测量设备的时钟校准装置和测量设备

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种测量设备的时钟校准装置和测量设备。

背景技术

人们的日常生活、商业、生产及科研都需要准确的时间，并且统一的时间标准对现代社会各行各业越来越重要。目前国际上通用的时间标准有：原子时（TAI）、世界时（UT）和协调世界时（UTC）。

鉴于全球卫星定位系统，如GPS、北斗卫星定位系统上，使用的原子钟，走时十分准确。目前GPS授时信号是无线通信基站、电力系统、地质勘探中通用授时信号，如通信基站主要接受来自GPS卫星的1PPS（Pulses Per 1 Second）信号与 TOD（Time Of Day）信号。

秒脉冲（1PPS）信号通过卫星原子钟发出，其上升沿称为准时沿，具有极高的边沿精度。但由于 GPS 通信含有其他数据包，所以 1PPS 信号脉宽时间并不统一，脉宽通常为20ms 至 200ms，图1所示为 1PPS 信号的波形图。

GPS卫星采用原子钟，频率非常高，在9GHz以上，使用1PPS信号同步本地时钟的原理，实际上，就是用时钟同步锁频，将本地时钟源如OCXO、TCXO、VCXO的频率锁定至GPS卫星对等的频率。例如，将GPS卫星中的1PPS脉冲时间间隔化为10^7个等分，用本地10MHz的时钟源去锁定 GPS卫星的“10MHz”时钟，由于GPS卫星上的“10MHz”上升沿完全与1PPS 时钟沿相当，所以 1PPS 分出的“10MHz”时钟精度很高，而本地时钟源如OCXO、TCXO、VCXO的时钟频率与标准的“10MHz”时钟频率是有误差的。修改本地时钟源的输出频率，可使本地时钟源输出的 10MHz 与来自卫星的1PPS信号分出的“10MHz”频率无限接近，减小误差，达到本地时钟频率与卫星定位系统的 1PPS分出的时钟频率同步。

时钟同步是通信、地址勘探、电力等众多领域的支撑技术，目的是把分布在世界各地的时钟对准，使各地的时钟均与标准钟同步。目前主流的架构方式是采用数控锁相环的方式，通过 DSP、FPGA 等实时性较高的处理器芯片执行秒脉冲边沿截获及时钟同步。该方案造价高昂，且技术封闭性强，不同厂家的 1PPS 时钟同步模块实现原理各不同。

测量设备，如示波器、频谱仪、网络分析仪器等，使用的都是本地工作时钟，在长期使用下，存在时钟频率漂移的情况，导致所测量到的信号频率值和真实值之间存在误差，返厂校准仪器的频率准确度会增加使用成本；此外，使用测量设备去测试基站、通信设备等信号时，目前大部分测量设备上的工作时钟频率不能同步到被测试设备的时钟域上，增加了测试难度；最后，目前基于卫星定位系统驯服工作时钟的技术方法，存在被驯服的工作时钟源频率和定位卫星的时钟频率同步精度不够高的情况，存在一定的频率差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何使测量设备的工作时钟信号和卫星定位系统的时钟同频。

根据第一方面，一种实施例中提供一种测量设备的时钟校准装置，包括：

GPS接收机模块，用于根据卫星定位系统的授时信息，产生秒脉冲同步信号；

可编程阵列逻辑器，包括同步脉冲扩展电路、数字TDC电路和控制单元；

所述同步脉冲扩展电路用于获取所述秒脉冲同步信号和计数时钟信号，并对所述秒脉冲同步信号的上升沿进行延迟调整，得到第三同步信号，所述第三同步信号的上升沿与所述计数时钟信号的时钟沿同步；所述同步脉冲扩展电路还用于根据所述秒脉冲同步信号的上升沿和所述第三同步信号的上升沿，产生同步脉冲信号，所述同步脉冲信号的上升沿为所述秒脉冲同步信号的上升沿，所述同步脉冲信号的下降沿为所述第三同步信号的上升沿；

所述数字TDC电路用于获取所述同步脉冲信号，计算所述同步脉冲信号的上升沿与所述计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，再基于所述第三同步信号的周期和所述同步脉冲信号的上升沿与所述计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，确定所述秒脉冲同步信号的周期；

