發(fā)布時(shí)間：2020-05-27 06:50

【摘要】：時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converters,TDC)是一種時(shí)間間隔測(cè)量的技術(shù),測(cè)量的精度可以達(dá)到皮秒級(jí),廣泛應(yīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)、量子通信、激光測(cè)距和衛(wèi)星導(dǎo)航中。TDC的設(shè)計(jì)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(jì)的TDC性能優(yōu)于模擬電路的設(shè)計(jì)方法。而數(shù)字設(shè)計(jì)方法分為兩類(lèi),一類(lèi)是ASIC芯片設(shè)計(jì)的TDC,另一類(lèi)是FPGA設(shè)計(jì)的TDC。ASIC芯片設(shè)計(jì)的TDC,性能穩(wěn)定、測(cè)量精度較高,但價(jià)格昂貴,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。而FPGA設(shè)計(jì)的TDC開(kāi)發(fā)周期短、實(shí)現(xiàn)成本低、設(shè)計(jì)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(jì)的TDC相比,性能之間的差異不斷的減小,所以在FPGA上實(shí)現(xiàn)TDC有著重要的研究意義。通過(guò)對(duì)各種方法的對(duì)比,以往方法在提高時(shí)間測(cè)量的性能同時(shí),死時(shí)間變長(zhǎng)、電路邏輯資源消耗增加。為了解決死時(shí)間長(zhǎng)和電路邏輯資源消耗多的問(wèn)題,本文選用“粗”計(jì)數(shù)和“細(xì)”計(jì)數(shù)結(jié)合的方法在Xilinx Artix-7芯片上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高效率的TDC結(jié)構(gòu)。一方面,本文設(shè)計(jì)了一種新的高效率“細(xì)”計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中,采用兩個(gè)相差180度的時(shí)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(dòng)時(shí)鐘,對(duì)經(jīng)過(guò)一條延遲鏈的開(kāi)始信號(hào)或者結(jié)束信號(hào)同時(shí)采樣,最后將得出的數(shù)據(jù)求平均值作為輸出。所提“細(xì)”計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)在保證其測(cè)量性能情況下,可減小死時(shí)間和電路邏輯資源的消耗,提高測(cè)量的效率。在“細(xì)”計(jì)數(shù)校準(zhǔn)模塊中,采用碼密度校準(zhǔn)方法對(duì)每個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,提高了測(cè)量的分辨率和精度。另一方面,“粗”計(jì)數(shù)模塊采用格雷碼計(jì)數(shù)器,可減小數(shù)據(jù)多比特位的翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的計(jì)數(shù)誤差。論文還基于nexys video開(kāi)發(fā)板搭建了 TDC的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)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(jì)的PC端采集顯示軟件。最后,對(duì)所提高效率的TDC系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析。測(cè)量結(jié)果表明,TDC的平均分辨率約為14.8ps,微分非線(xiàn)性(DNL)為(-0.72,1.09)LSB,積分非線(xiàn)性(INL)為(-4.28,0.21)LSB,測(cè)量精度RMS為24.6ps,死時(shí)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(xué)碩士學(xué)位論文的長(zhǎng)波速度相差無(wú)幾，，如果說(shuō)時(shí)間間隔的誤差為很小的Ｉｎｓ就會(huì)導(dǎo)致１５ｃｍ左右。所以時(shí)間間隔測(cè)量的精度影響著激光測(cè)距儀測(cè)量精度的克、飛機(jī)、艦艇和導(dǎo)彈精度的重要因素。逡逑系統(tǒng)中，如圖１．１邋（ｄ）所示，時(shí)間是電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控追憶和分析的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)運(yùn)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(guò)檢測(cè)電序，我們就可以分析出停電的具體位置，如果同步時(shí)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(huà)檢測(cè)的范圍就是３００米的直接影響著檢測(cè)的正確度和電力系統(tǒng)恢復(fù)的效率。逡逑

這決定了最小分辨率Ｂｉｎ邋Ｓｉｚｅ；第二個(gè)是延遲鏈中延遲單元的延遲不一致性，即所謂的非線(xiàn)逡逑性。目前主要有兩種方法來(lái)改善它的最小分辨率和非線(xiàn)性。逡逑第一個(gè)方法是文獻(xiàn)［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(dāng)信逡逑號(hào)輸入時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)固定時(shí)間間隔的信號(hào)，在一條延遲鏈上進(jìn)行連續(xù)多次的測(cè)量，得到的多逡逑個(gè)測(cè)量值，再進(jìn)行平均作為最后的測(cè)量值。這種方法可以在固有最小延遲單元的基礎(chǔ)上進(jìn)一逡逑步降低它的分辨率和微分非線(xiàn)性。但是Ｗａｖｅ邋Ｕｎｉｏｎ邋ＴＤＣ最大的缺點(diǎn)是經(jīng)過(guò)多次測(cè)量之后它逡逑的死時(shí)間變長(zhǎng)，使整個(gè)ＴＤＣ測(cè)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(dān)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難映伲庋懇惶躚映倭村義暇突岵桓霾飭恐擔(dān)詈笄篤驕魑詈蟮牟飭恐�。这种方法也可姨N(yùn)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(hào)：2683133