皮秒級16通道精密事件計時器研制

陳法喜，孔維成，趙侃，劉濤，張首剛

皮秒級16通道精密事件計時器研制

陳法喜1,2,3，孔維成1,2,4，趙侃1,2，劉濤1,2，張首剛1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710600；3. 西安電子科技大學(xué)，西安 710071；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

精密時間測量是高精度守時、授時、用時的基礎(chǔ)，目前精密時間測量的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，尤其是皮秒級精密多通道的事件計時器。筆者研制的皮秒級16通道精密事件計時器，每個通道觸發(fā)信號采用獨(dú)立時間戳技術(shù)，通道間不存在測量死區(qū)，且不受指定的開門、關(guān)門信號或者參考通道的影響，可以靈活測量統(tǒng)計各個通道間觸發(fā)信號的時間間隔，或者單個通道多個觸發(fā)信號的時間間隔，拓寬了應(yīng)用范圍。皮秒級16通道精密事件計時器采用高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換的方式，并引入自動校準(zhǔn)的方法來保證測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，使測量分辨率優(yōu)于5ps，測量穩(wěn)定度優(yōu)于0.6ps@1000 s，0.2ps@10000 s。

事件計時器；皮秒級；16通道；時間戳

0 引言

隨著信息化、數(shù)字化時代的到來，高精度時間頻率已經(jīng)成為一個國家科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會生活中至關(guān)重要的參量，其中精密時間測量是進(jìn)行高精度守時、授時、用時的重要基礎(chǔ)。在前沿科學(xué)實(shí)驗、工程應(yīng)用以及社會生活等領(lǐng)域中精密時間測量有著廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。

時間頻率的測量精度是目前所有物理量及物理常數(shù)中最高的，在冷原子碰撞的實(shí)驗研究、Stark效應(yīng)實(shí)驗研究、相對論驗證、引力紅移測量、引力波探測等一些前沿科學(xué)實(shí)驗中，其測量精度都直接取決于對時間頻率測量的最高精度；在雷達(dá)測距、頻率測量[3-4]、激光遙感技術(shù)[5]、光纖時間傳遞[6]等實(shí)際工程應(yīng)用中，時間頻率的精密測量也起著至關(guān)重要的作用，如在應(yīng)用了激光測距系統(tǒng)的各大工程中，時間的測量精度是影響系統(tǒng)最終測定距離精度的主要因素[7-9]；在社會生活中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是基于測量時間差的測距定位系統(tǒng)，時間頻率信號的測量是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一，用戶的位置和速度信息是通過測量時間獲得，可見，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越依賴于精密時間測量精度的進(jìn)一步提升。

事件計時技術(shù)就是一種重要的精密時間測量技術(shù)，它是將前后相鄰兩個輸入信號視為兩個相互獨(dú)立的事件，通過測量各個事件與某一確知時刻點(diǎn)的時間間隔，得到事件發(fā)生的具體時刻[10]。高精度事件計時器在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、前沿科學(xué)實(shí)驗以及航空航天等國防建設(shè)中不僅有著廣泛的應(yīng)用，在多種應(yīng)用環(huán)境下，對事件計時器均提出了多通道、無死區(qū)、高分辨率等要求。中國科學(xué)院國家授時中心時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室內(nèi)有24臺優(yōu)質(zhì)銫原子鐘和8臺氫鐘，需要對多個時間頻率源進(jìn)行優(yōu)于100 fs的高精度比對。在衛(wèi)星激光測距、空間碎片探測等應(yīng)用中，對事件計時器不僅提出了皮秒量級的高精度測量需求，還對多通道與無死區(qū)測量提出了較高要求[11-12]。

目前，研究設(shè)計事件計時器較為突出且有相應(yīng)產(chǎn)品的國家主要有拉脫維亞、法國、美國等。其中應(yīng)用較廣泛的事件計時器是由拉脫維亞研發(fā)的A033-ET，其單次測量分辨率優(yōu)于5 ps，僅支持兩路信號同時測量，且存在死區(qū)時間為50 ns[10, 13-14]；相較于A033-ET型事件計時器，由Guidetech公司生產(chǎn)的GT668系列的產(chǎn)品時間測量分辨率可達(dá)到0.9ps[15]，無通道間的測量死區(qū)，但價格高昂；我國對于事件計時器的研究起步較晚，國家授時中心、上海天文臺、云南天文臺等研究機(jī)構(gòu)致力于事件計時器的自主研發(fā)，測量分辨率約50ps[10, 16-17]，目前國產(chǎn)皮秒級商用多通道時間間隔測量儀（MTIM）的測量分辨率可優(yōu)于10 ps[18]，因此我國事件計時器的整體技術(shù)水平與國外產(chǎn)品還存在一定差距。

