CN102323739A

CN102323739A - 同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法

Info

Publication number: CN102323739A
Application number: CN201110279416A
Authority: CN
Inventors: 杜保强; 周渭; 崔光照; 安小宇; 董绍锋; 张勋才; 于建国; 魏平俊; 方向前; 曹玲芝; 师宝山; 路立平; 过金超; 谢泽会; 任景英; 李小明; 王卓亚; 牛莹; 王延峰
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102323739B

Abstract

本发明公开了一种同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法，采用具有不同分辨率的测量方法对被测时间间隔进行并行的分层次高精度测量；每层次的测量具有不同的测量范围和测量精度，下一层测量总比上一层测量的测量分辨率和测量精度高，每一层测量都在CPU的控制下进行，上一层测量结果输入CPU，CPU根据该测量结果控制延时补偿模块确定延时量大小，在CPU控制下，延时量直接输出到下一层测量，延时量输出的同时，下一层测量开启，同时上一层测量关闭。使用这种分层次的时间测量方法，很好的解决了测量范围和分辨率的问题，也充分利用时间信号传递的稳定性达到了高分辨率的时间同步的控制。

Description

同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法

技术领域

本发明涉及同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法。

背景技术

近年来由于通讯、邮电、导航、航空航天、电子行业、仪器仪表、国防军工、计量、电力故障检测和天文等领域的技术发展的需求不断增长，对于时钟和同步相关技术的应用和技术水平和复杂度发展要求也大大增加。就时间量的处理，其关键之处在于时钟(频率源)技术、时间信号的测量和处理方法、以及信号的传递等。设立在不同地方的时钟之间的严格同步常常是实现准确地空间量测量、定位、导航以及故障位置确定的基本条件。在时钟实现准确同步的条件下，从传输延迟信息中就能够得到准确的空间或者长度信息。因此，如何实现更准确的时钟同步，获得对传输延迟(时间间隔)的高精度测量，将影响到大量的应用对象的功能实现。这方面的技术发展不但具有精度上的发展空间，而且也具有应用面的大大拓展的前景。有价值的技术将会影响到多个行业的发展并且带来巨大的效益。

目前，传统的高精度的时间间隔测量方法有基于模拟时间扩展的计数法、基于AD变换器的模拟时间-幅度转换法、基于冲激振荡器的时间游标法、抽头及差分延迟线法等。时间扩展计数法采用模拟内插技术使所测时间间隔相对大小缩小1000倍，使计数器的分辨力提高了三个量级，但存在±1个计数误差，转换时间长，非线性度大，不常使用；时间-幅度转换法利用现代高速ADC，结合离散器件可达到1～20ps的分辨率，若采用ASIC替代离散器件且与ECL电路配合使用，可使精度达到10ps，但这种方法模拟部分难以集成，非线性难以消除。SR620就是用该法实现了最高达20ps的测量分辨率；时间游标法是一种以时间测量为基础的计数方法，类似于机械游标卡尺的原理，其测量关键在于能较为准确的测出整周期数外的零头或尾数，以提高时间的分辨力和准确度，避免了±1个计数误差，但这种方法需要高稳定度的可启动振荡器和高精度的重合检测电路，制作调试技术难度大、造价高，且受抖动的影响，转换时间长，制作工艺复杂；抽头延迟线法是由一组延迟单元组成，理论上这组延迟单元传播时延相等，而时间间隔的测量是通过关门信号对开门信号在延迟线中的传播进行采样实现的。这种方法分辨率较高，且实现线路简单，易于集成在数字电路上，可与PLL或DLL配合实现高精度测量。商用HP5371A就采用该结构，其分辨率达到200ps，此结构若在FPGA中实现，其分辨率为100ps；差分延迟线法是在抽头延迟线法的基础上发展而来的，采用CMOS FPGA的差分延迟线法可以实现200ps的分辨率，43s的量程，有的还可以达到100ps的分辨率，若采用0.7微米CMOS工艺的ASIC，可以实现30ps的分辨率。这种测量方法分辨率最高，易于集成在数字电路上，但结构比抽头延时线法复杂；由此可见，传统高精度的时间间隔测量方法虽然达到了皮秒级的测量分辨率，但明显电路设计复杂而且价格昂贵。脉冲填充法，成本较低，但测量误差还停留在纳秒级，根本不能满足如激光测距、粒子飞行探测等精密测量的要求。由此可见，近20年来，基于时间间隔尤其是短时间间隔的测量方法在原理上并没有得到大的实破，只是由传统的测量方法结合微电子技术的发展及生产工艺的改进使测量分辨率较以前有所提高，但精度欠佳。因此，寻求新的测量原理和测量方法是解决问题的关键。

