据采集器μs级时间精度的误差测试，并在测试中发现环境温度可能对地震数据采集器的时间精度产生影响。为此，本文进一步测试地震数据采集器在室温、低温恒温及高温恒温环境中的时间精度。

1 时钟脉冲扩展

一般参考时钟源设备输出的PPM和PPH信号为200～300 ms窄脉冲，难以满足测试地震数据采集器时间精度的需求[4]。本文采取增加电路的方法使PPM信号扩展为占空比50%的方波串信号。扩展电路使用时钟源输出的PPM信号和秒脉冲(pulse per second, PPS)信号，并保持方波上升沿起始于符合精度要求的整分时刻。

1.1 扩展电路设计

采用tiny13单片机作为电路主控制器，参考时钟源设备输出的PPM信号同时触发单片机打开0号端口中断计时及触发器74LS74输出高电平，单片机在接受参考时钟源设备输出的30个PPS脉冲中断计数后，控制74LS74复位至低电平输出并关闭0号端口中断功能。循环过程可输出30 s高电平标准宽度的PPM信号，即占空比为50%的PPM信号。电路原理框图如图1所示。

图1 脉冲扩展电路框图

当测试10 sps或更低采样率的时钟精度时，应采用PPH信号[4]。PPH信号宽度扩展为占空比50%的宽度脉冲电路的原理与PPM脉冲扩展电路相同，将输入的PPS换成PPM，PPM换成PPH即可。

1.2 隔离电路设计

为防止扩展电路的单片机电路和74LS74触发器电路相互干扰，设计两路独立的电源分别给单片机电路和74LS74电路供电，使两路电源地相互隔离。电路原理框图如图2所示。

图2 单片机电路和触发器电路电源原理框图

1.3 接口电路匹配与延迟

在实际测试过程中发现，tiny13单片机在检测PPM信号时偶尔会出现误触发，经查为参考时钟源设备PPS信号和PPM信号输出接口电路与扩展电路不匹配所致。在参考时钟源设备的PPS信号和PPM信号输入到扩展电路前并联一个200 pF的电容以解决该问题。并联电容后可能会出现信号延迟问题，但采用示波器测量发现延时小于50 ns，该延迟量对测试评估μs级的时间误差量可以忽略。

2 测试实例分析

利用扩展的时钟方波信号测试同一型号多台地震数据采集器在正常室温、低温恒温、高温恒温工作状态下的时间精度及守时稳定性。测试使用的地震数据采集器为珠海市泰德企业有限公司生产的TDE-324CI-2021，该型号地震数据采集器在卫星授时同步状态下的系统时钟精度优于0.1 ms，在卫星授时信号缺失状态下的系统时钟漂移小于1 ms/d。地震数据采集器机箱内部有温度传感器，可存储秒采样的温度监测信息。将用于测试的4台地震数据采集器分别编号为A、B、C、D。测试时使用100 sps采样率和±20 V量程，测试结果精确到μs。

2.1 正常室温环境下时钟精度及稳定性

在正常室温环境下对4台地震数据采集器进行测试。A、B一直连接卫星授时源，A在最小相位滤波状态下工作，B在线性相位滤波状态下工作；C授时同步1 h后断开授时源，在最小相位滤波状态下守时工作；D授时同步1 h后断开授时源，在线性相位滤波状态下守时工作。4台地震数据采集器连续测试7 d以上，结果如图3所示。

图3 常温环境下时标延迟测试结果

图4为C、D守时工作状态测试的首个及最后一个分脉冲详细结果，包含该段测试记录数据的起始时间、该记录波形为测试记录数据中第几个分脉冲上升沿、该上升沿前后部分采样点数值及升采样插值后的波形、四边形脉冲参考波形、该上升沿对应的分钟时标及时标相对该上升沿50%幅度水平处的时间差。

