数字式时钟的秒脉冲发生装置、方法及测量系统、方法

技术领域

本发明涉及数字式时钟计量领域，特别是涉及一种数字式时钟的秒脉冲发生装置、方法及测量系统、方法。

背景技术

近年来，数字式时钟的守时和同步技术得到快速发展，守时精度不断提高，为计量数字式时钟带来了新的难题。目前对数字式时钟的测量方法主要是对其信号输出接口进行测量，并通过观察，确定其与标准时间的偏差，但该方法所测量的是信号输出接口的时差，而信号输出接口的时差并不能代表数字式时钟显示时间的时差，同时通过观察比较的方式，不能对数字式时钟的时差进行定量测量。另外，目前市场上的数字式时钟基本不具有秒脉冲输出功能，时间显示分辨力不高，基本在低精度场景下应用，难以具体分析和测量其守时精度和秒级以下的时间偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字式时钟的秒脉冲发生装置、方法及测量系统、方法，通过对数字式时钟显示单元的秒位数码管进行检测，以产生秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行测量，以达到有效定量测量数字式时钟秒级以下时差的目的，实现对数字式时钟的精确测量和校准。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种数字式时钟的秒脉冲发生装置，所述秒脉冲发生装置包括光电二极管，放大电路、比较电路、脉冲发生电路以及秒脉冲合成电路；

数字式时钟的秒位数码管所包含的至少三段LED分别连接一所述光电二极管；所述光电二极管用于采集与其连接的所述LED的亮灭信号，并根据所述亮灭信号输出相应的电流信号；

每一所述放大电路与一所述光电二极管连接；所述放大电路用于将所述光电二极管输出的电流信号转换为电压信号；

每一所述比较电路与一所述放大电路连接；所述比较电路用于将所述放大电路输出的电压信号与预设电压进行比较，并根据比较结果输出TTL电平信号；所述预设电压位于LED不亮时所对应的放大电路输出电压值和LED亮时所对应的放大电路输出电压值之间；

每一所述比较电路的输出端分为两路，一路直接连接所述脉冲发生电路，另一路与反相器相连接，反相器的另一端连接另一个所述脉冲发生电路；所述脉冲发生电路用于根据接收到的TTL电平信号输出脉冲信号；

所述秒脉冲合成电路与所有所述脉冲发生电路相连接；所述秒脉冲合成电路通过或门对所有所述脉冲发生电路所输出的脉冲信号进行或运算，输出所述数字式时钟对应的秒脉冲。

一种数字式时钟的秒脉冲发生方法，所述秒脉冲发生方法包括如下步骤：

利用光电二极管采集与其连接的LED的亮灭信号，根据所述亮灭信号输出相应的电流信号并传输至放大电路；

利用所述放大电路将所述电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号传输至比较电路；

利用比较电路将所述电压信号与预设电压进行比较，并根据比较结果输出TTL电平信号；所述TTL电平信号分为两路，一路直接传输至脉冲发生电路，一路经反相器后传输至另一个脉冲发生电路；

利用脉冲发生电路根据接收到的所述TTL电平信号输出相应的脉冲信号；

利用秒脉冲合成电路将所有所述脉冲发生电路产生的脉冲信号进行或运算，得到数字式时钟的秒脉冲信号。

一种数字式时钟的测量系统，所述测量系统包括秒脉冲发生装置，参考时间频率源以及时间间隔测量仪；

所述秒脉冲发生装置分别与数字式时钟和所述时间间隔测量仪相连接；所述秒脉冲发生装置用于对所述数字式时钟进行检测，输出所述数字式时钟所对应的秒脉冲信号，并将所述秒脉冲信号传输至所述时间间隔测量仪；

所述参考时间频率源与所述时间间隔测量仪相连接；所述参考时间频率源用于产生参考时间信号，并将所述参考时间信号传输至所述时间间隔测量仪；

所述时间间隔测量仪以接收到的所述参考时间信号作为启动信号，以接收到的所述秒脉冲信号作为停止信号，测量所述启动信号和所述停止信号之间的时间间隔误差，所述时间间隔误差即为所述数字式时钟的时差。

一种数字式时钟的测量方法，具体步骤如下：

接收参考时间频率源所产生的参考时间信号，并以所述参考时间信号作为启动信号；

接收秒脉冲发生装置对数字式时钟进行检测后所输出的秒脉冲信号，并以所述秒脉冲信号作为停止信号；

对所述启动信号和所述停止信号之间的时间间隔误差进行测量，所述时间间隔误差即为所述数字式时钟的时差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供一种数字式时钟的秒脉冲发生装置、方法，通过光电二极管对数字式时钟的秒位数码管进行检测，将多路检测信号通过放大电路放大得到电压信号，并将电压信号与预设电压进行比较后，输出TTL电平信号，该TTL电平信号再直接或经反相器反相后送入脉冲发生电路以产生脉冲信号，最后经秒脉冲合成电路进行或运算产生数字式时钟的秒脉冲信号，进而能够实现数字式时钟的秒脉冲输出功能。