所述控制单元用于获取所述秒脉冲同步信号的周期和目标周期，基于所述秒脉冲同步信号的周期和目标周期的差值，输出校准控制信号；

校正模块，用于基于所述校准控制信号，对所述测量设备的工作时钟信号的频率进行校准，以使所述测量设备的工作时钟与所述秒脉冲同步信号相同步。

根据第二方面，一种实施例中提供一种测量设备，包括：

主测量模块，用于基于所述测量设备的工作时钟信号，对信号进行采集和处理；

时钟校准装置，所述时钟校准装置为上述任一项实施例所述的时钟校准装置，用于在接收到外部输入的校准指令后，对所述测量设备的工作时钟信号进行校准。

依据上述实施例的测量设备的时钟校准装置和测量设备，时钟校准装置包括GPS接收机模块、可编程阵列逻辑器和校正模块，其中，GPS接收机模块产生秒脉冲同步信号，可编程阵列逻辑器将秒脉冲同步信号的上升沿进行延迟调整，得到第三同步信号，再根据秒脉冲同步信号和第三同步信号，产生同步脉冲信号，计算同步脉冲信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，基于该时间差以及第三同步信号的周期，确定秒脉冲同步信号的周期，最后基于秒脉冲同步信号的周期和目标周期的差值，输出校准控制信号，校正模块基于校准控制信号，对测量设备的工作时钟信号的频率进行校准，以使测量设备的工作时钟信号和卫星定位系统的时钟同频。

附图说明

图1为1PPS 信号的波形示意图；

图2为时间间隔测量的原理示意图；

图3为数字移相计数测量的原理示意图；

图4为PID驯服工作时钟信号的原理示意图；

图5为一种实施例的测量设备的时钟校准装置的结构示意图；

图6为计数时钟信号CLK、秒脉冲同步信号W、第一同步信号W1、第二同步信号W2、第三同步信号W3和同步脉冲信号P的时序示意图；

图7为一种实施例的数字TDC电路的结构示意图；

图8为亚稳态存在原理示意图；

图9为另一种实施例的数字TDC电路的结构示意图；

图10为解码时序图；

图11为计数时钟信号、各个延时抽头的信号和有效信号valid1的示意图；

图12为计数时钟信号、各个延时抽头的信号和有效信号valid2的示意图；

图13为PID控制器的控制框图；

图14为PID控制器的实现流程图；

图15为误差信号e(k)随时间变化的仿真示意图；

图16为一种实施例的测量设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

请参考图2，图2示出了时间间隔测量原理的示意图，秒脉冲（1PPS）同步信号的周期即为图2中的T，T由“粗测量”时间加上“细测量”时间得到，如以下表达式：

其中，

此外，计数时钟信号CLK的周期

从上述描述可知，为了减少测量误差，提高时间间隔的测量精度，需要减小甚至忽略的影响，最直接的方式是提高计数时钟信号的频率值，但受限于芯片的性能，如果不便于提高计数时钟信号的频率，还可以使用数字移相计数来提高测量精度。

如图 3所示，使用FPGA（可编程阵列逻辑器）片上的DCM模块，将计数时钟信号CLK1~CLK4进行间隔90°的移位，每个CLKx（x=1,2,3,4）的频率相同，并且在CLKx的上升沿和下降沿，都对时间间隔脉宽进行计数。使用等效计数时钟对脉宽进行计数后，计数周期相当于原有时钟的Tc/8，等效时钟频率提高为原来的8倍，则计数误差变为原来的-1/8Tc~+1/8Tc。然而，该方式依赖于测量设备的工作时钟信号的频率，工作时钟信号的频率越高，则测量越准确。

本实施例还提供了一种PID驯服工作时钟信号的方法，PID控制器是一种线性调节器，它根据给定输入值和实际输出值之间的偏差，按照P(比例)、积分（I）、微分（D）函数关系算出控制量，使得输出很好的跟踪输入信号。PID控制算法计数较为成熟，结构也较为简单，便于实现。

