纳秒级多模式时间间隔信号发生器的研制武军，杨慧敏（江苏省计量科学研究院，江苏南京210046）摘要：对纳秒级多模式时间间隔信号发生器研制的意义，以及研制过程中的原理分析、创新点进行说明，并从整体上阐述了仪器的原理设计、硬件设计以及软件设计，最后简述了仪器开发后所具有的功能和技术指标等内容。

关键词：时间间隔信号发生器；纳秒级；多模式；虚拟控制时间间隔发生器也称为合成器，是以高稳定石英晶体振荡器的振荡周期为基准，利用数字合成技术，产生出可设置脉冲周期、延迟时间、脉冲宽度等多种类型的时间间隔信号。

时间间隔发生器广泛应用于导航、通信等各种时间控制系统，在检定、校准时间测量仪器时可作为标准源使用［1］。

在时间频率计量应用中，时间间隔发生器主要包括秒表检定仪、指针式电秒表检定仪、数字毫秒仪检定仪及其他数字时间间隔测量仪共4种设备。

可用于检定、校准电子机械秒表、指针式数字式电秒表、数字毫秒仪［2］及其他时间间隔测量仪，使用范围广、频次高。

在JJG237—2010《秒表检定规程》、JJG238—1995《数字式时间间隔测量仪检定规程》及JJG953—2000《精密时间间隔测量仪检定规程》中时间间隔发生器都是作为主要标准器使用。

但由于规程中要求需要同时具备以上4种时间间隔测量仪，而多数计量机构无法满足这个条件，导致不能全项开展计量工作。

即使购置了4种设备，由于标准器的型号及准确度不一致，也不能保证标准时间间隔信号准确性能的一致性；同时由于4种设备功能有叠加的部分，在进行周期检定中会产生不必要的资源浪费和成本增加。

另外，传统的标准仪器不能适应现阶段各行业新模式信号测试的要求。

在此背景下，江苏省计量科学研究院开发了集以上4种设备功能于一体的新一代多功能高精度时间间隔发生器，并利用虚拟仪器技术进行一体化控制，在满足检测要求的前提下，利用程控技术进一步提高了标准仪器的使用效率和技术水平，为时间频率计量中的时间间隔重要参数的检测提供了新的平台和技术保证。

1时间间隔发生器的组成图1所示为时间间隔发生器的组成示意图，系统采用模块化设计，主要包括以下功能模块。

图1时间间隔发生器硬件组成示意图（1）高稳晶振。

频率10MHz，准确度≤5ˑ10－7［3］。

（2）I/O模块。

实现仪器内外参考晶振切换功能，可以选择使用仪器内部参考晶振或外接性能更高的外部参考晶振。

（3）电源模块。

选用稳定性好，纹波小的高质量电源，可以提供4组电压，分别为高稳晶振电路、毫秒仪输出电路、电秒表输出电路和秒表输出电路供电。

仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ（4）秒表输出电路、毫秒仪输出电路和电秒表输出电路。

为系统检测用电路，依次具备秒表电磁击打驱动电路、正负电平输出电路和接点输出电路。

（5）面板键盘。

此模块可以进行检测功能、波形形式、时间间隔等参数的设置。

（6）中央控制器。

为本仪器核心功能模块，选用可编程大规模集成电路进行开发，完成仪器检测功能的控制运作。

（7）中央处理器。

由一个单片机构成，和中央控制器、数据存贮器组成计算机硬件系统，在仪器软件系统的支持下，完成对功能选择、参数设置、数据读取存储、运算处理、结果显示的工作。

（8）数据存贮器。

为防止中央处理器内部有限的可读写数据存贮器空间不足，预扩展可读写的半导体存贮器。

（9）数码显示、数码驱动器和计算机锁存器。

用于仪器输出信号的显示和计时。

本项目研制的时间间隔发生器在传统的工作模式下，舍去了面板键盘部分，以程控总线连接方式使用虚拟仪器控制系统对仪器进行控制，提高了仪器使用的技术水平，适应了虚拟控制技术的发展趋势。

新仪器除了满足常规的秒表输出、指针式电秒表输出、毫秒仪输出等信号模式，还增加了单双路正负脉宽与单双路空点信号结合的功能，比传统的信号输出模式增加了接近10种，极大地扩充了标准器的检测能力和使用范围。

2硬件电路设计时间间隔发生器的硬件设计按照主要模块划分为：晶振电路设计、中央控制器设计、信号输出模块设计和面板设计共4部分。

2.1晶振电路设计晶振电路设计采用恒温晶振的原理及设计方案。

恒温晶体振荡器OCXO （Oven Controlled Crys-tal Oscillator ），是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。

恒温晶振的原理如图2所示。

采用双层恒温控制方式，内恒温控制电路和外恒温控制电路都连接两个热敏补偿电阻，对恒温槽中的温度进行反馈式控制，以达到晶振的恒温效果。

内恒温槽中将晶体和电容电感起振器件进行封装，连接振荡电路，振荡电路通过主振电路、幅度放大电路、自动增益控制电路及输出电路进行晶振信号的输出。

外恒温槽将振荡电路和内恒温槽进行封装，内外温度控制电路及外恒温槽封装在晶振外壳中。

图2恒温晶振原理图内部晶振模块的主要电路如图3所示。

图3内部晶振电路原理图石英晶振输出的10MHz 信号从IN 端进入分频电路，在进入74LS393前需要进行信号转换，将正弦信号经过放大、整形、过零比较，最后送入分频器件，这是第1级的分频电路；信号经过74LS393的CLK 端，从Q0端输出，完成2分频。