本发明所提供的一种数字式时钟的测量系统、方法，通过以参考时间频率源产生的参考时间信号作为启动信号，以秒脉冲信号作为停止信号，对启动信号和停止信号之间的时间间隔误差进行测量，进而能够达到有效定量测量数字式时钟时差的目的，实现对数字式时钟的精确测量和校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的秒脉冲发生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1所提供的秒位数码管的示意图。

图3为本发明实施例1所提供的共阳极数码管的LED信号波形图。

图4为本发明实施例1所提供的放大电路和比较电路的电路原理图。

图5为本发明实施例1所提供的放大电路中运算放大器U1的输出曲线图。

图6为本发明实施例1所提供的比较电路中电压比较器同相输入端的输入电压和反相输入端的输入电压之间的关系曲线图。

图7为本发明实施例1所提供的比较电路中电压比较器反相输入端的输入电压和电压比较器的输出电压之间的关系曲线图。

图8为本发明实施例1所提供的比较电路中电压比较器反相输入端的输入电压、电压比较器同相输入端的输入电压和电压比较器的输出电压之间的关系曲线图。

图9为本发明实施例1所提供的脉冲发生电路的电路原理图。

图10为本发明实施例2所提供的秒脉冲发生方法的方法流程图。

图11为本发明实施例3所提供的数字式时钟测量系统的结构示意图。

图12为本发明实施例4所提供的数字式时钟测量方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种数字式时钟的秒脉冲发生装置、方法及测量系统、方法，通过对数字式时钟显示单元的秒位数码管进行检测，以产生秒脉冲信号，并对秒脉冲信号进行测量，以达到有效定量测量数字式时钟时差的目的，实现对数字式时钟的精确测量和校准。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

目前市场上大部分数字式时钟并不具备秒脉冲输出功能，也就无法检测数字式时钟秒级以下的时差，为了能够实现数字式时钟秒级以下时差的测量，本实施例用于提供一种数字式时钟的秒脉冲发生装置。如图1所示，所述秒脉冲发生装置包括光电二极管，放大电路、比较电路、脉冲发生电路以及秒脉冲合成电路；

数字式时钟的秒位数码管所包含的至少三段LED分别连接一所述光电二极管；所述光电二极管用于采集与其连接的所述LED的亮灭信号，并根据所述亮灭信号输出相应的电流信号；数字式时钟所采用的LED的波长一般在700nm以下，光电二极管可采用PIN硅光电二极管，进而能够很好的在该LED的波长范围内进行响应，响应时间在纳秒级，可将与光电二极管所连接的LED的亮灭信号实时转换为电流信号。所述光电二极管置于LED的上方，以对LED的亮灭信号进行实时检测。

每一所述放大电路与一所述光电二极管连接；所述放大电路用于将所述光电二极管输出的电流信号转换为电压信号；

每一所述比较电路与一所述放大电路连接；所述比较电路用于将所述放大电路输出的电压信号与预设电压进行比较，并根据比较结果输出TTL电平信号；所述预设电压位于LED不亮时所对应的放大电路输出电压值和LED亮时所对应的放大电路输出电压值之间；

每一所述比较电路的输出端分为两路，一路直接连接所述脉冲发生电路，另一路与反相器相连接，反相器的另一端连接另一个所述脉冲发生电路；所述脉冲发生电路用于根据接收到的TTL电平信号输出脉冲信号；

所述秒脉冲合成电路与所有所述脉冲发生电路相连接；所述秒脉冲合成电路通过或门对所有所述脉冲发生电路所输出的脉冲信号进行或运算，输出所述数字式时钟对应的秒脉冲。

如图2所示，数字式时钟显示单元的秒位数码管由七段LED(发光二极管)组成，分别用字母a～g来表示。数字式时钟通过在七段LED上施加不同的信号，从而能够使秒位数码管显示出0～9这10个数字。秒位数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管。对于共阳极数码管而言，要显示数字“0”，应分别给a～g段LED施加0、0、0、0、0、0、1信号(0代表低电平，此时该段LED点亮，1代表高电平，此时该段LED熄灭)，当采用共阳极数码管时，数字式时钟的秒位数码管从数字“0”到“9”的信号波形如图3所示。