图4中，X(S)是输入信号，对应1PPS信号；Y(S)是输出信号，对应本地被驯服的时钟源频率；E(S)是误差信号，U(S)是控制信号。K

PID控制器是一种基于负反馈进行控制的方法，有利于提高系统的稳定性，适合在高精度的控制系统中使用。目前市场上使用数字PID控制器进行本地时钟驯服的方法，测试精度误差大于一个计数时钟信号CLK的周期。

基于上述问题，本发明实施例通过同步脉冲扩展电路将秒脉冲同步信号转换为同步脉冲信号，并计算同步脉冲信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，即可得到细测量时间，再结合粗测量时间，确定秒脉冲同步信号的周期，基于秒脉冲同步信号的周期和目标周期的差值，对工作时钟信号的频率进行校准，以使测量设备的工作时钟信号和卫星定位系统的时钟同频。

请参考图5，图5为一种实施例的测量设备的时钟校准装置的结构示意图，以下简称时钟校准装置，时钟校准装置包括：GPS接收机模块101、可编程阵列逻辑器102和校正模块103，其中，可编程阵列逻辑器102包括同步脉冲扩展电路1021、数字TDC电路1022、控制单元1023和分频模块1024，校正模块103包括数模转换器1031、压控振荡器1032和锁相环1033，下面详细说明。

GPS接收机模块101用于根据卫星定位系统的授时信息，产生秒脉冲同步信号，也即是，1PPS同步信号。

可编程阵列逻辑器102中的同步脉冲扩展电路1021用于获取秒脉冲同步信号和计数时钟信号，并对秒脉冲同步信号的上升沿进行延迟调整，得到第三同步信号，其中，第三同步信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿同步。

在一实施例中，对秒脉冲同步信号的上升沿进行延迟调整，得到第三同步信号包括：

获取秒脉冲同步信号的上升沿所处的计数时钟信号的周期，将所获取的计数时钟信号的周期对应的计数时钟信号作为同步计数时钟信号。

基于同步计数时钟信号，产生第一同步信号，其中，第一同步信号的上升沿与同步计数时钟信号的时钟沿相同步。

基于所述第一同步信号，产生第二同步信号，其中，第二同步信号的上升沿相对于第一同步信号的上升沿延迟一个计数时钟信号的周期。

基于第二同步信号，产生第三同步信号，其中，第三同步信号的上升沿相对于第二同步信号的上升沿延迟一个计数时钟信号的周期。

由此，第一同步信号、第二同步信号和第三同步信号具有相同的周期，第二同步信号与第一同步信号相差一个计数时钟信号的周期，第三同步信号与第二同步信号相差一个计数时钟信号的周期，这样，第三同步信号和第一同步信号之间相差两个计数时钟信号的周期。

需要说明的是，第一同步信号、第二同步信号或第三同步信号的周期即为粗测量时间

同步脉冲扩展电路1021还用于根据秒脉冲同步信号的上升沿和第三同步信号的上升沿，产生同步脉冲信号，其中，同步脉冲信号的上升沿为秒脉冲同步信号的上升沿，同步脉冲信号的下降沿为第三同步信号的上升沿。

需要说明的是，本实施例提供的同步脉冲扩展电路1021可通过数字电路实现，例如，可通过三个D触发器实现，第一同步信号为经过一个D触发器输出的信号，第二同步信号为经过两个D触发器输出的信号，第三同步信号为经过三个D触发器输出的信号。

数字TDC电路1022用于获取同步脉冲信号，计算同步脉冲信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，再基于第三同步信号的周期和同步脉冲信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿之间的时间差，确定秒脉冲同步信号的周期。

请参考图6，图6为计数时钟信号CLK、秒脉冲同步信号W、第一同步信号W1、第二同步信号W2、第三同步信号W3和同步脉冲信号P的时序示意图。由于秒脉冲同步信号W和计数时钟信号CLK之间是异步的关系，本实施例先对秒脉冲同步信号W进行异步信号同步化，依次通过产生第一同步信号W1、第二同步信号W2、第三同步信号W3，以使得到的第三同步信号W3与时钟信号的时钟沿同步，然后取秒脉冲同步信号W的上升沿作为同步脉冲信号P的上升沿，第三同步信号W3的上升沿作为同步脉冲信号P的下降沿，组成同步脉冲信号P，其中，同步脉冲信号P的表达式P=!W3&W，&表示逻辑与，！表示逻辑取反。