之后经过两个施密特反相器用来控制调节信号的电压，保持稳定。

第2级分频电路，经过CD4518BE 的两个10分频器，其中根据CD4518的工作要求，需要使用时钟输入信号的下降沿触发，则将CK 和CLＲ端都接地，即为低电平。

完成两级分频后，50kHz 的时钟信号从第2个分频器的Q3端（14管脚）进入中央控制器。

2.2中央控制器电路设计中央控制器的逻辑功能如图4所示。

图4中央控制器的逻辑功能中央控制器主要完成以下几个逻辑功能：（1）接收晶振模块分频电路后的时钟信号及接收电源频率时钟信号。

（2）接收程控接口输出输入指令，对仪器进行控制和设置。

（3）从指令中获取时间设置数据，同步显示在显示输出单元，并在测量运行后同步显示时间间隔计数信息。

（4）接收复位、运行、单位变化等功能信息，并在显示输出单元进行显示。

（5）输出具体被检仪器的时间间隔信号至对应仪器测量模块，控制时间间隔信号的开断闭合等。

中央控制器的电路设计如图5所示。

选用C8051F340作为CPU ，控制逻辑电路的工作；其在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，包括一个8位的微型处理器CPU ；一个256KB 的片内数据存储器ＲAM ；片内程序存储器ＲOM ；4个8位并行的I /O 接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；2个定时器/记数器；5个中断源的中断控制系统；一个全双工UAＲT 的串行I /O 口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

以上各个部分通过内部总线相连接，实现对外部电路的控制。

从内部结构可以看出，其具有POＲT0 POＲT3共4个I /O 模块、2个计数TIMEＲ模块、一个片内数据存储器ＲAM 、一个片内程序存储器FLASH 、一图5中央控制器电路设计图仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ个全双工UAＲT 的串行I /O 口、一个片内振荡器和时钟产生电路和一个微型处理器CPU 。

时间间隔发生器开发过程中需要使用其中3个I /O 模块进行数据及地址的传送，此外还需要使用ＲST 、Vpp 等复位和供电管脚用于单片机的运行控制。

2.3信号输出电路设计信号输出模块的电路逻辑关系如图6所示。

中央控制器通过接收外部指令，输出控制信号对驱动电路进行控制；驱动电路根据不同的控制信号输出不同模式的标准时间间隔信号，信号通过接口电路将信号输出至被检仪器。

本仪器的特色功能就是具有多种模式的输出信号，包括检测电子和机械秒表的直流信号、指针式电秒表的空点信号、数字毫秒仪的单双路正负图6信号输出模块逻辑关系电平信号。

此外为了增加仪器的使用范围，还将单双路正负电平信号和单双路空点开合信号进行逐一配对，比传统的时间间隔信号发生器多出近10种信号，图7为输出模块电路设计图。

2.4面板设计面板部分的设计不同于传统仪器，舍去了键盘部分，只保留接口、显示、开关部分，并且由于输出模式较多，增加了模式显示单元，不同的数字代表不同的输出模式。

面板如图8所示。

图7输出模块电路设计图3时间间隔发生器的软件设计时间间隔发生器的软件设计使用Labview 编程环境，编写具有界面化的控制软件，通过NI488接口电路，将指令输入至时间间隔发生器。

指令使用标准SCPI 命令，通过Labview 通用方式将命令传输至仪器。

软件工作流程如图9所示。

程序通过Labview 进行编写，包括编写界面、控仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ图8中央控制器设计图图9软件工作流程件、显示窗口和指令传输命令。

软件的实际运行窗口界面如图10所示。

从软件界面可以看出，新型时间间隔发生器具有26种时间输出模式，远远多于传统时间间隔发生器。

4时间间隔发生器的功能及技术指标新型时间间隔发生器，能够对传统的电子机械秒表、指针式电秒表、数字式毫秒仪进行检定校准，此外还能通过输出单双路正负电平和单双路空点开合信号对特殊测量功能的时间间隔测量仪进行检测校准，基本覆盖时间频率计量工作中时间间隔测量仪器的检定校准，能够作为新型标准时间间隔发生器的标准仪器开展相应的计量检测工作。

图10界面窗口仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ主要技术指标：（1）内部晶振准确度［4］达到1E-8量级（高于原有1E-7量级［5］）；（2）时间间隔信号输出范围100ns 3600s（覆盖所有规程要求）；（3）输出模式共26种，基本覆盖所有被检仪器的测量要求。

5结语通过研制新型时间间隔发生器，能够全面掌握时间间隔参数的测量方法，为时间间隔参数的测量标准器的开发提供了开发技术储备，并能为仪器的普及使用提供了平台。

新型时间间隔发生器可以用于时频计量实验室时间间隔参数的标准源，对普通秒表、电秒表、毫秒仪进行测量，还可以对特殊时间间隔输出要求的仪器进行定量检测，可以为工业自动化测试、需要进行时间间隔参数量传的机构以及科研院校等研究机构提供仪器设备的检测和特殊参数测量研究的技术保证，还可用于相关时间产品的过程校验和质量控制，可广泛用于计量系统、授时系统、交通系统、自动化生产等领域和行业，应用前景广阔。

参考文献：［1］全国时间频率别计量技术委员会.JJG723—2008《时间间隔发生器检定规程》［S］．北京：中国计量出版社，2008.［2］贵州省技术监督局.JJG238—1995《数字式时间间隔测量仪检定规程》［S］．北京：中国计量出版社，1995.［3］全国法制计量技术委员会.JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》［S］．北京：中国计量出版社，2013.［4］全国法制计量技术委员会.JJF1001—1998《通用计量名词术语》［S］．北京：中国计量出版社，1998.［5］全国时间频率别计量技术委员会.JJG237—2010《秒表检定规程》［S］．北京：中国计量出版社，2010.仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ仪器计量：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ。