【摘要】：時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converters,TDC)是一種時間間隔測量的技術(shù),測量的精度可以達到皮秒級,廣泛應(yīng)用于高能物理實驗、量子通信、激光測距和衛(wèi)星導航中。TDC的設(shè)計方法較多,主要分為模擬電路方法和數(shù)字電路方法。隨著數(shù)字集成電路的不斷發(fā)展,數(shù)字電路方法設(shè)計的TDC性能優(yōu)于模擬電路的設(shè)計方法。而數(shù)字設(shè)計方法分為兩類,一類是ASIC芯片設(shè)計的TDC,另一類是FPGA設(shè)計的TDC。ASIC芯片設(shè)計的TDC,性能穩(wěn)定、測量精度較高,但價格昂貴,開發(fā)周期長。而FPGA設(shè)計的TDC開發(fā)周期短、實現(xiàn)成本低、設(shè)計靈活。隨著FPGA芯片的不斷發(fā)展,制造工藝水平不斷提高,與ASIC設(shè)計的TDC相比,性能之間的差異不斷的減小,所以在FPGA上實現(xiàn)TDC有著重要的研究意義。通過對各種方法的對比,以往方法在提高時間測量的性能同時,死時間變長、電路邏輯資源消耗增加。為了解決死時間長和電路邏輯資源消耗多的問題,本文選用“粗”計數(shù)和“細”計數(shù)結(jié)合的方法在Xilinx Artix-7芯片上設(shè)計并實現(xiàn)了一種高效率的TDC結(jié)構(gòu)。一方面,本文設(shè)計了一種新的高效率“細”計數(shù)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中,采用兩個相差180度的時鐘分別作為D觸發(fā)器陣列A和D觸發(fā)器陣列B的驅(qū)動時鐘,對經(jīng)過一條延遲鏈的開始信號或者結(jié)束信號同時采樣,最后將得出的數(shù)據(jù)求平均值作為輸出。所提“細”計數(shù)結(jié)構(gòu)在保證其測量性能情況下,可減小死時間和電路邏輯資源的消耗,提高測量的效率。在“細”計數(shù)校準模塊中,采用碼密度校準方法對每個延遲單元的延遲時間進行測量,提高了測量的分辨率和精度。另一方面,“粗”計數(shù)模塊采用格雷碼計數(shù)器,可減小數(shù)據(jù)多比特位的翻轉(zhuǎn)帶來的計數(shù)誤差。論文還基于nexys video開發(fā)板搭建了 TDC的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)包括基于Xilinx MIG核的DDR3控制器模塊、USB控制器模塊、8bit-32bit和32bit-8bit的位寬轉(zhuǎn)換模塊和用QT和C++設(shè)計的PC端采集顯示軟件。最后,對所提高效率的TDC系統(tǒng)進行了性能分析。測量結(jié)果表明,TDC的平均分辨率約為14.8ps,微分非線性(DNL)為(-0.72,1.09)LSB,積分非線性(INL)為(-4.28,0.21)LSB,測量精度RMS為24.6ps,死時間為5ns,電路邏輯資源減小了 25%左右。
【圖文】：

杭州電子科技大學碩士學位論文的長波速度相差無幾，，如果說時間間隔的誤差為很小的Ｉｎｓ就會導致１５ｃｍ左右。所以時間間隔測量的精度影響著激光測距儀測量精度的克、飛機、艦艇和導彈精度的重要因素。逡逑系統(tǒng)中，如圖１．１邋（ｄ）所示，時間是電力系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集、控追憶和分析的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)運行安全的重要組成部分，如何保證電力同步的效果是至關(guān)重要的技術(shù)［２１＞２２］。如電網(wǎng)的大范圍通電，通過檢測電序，我們就可以分析出停電的具體位置，如果同步時間的精度為１毫就是３００千米范圍的距離，如果是１微妙的話檢測的范圍就是３００米的直接影響著檢測的正確度和電力系統(tǒng)恢復的效率。逡逑

這決定了最小分辨率Ｂｉｎ邋Ｓｉｚｅ；第二個是延遲鏈中延遲單元的延遲不一致性，即所謂的非線逡逑性。目前主要有兩種方法來改善它的最小分辨率和非線性。逡逑第一個方法是文獻［３１］提出的Ｗａｖｅ邋Ｕｎｉｏｎ邋ＴＤＣ結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示。在此結(jié)構(gòu)中，當信逡逑號輸入時會產(chǎn)生多個固定時間間隔的信號，在一條延遲鏈上進行連續(xù)多次的測量，得到的多逡逑個測量值，再進行平均作為最后的測量值。這種方法可以在固有最小延遲單元的基礎(chǔ)上進一逡逑步降低它的分辨率和微分非線性。但是Ｗａｖｅ邋Ｕｎｉｏｎ邋ＴＤＣ最大的缺點是經(jīng)過多次測量之后它逡逑的死時間變長，使整個ＴＤＣ測量的效率降低。逡逑邐Ｙ邐邋邐逡逑Ｗａｖｅ邋ｕｎｉｏｎ邋－？｜邋Ｄｅｌａｙ邋ｃｈａｉｎ邋＾逡逑ｇｅｎｅｒａｔｏｒ邐邐逡逑Ｔ邋%煎危藻澹藻義希停酰歟簦椋澹洌紓邋澹澹睿悖錚洌澹蟈義希攏椋睿幔潁澹悖錚洌邋危鄭幔歟椋溴義希藻危駑義賢煎澹保擼插澹祝幔觶邋澹眨睿椋錚鑠澹裕模緬褰峁雇煎義系詼齜椒ㄊ俏南祝郟常擔萏岢齙畝嗔雌驕裕模媒峁�，壤_跡保乘盡Ｔ詿私峁怪校貝忮義閑藕諾嚼詞�，同时经过多个延迟链，相猎戨y映倭粗杏幸桓齬潭ǖ難映�，这样脩┗誊]映倭村義暇突岵桓霾飭恐擔詈笄篤驕魑詈蟮牟飭恐�。这种方法也可姨N岣卟飭康淖钚》直駑義下屎臀⒎址竅咝裕鞘褂謎庵址椒ㄗ畬筧鋇閌塹緶仿嘸試聰牧吭黽�。辶x希跺義

本文編號：2683133