从图3可知，秒位数码管在发生数字跳变时，某段LED也会发生亮灭的变换，进而某段LED呈现出电压信号的上升沿或下降沿。而对于秒位数码管而言，数字发生一次跳变，则代表是新的一秒，必然需要在数字发生跳变的时候产生一个秒脉冲，则产生数字式时钟的秒脉冲必然依赖于秒位数码管的数字跳变，那么检测LED的上升沿或下降沿成为产生秒脉冲的基础。

如表1所示，其为秒位数码管的数字跳变与七段LED上升沿和下降沿之间的对应关系。

表1：

通过观察图3和表1不难发现，仅检测七段LED的上升沿或者仅检测七段LED的下降沿并不可行，如由数字“0”跳变到数字“1”时，只存在上升沿，而由数字“7”跳变到数字“8”时，只存在下降沿，故对七段LED的信号检测应同时包括上升沿和下降沿。

另外，若同时检测七段LED的上升沿和下降沿，会导致重复检测信号的产生(在数字跳变时，不同段LED同时产生的上升沿或者同时产生的下降沿均算重复检测信号)，最坏情况下在一次数字跳变中会产生4个重复检测信号，检测信号之间互相干扰。比如在由数字“0”跳变到数字“1”时，存在a、d、e、f四个重复检测信号，在由数字“7”跳变到数字“8”时，存在d、e、f、g四个重复检测信号，造成干扰的因素主要为LED的响应时间以及检测方法对该响应时间的扩大。因此，应找出数字跳变和LED信号上升沿和下降沿之间的逻辑关系，以减少重复检测信号的产生。通过观察图3和表1，发现在某些数字产生跳变时，仅有一段LED的信号出现上升沿或下降沿，如由数字“8”跳变到数字“9”时，仅有e段LED信号发生改变，呈上升沿r

需要说明的是，虽然存在重复检测信号会影响秒脉冲发生的精度，但存在重复检测信号并不影响秒脉冲信号的发生，即不会影响本实施例技术方案的实现，故本实施例中，数字式时钟的秒位数码管所包含的至少三段LED分别连接一光电二极管，即可同时对秒位数码管所包含的三段LED、四段LED、五段LED、六段LED或七段LED进行检测，以对秒位数码管的数字跳变信号进行检测。当光电二极管与数字式时钟的秒位数码管所包含的三段LED一一对应连接时，三段LED分别为秒位数码管的a段LED、b段LED和e段LED。当光电二极管与数字式时钟的秒位数码管所包含的四段LED一一对应连接时，四段LED除包含a段LED、b段LED和e段LED外，还包括其他段LED中的任意一段。当光电二极管与数字式时钟的秒位数码管所包含的五段LED一一对应连接时，五段LED除包含a段LED、b段LED和e段LED外，还包括其他段LED中的任意两段。当光电二极管与数字式时钟的秒位数码管所包含的六段LED一一对应连接时，六段LED除包含a段LED、b段LED和e段LED外，还包括其他段LED中的任意三段。光电二极管还可以与数字式时钟的秒位数码管所包含的七段LED一一对应连接。

需要说明的是，除上述写明的三段LED、四段LED、五段LED、六段LED的组合方式外，凡是其构成的组合能够检测到所有数字跳变信号的组合方式，均应在本发明的保护范围内。

进一步的，如图4所示，所述放大电路包括运算放大器U1、电阻R10和第一电源VCC-8V；所述运算放大器U1的反相输入端分别与所述光电二极管PD1和所述电阻R10相连接；所述光电二极管PD1的另一端接地；所述电阻R10的另一端与所述运算放大器U1的输出端相连接；所述运算放大器U1的输出端即为所述放大电路的输出端；所述第一电源VCC-8V与所述运算放大器U1的同相输入端相连接。具体的，第一电源VCC-8V与运算放大器U1的同相输入端相连接的连接方式为：第一电源VCC-8V与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端分别连接电阻R1和电阻R3，电阻R1的另一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器U1的同相输入端相连接。

运算放大器U1工作在单电源模式，给运算放大器U1的同相输入端加入偏置电压，使光电二极管PD1在无光照情况下处于零点，不会出现光电二极管PD1在响应时由负电源带来的附加延时，并且该偏置电压也在光电二极管PD1上形成反向偏置，以减小结电容，提高运行速度。