图4 C、D常温守时测试的首个及最后一个分脉冲详细结果

从测试结果来看，A、B在持续授时状态下具有基本一致的时钟稳定性和相对精度，长期时间精度明显优于10 μs。C断开授时源后，经历10 320 min守时工作，时标时延从-0.002 915 s变为-0.007 723 s，平均时钟漂移率为-7.76×10-3ppm。地震数据采集器D断开授时源经历相同时长后，时标时延从-0.000 033 s变为-0.001 943 s，平均时钟漂移率为-3.08×10-3ppm。

整个测试过程从2021-01-08 19:00开始，开始阶段实验室中除本次测试的4台地震数据采集器外还有较多其他设备处于工作状态。约在01-11 18：00前0.5 h，其他设备全被撤出。该过程在图3(c)温度记录中有所反映：其他设备撤出前温度变化无明显规律，撤出后温度下降约1 ℃；之后地震数据采集器机箱内温度随室温变化。在01-11 18：00前温度下降约1 ℃后，A、B时标精度均发生相似的μs级变化，而C、D时钟漂移趋势也发生转折。之后在环境日温变化中，C、D时钟漂移也均在环境温度最低点稍迟后存在趋势变化。时钟漂移趋势相对温度变化的延迟似乎指示温度变化的积累效应，为此在基线校正后对温度记录数据进行简单的数值积分处理，并与原时钟漂移数据进行对比。结果表明，温度积分的拐点与时钟漂移的拐点具有很好的对应关系(图5)。

图5 时钟漂移与环境温度变化积累效应对比

2.2 低温恒温环境下守时稳定性

将B和D放置在温度为-10 ℃的恒温箱中连续工作7 d以上，恒温状态下授时完成后断开授时源。图6是B、D时标精度变化情况及机箱内温度记录。数据显示，2台地震数据采集器温度差约为0.5 ℃，整个测试过程中各机箱内温度变化约在0.25 ℃范围内，时标延迟变化平稳。

图6 低温恒温环境下守时稳定性测试结果

图7为B、D断开授时源时刻起首个及最后一个分脉冲详细结果。从图中可以看出，经历10 361 min守时工作，B时标时延从-0.000 023 s变为-0.032 531 s，平均时钟漂移率为-5.23×10-2ppm；D时标时延从-0.000 027 s变为-0.025 721 s，平均时钟漂移率为-4.13×10-2ppm。

图7 B、D在低温恒温环境下守时测试的首个及最后一个分脉冲详细结果

2.3 高温恒温环境下守时稳定性

将B和D放置在温度为64 ℃的恒温箱中连续工作7 d以上，恒温状态下授时完成后断开授时源。图8是B、D时标精度变化情况及机箱内温度记录。数据显示，2台地震数据采集器温度差极小，整个测试过程中各机箱内温度变化约在0.25 ℃范围内，时标延迟变化平稳。

图8 B、D在高温恒温环境下守时稳定性测试结果

图9为B、D断开授时源时刻起首个及最后一个分脉冲详细结果。从图中可以看出，经历10 324 min守时工作，B时标时延从-0.000 029 s变为0.005 204 s，平均时钟漂移率为8.45×10-3ppm；D时标时延从-0.000 049 s变为0.004 764 s，平均时钟漂移率为7.77×10-3ppm。

图9 B、D在高温恒温环境下守时测试的首个及最后一个分脉冲详细结果

3 结 语

正常室温环境下，持续授时状态的A、B时标延迟均优于10 μs，当环境温度在0.5 h内发生约1 ℃的温度下降时，时标时延存在μs级变化。守时工作的C、D在测试过程中表现出部分相同的变化趋势：1)环境温度在0.5 h内发生约1 ℃的温度下降时，地震数据采集器时钟漂移趋势发生转折；2)在环境温度日变化中，温度达到最低值后，地震数据采集器时钟漂移趋势也发生转折；3)时钟漂移趋势发生转折的时间比温度下降到最低点稍有延迟，并且该延迟指示温度变化的积累效应。

在-10 ℃和64 ℃恒温下，B、D守时测试结果均表现出单调的漂移特性，在误差量级可以接受的情况下可近似为线性。本文认为地震数据采集器在恒温环境中的时延单调漂移特性由个体使用的晶振器件决定，并与环境温度值有关。