國內(nèi)的事件計時器設(shè)備精度不夠高，難以投入對時間測量精度要求較高的項目使用，因此在要求高精度時間測量的工程應(yīng)用項目中，目前我國大多數(shù)精密時間測量的設(shè)備還是依賴進(jìn)口，尤其是皮秒級精密事件計時器。然而，進(jìn)口設(shè)備不但價格昂貴，且技術(shù)受制于國外，如美國SR620、HP5370B、拉脫維亞A033-ET[16]及Guidetech GT668系列產(chǎn)品均僅有兩個測量通道，且價格昂貴，難以很好地滿足工程應(yīng)用及科學(xué)研究中多個事件之間時間間隔同時測量的實(shí)際需求，亟待研制一臺具有自主的知識產(chǎn)權(quán)的皮秒級多通道精度事件計時器。因此皮秒級16通道精度事件計時器的成功研制，滿足了皮秒級的高精度需求、實(shí)現(xiàn)了16通道無死區(qū)測量、保證了實(shí)際工程項目應(yīng)用。

1 計時器架構(gòu)設(shè)計

皮秒級16通道精密事件計時器的系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示，主要包含PLL（phase locked loop）鎖相環(huán)模塊、16個獨(dú)立工作的事件計時模塊、主控單元、通信接口、LCD（液晶顯示器）與校準(zhǔn)模塊。

本文所述事件計時器由外部時鐘為16個事件計時模塊統(tǒng)一提供1PPS計時開門信號，由外部頻率源提供5 MHz/10 MHz頻率信號，經(jīng)由PLL實(shí)現(xiàn)5 MHz/10 MHz頻標(biāo)自適應(yīng)功能，輸出穩(wěn)定的100 MHz頻率信號，為16個事件計時模塊提供相同頻率的系統(tǒng)時鐘信號。

事件計時器設(shè)計有16個事件輸入通道分別對應(yīng)于內(nèi)部16個獨(dú)立的事件計時模塊，每個事件計時模塊以打時間戳的方式對各通道輸入的事件進(jìn)行計時，若16個事件計時模塊均設(shè)為工作狀態(tài)，即可得到16個事件計時值，并通過主控單元控制自動校準(zhǔn)模塊對每次的測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。

此種設(shè)計方式保證了各通道事件計時的獨(dú)立性；16通道的設(shè)計大大增強(qiáng)了事件計時的并行度；通信接口的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，用戶可以靈活指定輸入通道、參考通道及輸出數(shù)據(jù)類型（直接測量的事件計時值或相對事件間隔），簡化了測量操作。

圖1 皮秒級16通道精密事件計時器系統(tǒng)架構(gòu)框圖

各獨(dú)立事件計時模塊內(nèi)部組成圖如圖2所示，每個事件計時模塊x均設(shè)計有獨(dú)立的FPGAx計時器與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊及MCUx（微控制單元microcontroller unit）。

圖2 事件計時模塊內(nèi)部組成圖

2 計時器精密測量原理

圖3 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換原理圖

圖4 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換時序圖

3 計時器實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述原理設(shè)計研制的事件計時器整機(jī)實(shí)物圖如圖5 所示。左側(cè)為16個通道的指示燈，右側(cè)為LCD觸摸顯示屏，用戶可通過在LCD上進(jìn)行功能設(shè)定實(shí)現(xiàn)與主控單元的通信，從而靈活指定輸入通道、參考通道及輸出數(shù)據(jù)類型（直接測量的事件計時值或相對事件間隔），并在LCD上實(shí)時顯示系統(tǒng)根據(jù)用戶需求所處理的結(jié)果。如指定通道2為參考通道，各通道的對應(yīng)窗口顯示的結(jié)果即為與通道2所輸入事件的測量差值。圖6為設(shè)備內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)圖，每個通道對應(yīng)有一塊獨(dú)立的計時處理單元，統(tǒng)一由外部時鐘為16個通道提供1 PPS計時開門信號，由外部頻率源提供5 MHz/10 MHz頻率信號，因此各個通道采集到的事件計時值是相互獨(dú)立的，從而很大程度降低了通道間的干擾。