运算放大器U1的输出电压为：

式(1)中，V

在该放大电路下，令R1＝R2，则式(1)可化简为：

由式(2)可知，通过调整电阻R10的阻值，能够改变运算放大器U1的放大倍数，则R10的计算公式如下：

式(3)中，I

当I

参见图4，所述比较电路包括电压比较器U2、第二电源VCC-5V、第三电源VCC-5V、电阻R4、电阻R5和电阻R7；所述电压比较器U2的反相输入端IN-与所述放大电路的输出端相连接，进而放大电路的输出电压即为电压比较器U2反相输入端的输入电压；所述第二电源VCC-5V与所述电压比较器U2的同相输入端IN+相连接；所述第二电源VCC-5V输出到电压比较器U2的电压即为所述预设电压；所述电阻R7一端与所述电压比较器的Q/OUT引脚相连接，另一端即为所述比较电路的输出端；所述电阻R5一端与所述电压比较器的#Q/OUT引脚相连接，另一端与所述比较电路的输出端相连接；所述电压比较器的VCC+引脚分别与所述第三电源VCC-5V与所述电阻R4相连接；所述电阻R4的另一端与所述比较电路的输出端相连接。

另外，所述第二电源VCC-5V与所述电压比较器U2的同相输入端IN+相连接的具体连接方式为：所述第二电源VCC-5V与电位器R8的一端相连接，电位器R8的另一端分别与电阻R9和电压比较器U2的同相输入端IN+相连接，电阻R9的另一端接地。经计算发现，当电位器R8的阻值范围在(0～5)kΩ以及R9的阻值为20kΩ时，电压比较器U2同相输入端的输入电压V

另外，图6和图7均为不考虑响应时间的情况下所得到的关系曲线图，若考虑放大电路和比较电路的响应时间，则电压比较器U2反相输入端的输入电压V

如图9所示，所述脉冲发生电路包括D触发器U3、第四电源VCC-5V、反相器U4和RC充电电路；所述D触发器U3的CLK引脚与所述比较电路的输出端相连接；所述第四电源VCC-5V与所述D触发器的D引脚相连接；所述RC充电电路包括电阻R16和电容C11；所述电阻R16一端与所述D触发器的Q引脚相连接，另一端分别与所述反相器U4以及所述电容C11相连接；所述反相器U4的另一端与所述D触发器的R引脚相连接；所述电容C11的另一端接地；D触发器的Q引脚即为所述脉冲发生电路的输出端。

光电二极管对LED进行检测后，得到的检测信号经放大电路和比较电路进行处理后即可得到TTL电平信号。为了得到数字式时钟秒位数码管跳变信号所对应的脉冲信号，需要利用D触发器的R端，并结合RC充电电路，以在D触发器的CLK端存在上升沿时输出一定脉宽的脉冲信号。由于对于共阳极数码管而言，LED的上升沿对应于比较电路输出的TTL电平信号的上升沿，而TTL电平信号即为D触发器CLK引脚的输入信号，且D触发器只有在CLK引脚的输入信号存在上升沿时才会产生脉冲信号，为了同时检测LED的上升沿和下降沿，故比较电路的输出端需要分为两路，一路直接连接脉冲发生电路，另一路与反相器相连接，反相器的另一端连接另一个脉冲发生电路。具体而言，对于LED的上升沿，比较电路的输出端直接连接脉冲发生电路以产生LED上升沿所对应的脉冲信号，对于LED的下降沿，比较电路的输出端先连接反相器，再连接脉冲发生电路以产生LED下降沿所对应的脉冲信号。

该脉冲发生电路的工作原理为：TTL电平信号作为D触发器U3的CLK引脚的输入信号，第四电源VCC-5V的直流电压信号作为D触发器D引脚的输入信号，当TTL电平信号由低电平变为高电平时，即出现上升沿时，D触发器U3的Q引脚的输出为高电平，RC电路的充电时间即为输出脉冲的脉宽。在电容C11充电完成后，D触发器U3的R引脚为低电平，使D触发器U3的Q引脚清零，进而产生具有一定脉宽的脉冲信号。RC电路中的电阻和电容的精度会影响脉冲脉宽的稳定性，但不会对脉冲信号的产生造成延迟。

在得到所检测的多段LED分别对应的脉冲信号后，再利用秒脉冲合成电路对产生的所有脉冲信号进行或运算，即可得到数字式时钟对应的秒脉冲信号。

需要说明的是，本实施例中仅针对共阳极数码管进行了具体方案的阐述，本领域技术人员可以理解的是，本实施例的技术方案还可以应用于共阴极数码管，当采用共阴极数码管时，由于共阴极数码管是在对LED施加信号0时，LED灭；在对LED施加信号1时，LED亮。故其秒位数码管的信号波形与图3所示的信号波形完全相反，数字跳变与LED上升沿和下降沿的对应关系也与表1所示的对应关系完全相反。故对于共阴极数码管而言，对于LED的下降沿，比较电路的输出端直接连接脉冲发生电路以产生LED下降沿所对应的脉冲信号，对于LED的上升沿，比较电路的输出端先连接反相器，再连接脉冲发生电路以产生LED上升沿所对应的脉冲信号。