在本实施例中，计算同步脉冲信号的上升沿与计数时钟信号的时钟沿之间的时间差计算同步脉冲信号的相邻两个上升沿分别与计数时钟信号的时钟沿的时间差

控制单元1023用于获取秒脉冲同步信号的周期和目标周期，基于秒脉冲同步信号的周期和目标周期的差值，输出校准控制信号。本实施例中的控制单元为PID控制单元，PID控制单元基于秒脉冲同步信号的周期和目标周期的差值，采用PID控制方法确定校准控制信号。

分频模块1024用于接收测量设备的工作时钟信号，对工作时钟信号进行分频，得到计数时钟信号。

在本实施例中，GPS接收机模块101产生的秒脉冲同步信号相当于外来的一个触发信号，经过同步脉冲扩展电路1021进行时间间隔的粗测量后，得到粗测量时间

校正模块103用于基于校准控制信号，对测量设备的工作时钟信号的频率进行校准，以使测量设备的工作时钟与秒脉冲同步信号相同步。

在一实施例中，校正模块103包括：数模转换器（D/A转换器）1031、压控振荡器（VCXO）1032和锁相环（PLL）1033。其中，数模转换器1031用于将校准控制信号转换为模拟控制电压；压控振荡器1032用于基于模拟控制电压，产生与模拟控制电压相对应的基准时钟频率值，在本实施例中，压控振荡器1032为本地的时钟基准源，具有良好的短期稳定性、良好的相噪指标和抖动性能，压控振荡器1032根据其输入端接收的模拟控制电压调整其输出的基准时钟频率值；锁相环1033用于基于压控振荡器1032输出的基准时钟频率值，产生高于数倍基准时钟频率的测量设备的工作时钟信号。

在一实施例中，请参考图7，数字TDC电路1022包括延时链201、多个D触发器202和第一温度计码解码器203，下面详细说明。

延时链201的输入端与同步脉冲扩展电路1021的输出端连接，用于接收同步脉冲扩展电路1021输出的信号。

延时链201包括多个延时抽头，延时抽头与D触发器202一一对应，各个延时抽头与其相对应的D触发器202的输入引脚连接；各个延时抽头用于对延时链201接收的信号进行不同延时时间的延时操作，其中：

延时抽头1用于对延时链201接收的信号进行延时时间t的延时操作；

延时抽头2用于对延时链201接收的信号进行延时时间2t的延时操作；

…

延时抽头n用于对延时链201接收的信号进行延时时间nt的延时操作。

各个D触发器202用于接收对应的延时抽头输出的信号，并在延时链201接收到的信号为同步脉冲信号时，输出有效电平信号；否则，输出无效电平信号。也就是，当延时链201未接收到同步脉冲信号时，所有D触发器均输出无效电平信号，在延时链201同步脉冲信号后，由于同步脉冲信号的脉宽是有限的，因此会有部分D触发器201效电平信号。

第一温度计码解码器203接收各个D触发器输出的电平信号，输出对应的第一解码值序列，第一解码值序列中包括多个第一解码值，各个第一解码值与各个D触发器输出的电平信号一一对应；第一温度计码解码模块根据第一解码值序列中有效解码值的数量，同步脉冲信号的相邻两个上升沿分别与所述计数时钟信号的时钟沿的时间差，需要说明的是，该时间差为初始时间差。

请参考图8，由于亚稳态的存在，秒脉冲同步信号落到时钟沿的保持时间窗口内时，同步触发信号可能被当前的时钟沿同步为同步信号1，也可能被下一个时钟沿同步为同步信号2，也就是，同步脉冲扩展电路1021在对秒脉冲同步信号的上升沿进行延迟调整时，得到的第三同步信号可能与秒脉冲同步信号之间包含有两个计数时钟信号周期，也可能包含有三个计数时钟信号周期。因此，为了避免亚稳态的存在，本实施例对图7所示数字TDC电路进行了改进，请参考图9，数字TDC电路还包括：第二温度计码解码器204、与门逻辑电路205和计数器206。