圖5 整機(jī)實(shí)物圖

筆者研制的事件計時器指標(biāo)較高，如果外部輸入的10 MHz參考頻率信號太差，將難以保證鎖定后的100 MHz時鐘信號的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，從而會影響事件計時器的測量穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，所以采用了較為穩(wěn)定的銣原子鐘作為頻率基準(zhǔn)提供事件計時器外部輸入的10 MHz參考頻率信號，內(nèi)部采用了100 MHz的SC切恒溫晶振作為時鐘基準(zhǔn)，并將100 MHz恒溫晶振鎖定在外部輸入的10 MHz參考頻率信號上以保證測量穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。

4 測試及數(shù)據(jù)分析

為了便于分析事件計時器各個通道固有的偏差，首先給脈沖分配器輸入一個1 PPS信號，然后將脈沖分配器16個通道的輸出接口與確定的一根同軸線配對連接，這個連接關(guān)系在實(shí)驗期間保持不變，再將脈沖分配器除通道2信號以外的其他通道信號通過各自配對的同軸線輪流接入到事件計時器的通道1，多次測量脈沖分配器的每個通道信號，計算平均值并記錄，這里設(shè)置測量次數(shù)為100次，所記錄下脈沖分配器15個通道信號的數(shù)據(jù)，即為脈沖分配器信號偏差數(shù)據(jù)，如表1所示。

按照如圖7所示的測試框圖，時間頻率源輸出10 MHz頻率信號為事件計時器提供穩(wěn)定的系統(tǒng)時鐘，1 PPS信號由脈沖分配放大器為16個通道提供事件脈沖，通過事件計時器進(jìn)行事件計時，并將計時結(jié)果存儲于PC端。脈沖分配放大器與事件計時器連接的16根電纜線為基本等長同軸線，他們之間的傳輸時延差異小于100 ps。由于后續(xù)實(shí)驗前將進(jìn)行固定偏差的標(biāo)定，后續(xù)實(shí)驗中只需要每根同軸線與脈沖分配器確定的一個輸出通道連接使用，故而這100 ps左右的偏差不影響實(shí)驗的結(jié)果。

圖7 測試框圖

將脈沖分配器的16個通道輸出信號通過其固定配對的同軸線依次與事件計時器的16個輸入通道相連，并在液晶界面上指定通道2為參考通道。事件計時值的直接測量數(shù)據(jù)圖如圖8所示。各個通道所輸入事件的測量值有所不同，16通道的測量時間偏差均在±250 ps范圍內(nèi)。事件計時器各個通道測量偏差數(shù)據(jù)如表1所示?？梢?，由事件計時器引入的附加偏差已優(yōu)于10ps，所以此處事件計時器通道間測量值偏差主要來源于脈沖分配器16個輸出通道及其在實(shí)驗中固定配對的同軸線間存在的傳輸時延差異。

圖8 測量數(shù)據(jù)圖

表1 事件計時器各個通道測量偏差 單位：ps

我們采用標(biāo)準(zhǔn)差來描述測量分辨率，表2即為各非參考通道的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，通過180 ks的連續(xù)測量，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可以得到每個通道的標(biāo)準(zhǔn)差均優(yōu)于5 ps的結(jié)果，即本文所述皮秒級16通道精密事件計時器的測量分辨率優(yōu)于5 ps。

表2 事件計時器各通道標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù) 單位：ps

測量數(shù)據(jù)的時間偏差（TDEV）表征了測量設(shè)備的測量穩(wěn)定度，圖9為TDEV穩(wěn)定度數(shù)據(jù)分析圖，部分具體數(shù)值在表3中列出。由表3可知，每個通道測量數(shù)據(jù)的TDEV穩(wěn)定度均優(yōu)于0.6 ps@1 000 s，0.2 ps@ 10 000 s，具有較好的長期測量穩(wěn)定度，即本文所述皮秒級16通道精密事件計時器的系統(tǒng)誤差長期漂移值較小。