另外，为了进一步减少重复检测信号的发生，并不同时对a段、b段和e段的上升沿和下降沿进行检测，而是对于共阳极数码管而言，仅检测a段的上升沿、b段的上升沿和e段的上升沿和下降沿；对于共阴极数码管而言，仅检测a段的下降沿、b段的下降沿和e段的上升沿和下降沿。进而，a段LED所对应的比较电路的输出端直接与脉冲发生电路相连接，b段LED所对应的比较电路的输出端直接与脉冲发生电路相连接；所述e段LED对应的比较电路的输出端分为两路，一路直接与所述脉冲发生电路相连接，一路与反相器相连接，反相器的另一端与另一所述脉冲发生电路相连接。

实施例2：

本实施例用于提供一种数字式时钟的秒脉冲发生方法，采用实施例1所述的数字式时钟的秒脉冲发生装置进行工作，如图10所示，所述秒脉冲发生方法包括如下步骤：

步骤101：利用光电二极管采集与其连接的LED的亮灭信号，根据所述亮灭信号输出相应的电流信号并传输至放大电路；所述光电二极管置于LED的上方，以对LED的亮灭信号进行实时检测。

步骤102：利用所述放大电路将所述电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号传输至比较电路；

步骤103：利用比较电路将所述电压信号与预设电压进行比较，并根据比较结果输出TTL电平信号；所述TTL电平信号分为两路，一路直接传输至脉冲发生电路，一路经反相器后传输至另一个脉冲发生电路；

步骤104：利用脉冲发生电路根据接收到的所述TTL电平信号输出相应的脉冲信号；

步骤105：利用秒脉冲合成电路将所有所述脉冲发生电路产生的脉冲信号进行或运算，得到数字式时钟的秒脉冲信号。

作为一种可选的实施方式，当仅对某一段LED的上升沿或者仅对某一段LED的下降沿进行检测时，若该LED属于共阳极数码管中，在检测该LED的上升沿时，则比较电路所输出的TTL电平信号仅连接脉冲发生电路；在检测该LED的下降沿时，则比较电路所输出的TTL电平信号仅先连接反相器，再连接脉冲发生电路；若该LED属于共阴极数码管中，在检测该LED的上升沿时，则比较电路所输出的TTL电平信号仅先连接反相器，再连接脉冲发生电路；在检测该LED的下降沿时，则比较电路所输出的TTL电平信号仅连接脉冲发生电路。

实施例3：

本实施例用于提供一种数字式时钟的测量系统，如图11所示，所述测量系统包括实施例1所述的秒脉冲发生装置，参考时间频率源以及时间间隔测量仪；

所述秒脉冲发生装置分别与数字式时钟和所述时间间隔测量仪相连接；所述秒脉冲发生装置设置于数字式时钟显示单元秒位数码管的上方；所述秒脉冲发生装置用于对所述数字式时钟进行检测，输出所述数字式时钟所对应的秒脉冲信号，并将所述秒脉冲信号传输至所述时间间隔测量仪；

所述参考时间频率源与所述时间间隔测量仪相连接；所述参考时间频率源用于产生参考时间信号，并将所述参考时间信号传输至所述时间间隔测量仪；

所述时间间隔测量仪以接收到的所述参考时间信号作为启动信号，以接收到的所述秒脉冲信号作为停止信号，测量所述启动信号和所述停止信号之间的时间间隔误差，所述时间间隔误差即为所述数字式时钟的时差。

具体的，所述参考时间频率源可为带GNSS的铷原子频率标准，所述时间间隔测量仪可为带时间间隔测量功能的通用计数器。所述参考时间频率源所产生的参考时间信号即为标准秒脉冲信号1PPS。另外，参考时间频率源还用于产生参考频率信号，以对所述时间间隔测量仪的频率进行校准，提高时间间隔测量仪的测量精度。

实施例4：

本实施例用于提供一种数字式时钟的测量方法，采用实施例3所述的测量系统进行工作，如图12所示，具体步骤如下：

步骤201：接收参考时间频率源所产生的参考时间信号，并以所述参考时间信号作为启动信号；

步骤202：接收秒脉冲发生装置对数字式时钟进行检测后所输出的秒脉冲信号，并以所述秒脉冲信号作为停止信号；

步骤203：对所述启动信号和所述停止信号之间的时间间隔误差进行测量，所述时间间隔误差即为所述数字式时钟的时差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。