第一温度计码解码器203还用于接收延时链的各个延时抽头输出的信号，并在检测到第一个不为0的数据时有效信号valid1拉高，输出第一解码值。第二温度计码解码器204用于接收延时链的各个延时抽头输出的信号的反码信号，并在检测到反码信号中第一个由0跳变到1的数据时有效信号valid2拉高，输出第二解码值。请参考图10，图10为解码时序，其中， data1为延时链输出的原码信号，data2为原码信号的反码信号。

与门逻辑电路205用于获取第一解码值和第二解码值的反码值，并对第一解码值和第二解码值的反码值进行相与操作，得到第一信号。

计数器206用于接收第一信号，并对第一信号进行计数，得到计数值，计数值为同步脉冲信号的脉宽中所包含计数时钟信号周期的数量。

在本实施例中，第一信号为m，则号m=!valid2&valid1，对第一信号m进行计数，计数值为b，那么：

请参考图11，假如同步脉冲信号输入到延时链，那么D(0),D(1)……D(n-1)表示各个延时抽头的信号，每个时钟信号都对延时链上的信号进行采样，抽头上检测到第一个不为0的数值后，有效信号valid1拉高，输出该值，后面也不再继续检测。

请参考图12，假如同步脉冲信号输入到延时链，那么D(0)’,D(1)’……D(n-1)’表示各个延时抽头的反码信号，每个计数时钟信号都对延时链上的信号进行采样，抽头上检测到反码信号中第一个由0跳变到1的数据时，有效信号valid2拉高，输出该值，后面也不再继续检测。

从图11和图12的对比可以看出，反码检测时序是把同步脉冲信号P的下降沿转成上升沿来检测。原始的秒脉冲同步信号W存在亚稳态，打三拍后的第三同步信号W3已经是稳态信号，通过逻辑关系可得，同步脉冲信号P上升沿和下降沿之间存在至少2个完整的计数时钟信号周期，那么通过公式

本发明实施例将秒脉冲同步信号边沿展宽成脉冲，再做减法计算，这样转换计算能消除亚稳态的方法，避免检测秒脉冲同步信号边沿在延时链中的具体哪个抽头位置，通过检测相对位置，发生亚稳态的时候秒脉冲同步信号边沿的相对位置没有改变，只是分属于不同的计数时钟信号周期，通过相减做差可以把发生亚稳态的计算出来。

通过上述的粗测量和细测量，得到秒脉冲同步信号的周期

在一实施例中，控制单元采用PID（比例积分微分）控制器来实现对压控振荡器的基准时钟的驯服，如图13所示， PID控制器的控制量虽然经过一些列的转换，最终对实现压控振荡器的控制。本实施例中的PID控制器的模型为K

离散化可得到PID的数字差分方程如下：

U(k)=K

其中， k为采样的序列号，u(k)为第k次采样时的调节器输出控制量，e(k)为第k次采样时候的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻的偏差值。K

计算秒脉冲同步信号驯服压控振荡器的传递函数G(S)如下所示：

Y(s)= (K

G(S)= Y(s)/ X(s)

本实施例认为控制量和压控振荡器的输出频率之间存在一个比例系数K

如图15所示，图15为输入值可编程阵列逻辑器的误差信号e(k)随时间变化的仿真示意图，可以看出，误差信号e(k)经过校准后越来越小。

请参考图16，本发明实施例还提供了一种测量设备，测量设备包括主测量模块301和时钟校准装置302，主测量模块301用于基于所述测量设备的工作时钟信号，对信号进行采集和处理；时钟校准装置302用于在接收到外部输入的校准指令后，对测量设备的工作时钟信号进行校准。

本发明实施例提供的测量设备，首先，提高了测量秒脉冲同步信号的时间间隔的准确度，精度优于一个计数时钟信号周期，其次，测量设备上使用卫星定位系统驯服本地时钟源，提高了测量设备的时钟源频率准确度，从而提升了测量设备的准确度，其次，对于已经出厂的测量设备，可以实时实地进行时钟源的频率校准，不需要间隔一段时间返厂校准，减少了校准的成本，最后，使用测量设备去测试基站、通信设备等信号时，由于被测试对象的时钟和测试测量仪器的时钟源都同步到卫星定位系统上的时钟域，减少了测试难度。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。