CN117590730A - 一种超高精度的秒脉冲和10mhz信号测量电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路及方法，涉及时间统一技术及信号通信领域。所述电路包括10ps量级四通道的第一TDC芯片和第二TDC芯片、10MHz高稳参考钟模块、菊花链排布的测量信号输入模块及电源超净化模块，其中第一TDC芯片、第二TDC芯片、DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路均采用灌封器件。测试电路通过选用10ps量级测量芯片、使用电源超净化技术、高稳参考钟技术、测量及参考钟菊花链排布方法、器件灌封控温方法获得10ps峰峰值测量精度，在原有器件技术指标进行提升。所述方法通过测量结果拟合技术可继续提升测量精度，在原有测量芯片10ps峰峰值测量精度上进一步优化到6ps峰峰值测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及时间统一技术及信号通信领域，具体涉及一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路及方法。
背景技术
时间统一领域的设备需要完成超高精度同步则需要具备超高精度的测量手段。传统的高精度时间测量(TDC)芯片测量精度最高可达37ps，MS1022 是一款高精度时间测量(TDC)电路，内部集成了模拟比较器、模拟开关、施密特触发器等器件，简化了外围电路。MS1022 芯片的双通道单精度模式为75ps，单通道双精度模式为37ps，测量范围3.5ns(0ns)至2.5μs，20ns 最小脉冲间隔，最多可接收 4个脉冲；同时内部增加有第一波检测功能，使抗干扰能力提高。内部比较器的offset可编程范围为士 35 mV，可提高采样精度。传统的时统设备依赖于时差测量芯片性能，最高精度仅可达到37ps测量精度，无法达成6ps量级以下的测量，阻碍了超高精度同步（6ps量级）的监测及可达性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路及方法，以完成设备与对端设备6ps量级及更高精度同步时的超高精度测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面：
一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，包括：
第一TDC芯片和第二TDC芯片，均选用10ps量级四通道时间数字转换器芯片；
高稳参考钟模块，包括10MHz高稳参考钟生成电路，10MHz高稳参考钟信号通过菊花链排列方式连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片；
测量信号输入模块，包括通过菊花链排布的第一至第八参考1PPS输入信号，所述第一至第四参考1PPS输入信号分别输入到第一TDC芯片的STOP1-4端口，第五至第八参考1PPS输入信号分别输入到第二TDC芯片的STOP1-4端口；
电源超净化模块，包括依次连接的DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路，输出端连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片的电源输入端；
所述第一TDC芯片、第二TDC芯片、DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路均采用灌封器件。
进一步地，所述的一级净化电路包括型号为TPP363080的宽压降压转换器芯片和型号为TPL930ADJ-QF6R的低压差线性稳压器芯片，用于将15V直流输入电压净化并转化为5V直流电压。
进一步地，所述的二级净化及滤波电路包括多个TDC数字电源模块，用于进行数字电源的电压净化及转化，包括型号为TPL740ADJ-5TR的低压差线性稳压器。
进一步地，所述的二级净化及滤波电路包括多个TDC模拟电源模块，用于进行模拟电源的电压净化及转化，包括型号为TPL903233-S5TR的低噪声线性稳压器。
进一步地，所述的10MHz高稳参考钟生成电路包括低噪声功率放大器。
进一步地，所述的高稳参考钟输入模块还包括依次连接的反相器电路和D触发器电路，用于对生成的10MHz高稳参考钟信号进行整形。
第二方面：
一种超高精度的1PPS/10MHZ测量方法，通过如第一方面所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路的测量结果拟合平均算法如下：
通过8个STOP1-8通道测量结果获得对同一信号的测量值:T1~T8；
计算T1~T8的均值Tavg；获取单次高测量精度；
通过统计1000s内的Tavg1~Tavg1000，采用正态分布进行统计；取正态分布中心值TavgX为基准以此修正掉各测量通道及测量器件自身误差，获得平均修正误差Tfix；
得到单次8通道测量均值Tavg-Tfix=Tfinal。
进一步地，所述的平均修正误差Tfix的计算公式为：Tfix=Average（TavgN-TavgX），N取1~1000。
本发明的有益效果是：
1）参考钟与测量信号通过菊花链的方式排布进入多通道驱动，并对驱动器件进行灌封控温处理，避免引入更多的器件差异抖动，最终的测量精度。