时间同步检测技术中，对于非周期信号或者采用非周期时间测量技术的测量分辨率高于10ps是非常困难的。时间间隔的精密测量不但要保证测量的精度而且也必须从可靠性、设备的复杂程度等方面考虑，同时也要考虑到测量环节和对于各时间信号之间的间隔具有控制“闭环”的特征。一般的时间测量方法，测量范围宽，但测量精度不高；而基于时——空转换的长度游标法具有测量精度高，但测量范围有限的特点。后者利用了时间信号在空间传输中产生的延迟的准确性和稳定性，根据延迟的长度确定被测时间间隔，简单、易行、分辨率很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法。

一种同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法，采用具有不同分辨率的测量方法对被测时间间隔进行并行的分层次高精度测量，每层次的测量具有不同的测量范围和测量精度，下一层测量总比上一层测量的测量分辨率和测量精度高，每一层测量都在CPU的控制下进行，上一层测量结果输入CPU，CPU根据该测量结果控制延时补偿模块确定延时量大小，在CPU控制下，延时量直接输出到下一层测量，延时量输出的同时，下一层测量开启，同时上一层测量关闭。

所述的同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法，所述具有不同分辨率的测量方法包括计数填充法、模拟内差法、游标法、量化时间延迟法、时间-数字转换法、长度游标法。

本发明采用分层次(包括粗测和精测)的时间测量方法，也就是采用时间——幅度转换法作为粗测，而对于通过测量——控制调整使得两个比对的1pps信号之间的时间间隔小到一定程度(接近于同步)则采用精测的方法，即利用基于时——空转换的长度游标法实现短时间间隔的精确测量。这样，就时间同步测量、控制环节中分层次的时间测量方法来充分利用各种有缺陷的方法的优点而避免了它们的缺点，实现时间信号的同步。对于导航卫星系统中的1pps信号，可先用一般方法对其进行粗测，其测量分辨率在1到几ns；当两个比对的1pps信号间的时间间隔通过测量和控制调整小于一定程度进入了精测方法的测量区域，再用基于时-空转换的长度游标法进行精测。对于非周期信号其测量分辨率可以达到1ps，最后将检测结果反馈给控制电路，进行必要的时间同步校正，使得各路输出的时间信号间的间隔进一步减小趋向准确的同步。如上所述，基于时——空转换的长度游标法是将时间——空间关系与长度游标法相结合，利用信号在特定介质中的传递速度的高度准确性和稳定性这一自然现象作为测量原理的。根据同轴电缆中的传输速度实验，1ns的传输延迟是20厘米，1ps的传输延迟是0.2毫米，结合相位重合检测技术，通过对其长度量的精确控制达到时间测量的目的。使用这种分层次的时间测量方法，很好的解决了测量范围和分辨率的问题，也充分利用时间信号传递的稳定性达到了高分辨率的时间同步的控制。

附图说明

图1为分层次时间间隔测量方案；

图2为时间-幅度转换法的原理图；(a)为转换原理图，(b)为转换时间与电压幅度的关系；

图3为基于延迟游标的高精度时间间隔测量系统。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明采用具有不同分辨率的测量方法对被测时间间隔进行并行的分层次高精度测量。每层次的测量都具有不同的测量范围和测量精度，下一层测量总比上一层测量的测量分辨率和测量精度高。每一层测量都在CPU的控制下进行，上一层测量结果输入CPU，CPU根据该测量结果控制延时补偿模块确定延时量大小，在CPU控制下，延时量直接输出到下一层测量，延时量输出的同时，下一层测量开启，同时上一级测量关闭。比如：若被测量时间间隔为24ps，第一层测量的分辨率为5ps，则有4ps不能被分辨，第一层测量结果应为20ps，此时可延时20ps，则原被测时间间隔就变成了4ps，而第二层的分辨率比第一层高，比如3ps，则对第二层来说，被测时间间隔不是24ps而是4ps，第二层测量有1ps不能被分辨，继续第三层，以此类推，直到达到同步要求为止。

各测量环节的测量范围逐级缩小，精度逐级提高。即：对较长的被测时间间隔采用宽范围的测量方法作为粗测，比如时间-幅度转换法；然后通过控制、调整，使得两个比对的1pps信号之间的时间间隔小到一定程度(接近于同步)，再利用窄范围、高精度的方法作为精测，比如延迟游标法。延迟游标的每一级延迟确定了该测量环节的精度。

在高精度时频测量领域，测量范围和测量精度很难同时兼顾高指标。然而，利用分层次的测量方法，使高精度的时间间隔测量同时满足了测量范围和高精度的需求，很好的结合了时间-幅度转换法、延迟游标法以及一些传统测量方法的优点。