圖9 TDEV穩(wěn)定度數(shù)據(jù)分析圖

表3 事件計時器各通道部分TDEV數(shù)據(jù) 單位：ps

5 工程應(yīng)用價值

筆者所研制皮秒級16通道精密事件計時器的重要性能之一為：可指定參考通道。

筆者所研制皮秒級16通道精密事件計時器的重要性能之二為：實(shí)現(xiàn)通道間無死區(qū)測量。

目前大多數(shù)皮秒級精密事件計時器均存在納秒及以上量級的通道間測量死區(qū)，而實(shí)現(xiàn)無死區(qū)測量的產(chǎn)品非常昂貴，本文所述皮秒級16通道精密事件計時器，16個通道均有各自的計時值以及小數(shù)部分測量單元，采用給每個通道的各個觸發(fā)信號進(jìn)行打時間戳的方式，避免了如兩個1 PPS信號時間間隔接近0或者1s時出現(xiàn)2 s才觸發(fā)一次丟失觸發(fā)信號的現(xiàn)象，消除了各個通道間的測量死區(qū)。16個通道共用系統(tǒng)時鐘計時單元，即計時值整數(shù)部分，保證了系統(tǒng)時鐘的一致性和計時起始時刻的一致性，從而很大程度上消除了各個通道間的系統(tǒng)誤差。

另外，筆者設(shè)計了開機(jī)自動校準(zhǔn)功能，并使外部時鐘重新統(tǒng)一提供1 PPS事件計時開門信號從而保證了測量的準(zhǔn)確性及16通道的測量一致性，降低了系統(tǒng)誤差。本文還設(shè)計了內(nèi)外頻標(biāo)自動切換的功能且可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)5 MHz/10 MHz頻標(biāo)，使設(shè)備更加智能化。

6 結(jié)語

筆者研制的皮秒級16通道精密事件計時器，采用給每個通道的各個觸發(fā)信號進(jìn)行打時間戳的方式，實(shí)現(xiàn)了通道間的無死區(qū)測量，并可以靈活測量統(tǒng)計各個通道間或者本通道內(nèi)的觸發(fā)信號的時間間隔；采用高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換的方式，并引入自動校準(zhǔn)的方法來提高測量的線性度和準(zhǔn)確度；并解決了通道間的干擾問題，使16個通道同時工作時，各個通道的測量分辨率都優(yōu)于5 ps。研制出的皮秒級16通道精密事件計時器工程化程度較高，可以直接應(yīng)用于多個原子鐘或者多個時間信號的高精度比對等實(shí)際應(yīng)用中。

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Development of picosecond 16 channels precise event timer

CHEN Fa-xi1,2,3, KONG Wei-cheng1,2,4, ZHAO Kan1,2, LIU Tao1,2, ZHANG Shou-gang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. School of Microelectronics, XiDian University, Xi’an 710071, China;4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Precision time measurement is the basis for high-precision punctuality, time service and time usage. At present, the acquiring of the equipment for precision time measurement mainly relies on importation, especially the picosecond-level precision multi-channel event timers. The picosecond 16-channel precision event timer described in this article employs a technique of using independent time stamping on the trigger signals for each single channel. There is no measurement dead zone between the channels, and it is not affected by the designated switching-on/switching-off signals or the reference channels. Therefore, with great flexibility, the picosecond 16-channel precision event timer can measure and count the time interval of trigger signals between channels, and that between the multiple trigger signals of a single channel, which broadens the possibility of its application. The picosecond 16-channel precision event timer utilizes a high-speed time-to-digital conversion method and introduces an automatic calibration method to ensure the accuracy and stability of the measurement, making the measurement resolution better than 5 ps and the measurement stability better than 0.6 ps @ 1 000 s and 0.2 ps @ 10 000 s.

event timer; picosecond level; 16-channel; time stamp

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-02-0085-09

2019-11-29；

2020-01-21

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）資助項目（XDB21030200）

陳法喜，男，副研究員，主要從事精密時間測量與時間同步研究。