[发明专利]一种TDC时间间隔测量温度补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及卫星导航地面站时频系统组网的 时频信号高精度时间间隔测量设备研制技术，特别是在原子钟与时频系统技术 范畴提出了一种TDC时间间隔测量温度补偿方法。

背景技术

在GNSS系统中，高精度的时间间隔测量技术在时频基准完好性监测上有 着重大意义。近年来基于时间-数字转换(Time Digital Converter，TDC)芯片门 电路时延的精密时间间隔测量技术是研究的热点，美、日、欧等国家均对此做 了大量研究，他们利用在集成电路领域的优势，发展了大量成熟的TDC测量芯 片，分辨率一般在15ps～25ps之间。用TDC测量时间间隔的优点是成本低、技 术简单、集成度高、功耗低、性能稳定且表现出很好测量精度。但由于电路元 件存在固有的温度敏感性，导致时间间隔测量结果存在较强的温度相关性，引 起测量误差，需要反复的校准。

TDC时间间隔测量的实现原理如图1所示。TDC测量一般至少存在两个 输入通道f_ch1和f_ch2，测量开始后f_ch1、f_ch2通过检测器产生的触发脉冲输入、接着 鉴别器利用脉冲信号边沿达到预先设定的门限的时刻产生Start开门和Stop关门 脉冲，然后通过时间-数字转换得到开阀门到关阀门累计时标τ的二进制计数个 数N，通过计算可以求得信号之间经过的时差△T，完成本次时间间隔测量。 实现TDC的方法有很多，如计数器方式、电流积分方式、数字时延线方式、延 迟锁定环方式等。图2为一种基于数字时延线结构的TDC基本结构，图中每两 个基本的CMOS反向门和1个D触发器组成一个延时单元，每个延时单元的时 延固定且相同(精度在ps量级)，起始脉冲信号沿延迟线传播，当终止脉冲来到 时，经过若干延时单元到达相应的抽头处的起始脉冲信号被记录入寄存器，由 此即可测得时间间隔。

在图2中，假设每个延时单元的时延值为τ，寄存器记录的Start脉冲信号 和Stop脉冲信号经过的时延单元数为N，时间间隔测量值为△T，则有：

△T＝N*τ    (1)

电子测量误差来源按其性质和特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差 三种^[7]，在TDC测量中随机误差通过多次等精度测量平均减少，粗大误差通过 阈值判决剔除，系统误差是TDC测量分析的重点。

根据图2测量原理及相关参考文献可知系统误差来源有电源电压、环境温 度、信号源噪声、触发电平、系统布线、系统时钟、通道时延等，主要误差源 为延时单元的时延值τ随温度变化的波动。因此，需要对TDC的测量结果进行 温度补偿。

本发明针对TDC时间间隔测量中的温度误差，提出了一种TDC温度补偿 方案，解决时间间隔测量受温度影响的问题。

发明内容

为克服现有方法的不足，本发明提供一种TDC时间间隔测量温度补偿方法。

一种TDC时间间隔测量温度补偿方法，其中被测输入信号分别为f₁、f₂， 测量前先将f₁功分器分为2路，其中进TDC测量单元的Stop1通道前的功分信 号增加一段固定时延线用于满足TDC最小测量范围及零值校准；然后，将3路 输入信号分别接入至TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道，同时时间同步 单元利用参考时钟f_c产生本地时间戳；当TDC时差测量和温度测量开启后，时 间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻，并将输出的时差Y_t和温度X_t进 行实时对齐后输入到误差传递函数模块、以及将T_1-2输入到实时温度补偿模块； 接着，误差传递函数模块利用前N个点观测量时差Y_t、温度X_t为取样窗口拟合 温度与通道1时差的误差传递函数，另外，误差传递函数会通过取样窗口实时 滑动自动更新；最后利用实时更新的误差传递函数和当前测量温度对当前测量 的T_1-2(t)进行补偿，输出f₁至f₂的时间间隔值△T；