参考图1，测量I模块较测量II模块是粗测，测量范围较宽，分辨率相对较低，把测量I的结果送入CPU，CPU根据测量I模块的结果去控制“延时补偿模块”以确定延时量(大小)，同时关闭测量I模块并开启测量II模块。两个1pps之间时间间隔＝测量I模块的结果+低于测量I模块的一个分辨率。同样测量II模块较(下一级)测量III模块，测量范围较宽，分辨率相对较低，把测量II模块的结果送入CPU，CPU根据测量II模块的结果去控制“延时补偿模块”以确定延时量(大小)，同时关闭测量II模块并开启测量III模块，此时两个1pps之间时间间隔最大是一个测量I的分辨率，并且等于测量II的结果加上测量II的分辨率。如果还有超过第三层次的测量，往后依次类推……，直到测量的分辨率满足测量要求为止。也就是各测量环节的测量范围逐级缩小，精度逐级提高。最终使两个比对的1pps信号之间的时间间隔小到一定程度(接近于同步)。

并行的分层次测量方案的特点在于，能够根据被测间隔前一级的测量值对其进行相应的延时补偿，然后利用更高精度的下一级测量方法对补偿后的被测间隔再进行下一级的精测。从而，分层次的高分辨率测量同时兼顾了高精度和范围两个方面。对于比较大的时间间隔，先进行粗测，由于测量范围比较宽，此类方法对应的分辨率一般较低。然后对被测1pps信号做延时补偿，补偿值取上一级测量结果的准确值部分，使调整后被测间隔落在下一级的测量范围内，再利用具有较高测量分辨率的方法进行测量。最终显示的测量结果的测量分辨率为测量环节中的最高分辨率。其中，延时补偿单元为高精度的可编程延时单元，其精度不低于测量环节的最高精度，我们当前采用的是无源器件构成延迟链路。由微控制器根据测量环节的测量结果确定延时的大小。对被测1pps信号延时后再输入到下一级测量环节，CPU同时选通这一级测量单元关闭其他测量单元。这样的测量方案使测量成为了闭环的结构，最终使得两路1pps信号同步在允许的误差范围内。为了兼顾高精度和测量范围，多种时间间隔测量方法的合理结合对1pps信号的比对和修正是非常适用的。到多少层应视测量要求(测量所要求达到的分辨率和精度)而定，但必须遵循的规律是：下一层测量总比上一层测量的测量分辨率和测量精度高。每一层测量都必须在CPU的控制下进行。这里可以并行采用的测量技术包括了计数填充法、模拟内差法、游标法、量化时间延迟法、时间-数字转换法、长度游标法等。视两个1pps信号之间的时间间隔大小，并根据各测量方法之间的测量范围按测量范围大小做并行顺序排列。排列好后由CPU根据上一层测量结果自动进入下一层测量。无论系统需要多少层测量，但同时只能有其中一层测量在起作用，这一级测量方法总比上一级测量范围窄、测量分辨率高和测量精度高。

以图1为例，第一层测量采用直接计数法。其测量分辨率受到时钟信号频率、量化误差等很大影响。也可以采用多周期同步测量方法或者相检宽带测量方法，同时采用较高频率的参考时钟(如100MHz)作为填充，能大大减小量化误差，达到10ns以内的测量分辨率。

第二层测量采用时间-幅度转换法。时间-幅度转换法由时间间隔扩展法改进而来，它克服了时间间隔扩展法(模拟内插法)转换时间过长、非线性难以控制等问题。图2是时间-幅度转换法的原理图。可以看出，与时间间隔扩展法不同的是，时间-幅度转换法的放电过程改成了具有复位电路的高速A/D转换，大大地减少了转换时间。U_A为参考电位，即满刻度电位。电容C在时间T_c内充电至某一电位U_c，再经过一定时间T进行AD转换。

利用被测时间间隔控制高速开关，也就是电容C在被测时间间隔内充电。合适的元件参数可以使电容电压U_c与时间t呈线性关系。当t远小于充电回路时常数时，U_c和t便接近线性关系，从而将充电的时间间隔转换成电压量。对输出电压进行采样后，通过AD转换得到的结果，再用直线拟合的方法计算出对应的时间间隔量。在实现过程中，不论哪种元件都存在一定的不确定度，而且运放也存在一定的失调电压。这些因素的综合影响，经过校准之后可消除。电压转换值与时间间隔间的对应关系需要通过相位差扫描的方法事先对应。这种方法可以达到150ps以内的测量分辨率。

