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1、中国科学技术大学 博士学位论又 大型物理实验装置 高精度时间同步技术研究 作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时间： 李成 物理电子学 安琪教授刘树彬教授 二。一二年五月 U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y o fC h i n a Adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r Sd e gr e e T h eR e s e a r c ho n T h eT imin gS V n Chr Oni Z a t iOn T e c h n o l o g yW i t h
2、Hi g hP r e c i s i o n F o rL a r g eS c a l eP h y s i c s E x p e r i m e n t s A u t h o r 7 SN a m e ： I s p e c l a I i t y ： S up e r v i s o r ： F i n i s h e dt i m e ： L iC h e n g P h y s i c sE l e c t r o n i c s P r o f A nQ iP r o f L i uS h u b i n M a y , 2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本
3、人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 壅磊签字日期：麴丝：亟! 墨 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论
4、文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 面公开口保密( 年) 作者躲垄盘 签字日期：趁篷! 五12 新签名：客堕 签字日期： 垫! 兰! 笪：星 目录 目录 摘要I A b s t r a c t I I I 第一章绪论1 1 1 时钟系统性能的衡量1 1 1 1 时钟稳定度2 1 1 2 时钟偏差4 1 1 3 时钟准确度7 1 1 4 其他重要衡量指标8 1 2 大型物理实验装置对时间同步系统的要求一9 1 3 时间同步系统设计的难点13 参考文献13 第二章大型物理实验中的时钟和定时系统1 5 2 1B E SI II T O F 时钟
5、系统15 2 2 冰立方的时钟同步方法1 9 2 3A N T A R E S 时钟同步方法2 0 2 4 上海光源的定时系统2 2 2 5 大型强子对撞机的定时系统2 6 2 6 本章小结2 8 参考文献2 9 第三章时间同步的方法和协议3 1 3 1 网络时间协议31 3 2 精确时钟同步协议3 3 3 3G P S 实现时间同步方法3 5 3 4 同步数字体系标准3 8 3 5 无线传感器网络时间同步协议4 0 3 5 1 传感器网络时间同步协议4 1 3 5 2 延迟测量时间同步协议4 2 3 5 3 参考广播时钟同步协议4 2 3 5 4 小结4 3 3 6 本章小结4 4 参考文献
6、4 4 第四章W h i t eR a b b i t 协议_ 4 7 4 1W hit eR a b bjt 协议的原理4 7 目录 4 1 1 基于W hit eR a b bit 协议的时钟系统的结构4 7 4 1 2 基于W hit eR a b bt 协议时钟系统的工作过程4 8 4 2W ht eR a b bit 协议的精简和改进5 3 4 2 1W hit eR a b bIt 协议的精简5 3 4 2 2W hlt eR a b bit 协议的改进5 4 4 2 3 基于精简和改进的W h i r eR a b b i t 协议时钟系统的工作过程6 3 4 3 本章小结6 4
7、 参考文献6 4 第五章基于精简和改进的帅i t eR a b b i t 协议的时钟系统验证6 7 5 1 利用L H 认S OW C D A 的时钟原型系统实现验证6 7 5 2 时钟原型系统的设计71 5 2 1 时钟原型系统的总体结构7 1 5 2 2 时钟源插件7 2 5 2 3 时钟发送插件7 8 5 2 4 时钟接收模块9 3 5 2 5 数据读出总线9 9 5 2 6 时钟原型系统的工作过程1 0 0 5 3 时钟原型系统的测试一1 0 2 5 3 1 秒脉冲信号测试1 0 2 5 3 ，2 光纤温漂的测试1 0 3 5 3 3 时钟抖动的测试1 0 7 5 3 4 时钟偏差的
8、测试1 0 8 5 3 5 各个前端电子学的同步：1 1 6 5 4 本章小结1 2 0 参考文献1 2 0 第六章总结与展望1 2 3 6 1 总结1 2 3 6 2 展望1 2 3 附录131 附录1时钟原型系统电路板照片1 3 1 附录2 时钟原型系统电路设计原理图j 1 3 4 附录3V M E 总线P 1 和P 2 插件主要功能管脚列表1 3 8 致谢1 3 9 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果1 4 0 摘要 摘要 在大型物理实验装置中，时钟和定时系统之于整个实验系统，如同人体的血 液循环系统对于人体。时钟和定时系统是整个物理实验的基本必要条件。 设计时钟和定时系统的难点
9、是保证时钟长期、短期的稳定度和准确度、降低 和控制通道间的时钟偏差，并且能够自动地对各个通道的传输延迟进行补偿，以 消除环境等不可控因素带来的影响。通过使用驯化高精度的原子钟、锁相环等技 术保证时钟的稳定度和准确度：而为了补偿时钟或者定时信号的传输延迟随温度 等动态的漂移变化，就要构建时钟的环形回路。 W h i t eR a b b i t 协议通过精确时钟同步协议和数字双混频时差法相结合，实现 了对时钟在环形回路传输延迟的高精度地连续测量，然后利用这个测量结果就可 以实现对传输延迟的动态调整补偿。但是，数字双混频时差法会固有地产生亚稳 态的问题，增加了测量的不确定度。通过应用基于F P G
10、 A 的高精度时间数字转换 器、多次平均测量和选取合适的放大系数等措施，有效地降低了测量的不确定度， 从而改进了数字双混频时差法。此外，将W h i t eR a b b i t 协议基于同步以太网的复 杂的节点网络结构可以精简为简单的星型结构，可以降低系统复杂度。精简和改 进后的W h i t eR a b b i t 协议就能够满足很多物理实验的需求。 未来计划在羊八井建设的大型高海拔大气簇射宇宙线天文台的水契伦科夫 探测阵列的时钟系统要求分布的时钟的抖动小于1 0 0 皮秒，通道间的时钟偏差小 于1 0 0 皮秒。而且，考虑到水切伦科夫探测器阵列分布的范围巨大、通道数的众 多和野外恶劣的自然环境中，时钟和定时系统提出了特别苛刻的要求，这为验证 精简和改进的W h i t eR a b b i t 协议提供了很好的舞台。 本论文第一章介绍衡量时钟和定时系统的性能的指标，随后介绍了一些大型 物理实验对时钟和定时系统的要求。 第二章调研了国内外一些大型物理实验装置的时钟系统和时间同步的方法， 分析了这些时钟和定时系统的优缺点。 第三章调研了现有的成熟的时间同步方法和协议，分析了这