2）高稳参考钟的获得是利用了低噪声功率放大器（LNA）的非线性增益获取超低相噪及高稳定度的参考时钟，为后级测量芯片提供低相噪高稳定度的参考钟，从而实现高精度测量。
3）通过拟合平均及误差修正的方式获得测量结果Tfinal，可在原有测量芯片10ps峰峰值测量精度上进一步优化到6ps峰峰值测量精度。
附图说明
图1为本发明超高精度测量电路原理框图；
图2为本发明的一级净化电路电路原理图；
图3为本发明的数字电源模块电路原理图；
图4为本发明的模拟电源模块电路原理图；
图5为本发明的超低相噪高稳定度10MHz电路原理图第一部分；
图6为本发明的超低相噪高稳定度10MHz电路原理图第二部分；
图7为本发明的反相器电路和D触发器电路原理图；
图8为本发明的测量信号菊花链连接电路图；
图9为本发明的TDC测量芯片多通道实时测量电路图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图9，本发明提供一种技术方案：
为了时间统一领域的设备在与对端设备完成6ps量级及更高精度同步时的超高精度测量，本发明采用的超高精度测量方案，是在电源超净化技术、高稳参考钟技术的基础上，采用测量信号菊花链排布、灌封器件控制温漂的方式，并通过多通道测量结果拟合减小通道间测量误差、器件间测量误差，实现超高精度测量。
实施例1：
一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，原理框图如图1所示，包括：
第一TDC芯片和第二TDC芯片，均选用10ps量级四通道时间数字转换器芯片；所述TDC芯片主要特点在于，包括4个20ns脉冲间距的STOP通道、2个10ns脉冲间距的组合通道，SPI最大1.5MSPS数据传输速率，且独立通道测量单脉冲精度为20ps rms，高分辨率模式下测量精度为10ps rms，还具有自动校准参考时钟功能。
高稳参考钟模块，包括10MHz高稳参考钟生成电路，10MHz高稳参考钟信号通过菊花链排列方式连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片；
测量信号输入模块，包括通过菊花链排布的第一至第八参考1PPS输入信号，所述第一至第四参考1PPS(秒脉冲)输入信号分别输入到第一TDC芯片的STOP1-4端口，第五至第八参考1PPS(秒脉冲)输入信号分别输入到第二TDC芯片的STOP1-4端口；如图8所示，以第一和第二参考1PPS(秒脉冲)输入信号测量信号为例，其菊花链排布方式为串行连接，参考钟信号和测量信号通过菊花链的方式排布进入多通道驱动，并对驱动器件进行灌封控温处理。这是由于非菊花链方式排布会引入更多的器件差异抖动，降低最终的测量精度。
电源超净化模块，包括依次连接的DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路，输出端连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片的电源输入端；
所述第一TDC芯片、第二TDC芯片、DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路均采用灌封器件。
本实施例中，所述的一级净化电路包括型号为TPP363080的宽压降压转换器芯片和型号为TPL930ADJ-QF6R的低压差线性稳压器芯片，用于将15V直流输入电压净化并转化为5V直流电压。一级净化电路的电路原理图如图2所示，其中，输入电压VIN为15V，计算得到输出电压VOUT1=(1+R36/R37)*0.6 =(1+88.7/11)*0.6=5.40V，VOUT2=0.8*(1+R48/R50)=0.8*(1+24.9k/4.7k)=5.0V。
本实施例中，所述的二级净化及滤波电路包括四个TDC数字电源模块，用于进行数字电源的电压净化及转化，包括型号为TPL740ADJ-5TR的低压差线性稳压器、电阻和电容，每个TDC数字电源模块中的部分电阻和电容值有所差异，用于根据需求进行不同电压值的转换。例如，TDC数字电源模块的电路原理图如图3所示，其中，电阻R71阻值为47K，电阻R73阻值为15K，输入电压VIN为5V时，计算得到输出电压Vout= 0.8*(1+R71/R73)=0.8*(1+47k/15k)=3.3V，若改变电阻R71和R73对应位置的电阻值，即可实现不同的电压输出。
本实施例中，所述的二级净化及滤波电路包括三个TDC模拟电源模块，用于进行模拟电源的电压净化及转化，包括型号为TPL903233-S5TR的低噪声线性稳压器。TDC模拟电源模块的电路原理图如图4所示。
本实施例中，所述的10MHz高稳参考钟生成电路包括低噪声功率放大器，电路原理图如图5和图6所示（图5的A1端与图6的A2端相连，图5的B1端与图6的B2端相连），低噪声功率放大器选用型号为ZDH6018的射频增益放大器。如图5、图6，10MHz高稳参考钟生成电路利用低噪声功率放大器（LNA）的非线性增益获取超低相噪及高稳定度的参考时钟，对上述电路不同位置的测试结果表明，电路中的相噪衰减了7dB并最终趋于稳定，故电路生成的参考时钟具有低相噪且高稳定度的特性。
本实施例中，所述的高稳参考钟输入模块还包括依次连接的反相器电路和D触发器电路，用于对生成的10MHz高稳参考钟信号进行整形。反相器电路及D触发器电路原理图如图7所示，反相器芯片型号为NC7SZU04P5X，D触发器芯片型号为74LVC1G80GW，输出两路高稳态时钟信号分别传输到第一TDC芯片和第二TDC芯片的REFCLK端口，D触发器接收到信号上升沿触发，可以更加精确地传输10MHz高稳参考钟信号。
本发明TDC测量芯片多通道实时测量电路图如图9所示，通过以上选用10ps（RMS）量级测量芯片、使用电源超净化技术、高稳参考钟技术、测量及参考钟菊花链排布方法、器件灌封控温方法可获得10ps峰峰值测量精度，在原有器件技术指标进行提升。
实施例2：
一种超高精度的1PPS/10MHZ测量方法，通过如实施例1所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路的测量结果拟合平均算法如下：
通过8个STOP1-8通道测量结果获得对同一信号的测量值:T1~T8；
计算T1~T8的均值Tavg；获取单次高测量精度；
通过统计1000s内的Tavg1~Tavg1000，采用正态分布进行统计；取正态分布中心值TavgX为基准以此修正掉各测量通道及测量器件自身误差，获得平均修正误差Tfix；
得到单次8通道测量均值Tavg-Tfix=Tfinal。
进一步地，所述的平均修正误差Tfix的计算公式为：Tfix=Average（TavgN-TavgX），N取1~1000。
通过上述拟合平均及误差修正的方式获得测量结果Tfinal，可在原有测量芯片10ps（峰峰值）测量精度上进一步优化到6ps（峰峰值）测量精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于，包括：
第一TDC芯片和第二TDC芯片，均选用10ps量级四通道时间数字转换器芯片；
高稳参考钟模块，包括10MHz高稳参考钟生成电路，10MHz高稳参考钟信号通过菊花链排列方式连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片；
测量信号输入模块，包括通过菊花链排布的第一至第八参考1PPS输入信号，所述第一至第四参考1PPS输入信号分别输入到第一TDC芯片的STOP1-4端口，第五至第八参考1PPS输入信号分别输入到第二TDC芯片的STOP1-4端口；
电源超净化模块，包括依次连接的DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路，输出端连接到第一TDC芯片和第二TDC芯片的电源输入端；
所述第一TDC芯片、第二TDC芯片、DCDC电路、一级净化电路和二级净化及滤波电路均采用灌封器件。
2.根据权利要求1所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于：所述的一级净化电路包括型号为TPP363080的宽压降压转换器芯片和型号为TPL930ADJ-QF6R的低压差线性稳压器芯片，用于将15V直流输入电压净化并转化为5V直流电压。
3.根据权利要求2所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于：所述的二级净化及滤波电路包括多个TDC数字电源模块，用于进行数字电源的电压净化及转化，包括型号为TPL740ADJ-5TR的低压差线性稳压器。
4.根据权利要求2所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于：所述的二级净化及滤波电路包括多个TDC模拟电源模块，用于进行模拟电源的电压净化及转化，包括型号为TPL903233-S5TR的低噪声线性稳压器。
5.根据权利要求1所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于：所述的10MHz高稳参考钟生成电路包括低噪声功率放大器。
6.根据权利要求1所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路，其特征在于：所述的高稳参考钟输入模块还包括依次连接的反相器电路和D触发器电路，用于对生成的10MHz高稳参考钟信号进行整形。
7.一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量方法，其特征在于：通过如权利要求1-6任一项所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量电路的测量结果拟合平均算法如下：
通过8个STOP1-8通道测量结果获得对同一信号的测量值:T1~T8；
计算T1~T8的均值Tavg；获取单次高测量精度；
通过统计1000s内的Tavg1~Tavg1000，采用正态分布进行统计；取正态分布中心值TavgX为基准以此修正掉各测量通道及测量器件自身误差，获得平均修正误差Tfix；
得到单次8通道测量均值Tavg-Tfix=Tfinal。
8.根据权利要求7所述的一种超高精度的秒脉冲和10MHZ信号测量方法，其特征在于：所述的平均修正误差Tfix的计算公式为：Tfix=Average（TavgN-TavgX），N取1~1000。
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| CN117990982A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-07 | 成都金诺信高科技有限公司 | 一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置 |
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