第三层测量以及后续的多重测量需采用其他具有更高分辨率的时间间隔测量法，本方案采用可控延迟游标法。依靠信号传输延迟的高稳定性和逐渐成熟的重合检测技术，在可控延迟游标法中把开门和关门信号分别送入两个延迟通道，按照所要求的测量分辨率在传输介质上加入串行的可控延迟环节。两通道上对应延迟环节的差值取决于所要求的测量分辨率。根据需要，构成串行延迟并且逐段对两个相应延迟信号之间的重合状况进行检测，即采用延迟游标法的时间测量技术。这种测量方法用于短时间间隔测量方案如图3所示。

将这两路信号输入到如图3所示的延迟游标法时间间隔测量系统中进行测量。每一级游标延迟时间由一组RC电路控制，现在设置在24ps。两通道间由于走线不完全一致和器件差异所造成延迟差，也是通过RC进行调节。再进行测量前，需结合如前所述的时间间隔产生系统对测量系统进行校准，以保证每一级游标的对应分辨率的准确性。为了能够确保被测时间间隔在此测量系统的测量范围内，首先要保证被测间隔的大小。

在结合微小时间间隔产生系统的基础上，对所产生的时间间隔进行测量。实验采用的D/A分辨率为12位，将10MHz信号的一个周期进行2¹²(＝4096)等分，所以设置的时间间隔分辨率为24.4ps(＝100ns/2¹²)。计算结果与测量结果如表1所示

表1 基于延迟游标的时间间隔测量数据

预置时间间隔(ps)	49	98	146	195	244	293	342
								SR620测量结果(ps)	54	108	160	212	259	301	360
游标法测量结果(ps)	49	98	146	195	244	293	342
								预置时间间隔(ps)	439	488	537	586	635	684	732
SR620测量结果(ps)	452	504	552	602	656	697	745
								游标法测量结果(ps)	439	488	537	586	635	684	732

对时间间隔生成装置(图3)中的1pps信号比对结果分别采用延迟游标法和SR620进行测量。很明显，利用基于延迟游标的测量方案测量1pps信号比对结果，其测量结果分辨率为±24ps，结果稳定。而采用SR620测量过1pps信号的比对结果，由于仪器设计原理所限，测量结果的变化均在百ps以上，无参考价值。因此，为了能够体现延迟游标法测量时间间隔的优势，采用SR620对两路互锁的10MHz晶振比对的输出结果进行测量，此时的输出为周期出现的时间间隔信号。测量结果如表中的SR620测量结果所示，体现了说明书中的±25ps分辨率。通过实验可以看出，使用这种方法最终可以获得优于24皮秒的测量分辨率。利用延迟游标法测量时间间隔是一种新思路，它是由长度游标法发展而来。主要是利用了各级延迟差构成游标进行对时间间隔的高分辨率测量，已经被证明了其可行性，以及很高的测量分辨率。用这种方法构成的装置已经表现出优于±24ps的测量分辨率，以及高度的稳定性。此方法的实现主体建立在无源的传输通道之上，保证了信号稳定、快速传输，因此随着辅助的信号处理等部分的改善，其测量的分辨率以及精度有希望得到更高的精度。

多层次测量时间间隔的方法将多种不同原理的时间间隔测量方法结合起来。不同层次的测量方法具有不同的测量范围、测量准确度和分辨率，利用它们的优点，相互弥补其缺点，最终开发出新的时间间隔测量方法。将此方法应用于时间同步技术中，保证了时间的严格同步、高稳定输出，对于提高设备体系整体性能具有很大的意义。

多层次测量时间间隔的方法，说明了有多个不一定，这是由于这里是时间测量和同步控制以及调整并存的。例如不一定高精度、宽范围的测量方法就是最有应用价值的；不一定在通用时间测量中不适用的方法在这里就不能很好的发挥作用；不一定完全冲突的测量方法的组合就得不到很好的效果。

在同步调整方面，有载波周期调整、载波移相调整、时间信号的延迟调整等。这方面最终确定测量精度的只是高分辨率、短时间间隔的测量方法。如长度或者延迟游标法等。其他方法只是起到了确定测量范围并控制和缩小这个范围的作用。因此，总体上，该方法体现出了低成本和特高的分辨率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法，其特征在于，采用具有不同分辨率的测量方法对被测时间间隔进行并行的分层次高精度测量；每层次的测量具有不同的测量范围和测量精度，下一层测量总比上一层测量的测量分辨率和测量精度高，每一层测量都在CPU的控制下进行，上一层测量结果输入CPU，CPU根据该测量结果控制延时补偿模块确定延时量大小，在CPU控制下，延时量直接输出到下一层测量，延时量输出的同时，下一层测量开启，同时上一层测量关闭。

2.根据权利要求1所述的同步时钟技术中的多层次时间测量和控制方法，其特征在于，所述具有不同分辨率的测量方法包括计数填充法、模拟内差法、游标法、量化时间延迟法、时间-数字转换法、长度游标法。