皮秒级多脉冲时间间隔大量程时间测量系统设计
2022年电子技术应用第10期
刘琛昊1，金 革2
1.中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥230026；2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥230026
摘要： 时间测量技术在激光测距、粒子鉴别、放射性核医学工程等领域中都有重要应用。本设计采用基于Altera公司的FPGA EP3C55F484C6结合时间内插技术来实现较高精度的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)。通过结合上位机，实现单次测量一个Start脉冲对应的多个Stop脉冲的个数可调，可以解决一次测量中有多个待测目标时需反复多次测量的问题。经过测试，设计分辨率可以达到90.08 ps，测量精度可以达到33.54 ps，积分非线性INL范围是(-0.34 LSB~+0.27 LSB)，微分非线性DNL范围是(-0.28 LSB~+0.31 LSB)。
中圖分類號： TN79
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 劉琛昊，金革. 皮秒級多脈沖時間間隔大量程時間測量系統設計[J].電子技術應用，2022，48(10)：108-112.
英文引用格式： Liu Chenhao，Jin Ge. A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：108-112.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 劉琛昊，金革. 皮秒級多脈沖時間間隔大量程時間測量系統設計[J].電子技術應用，2022，48(10)：108-112.
英文引用格式： Liu Chenhao，Jin Ge. A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：108-112.
A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval
Liu Chenhao1，Jin Ge2
1.School of Microelectronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China； 2.Department of Modern Physics, School of Physical Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
Abstract： Time measurement technology has important applications in laser ranging, particle identification, radioactive nuclear medicine engineering and other fields. This design uses the time interpolation technology based on FPGA EP3C55F484C6 which produced by Altera Corp to achieve high precision TDC. By combining with the upper computer, the number of stop pulses corresponding to a start pulse can be adjusted in a single measurement, which can solve the problem of repeated measurement when there are multiple targets to be measured in a measurement. After the test, the design resolution is 90.08 ps, the measurement accuracy is 33.54 ps, the integral nonlinear INL range is(-0.34 LSB~+0.27 LSB), and the differential nonlinear DNL range is(-0.28 LSB~+0.31 LSB).
Key words : time-to-digital converter；FPGA；multi-pulse measuring；carry chain
0 引言
科學實驗中許多信息是以時間信息方式存在于探測器的輸出信號中，典型的例子如飛行時間測量(Time of Flight，TOF)：發射端發射信號到待測物體后，被反射回探測器，通過對往返時間間隔進行分析，可以得到距離信息，而所測得時間精度也就決定了TOF系統的精度[1]。而時間數字轉換器則是在時間分析中使用較多的測量手段[1-2]。在傳統的實驗中，若存在多個待測物體，探測器會收到多個信號，需進行多次測量，增加實驗的復雜度，且無形中增加實驗成本。針對這一情況，本文設計了在一次測試中，一個“開始”信號可以對應多個“停止”信號進行測量的時間數字轉換系統。
數字型時間數字轉換相對模擬型的轉換方法具有穩定性高、調試方便等優勢；而數字器件中FPGA相對ASIC具有制造周期短、成本低、調試方便等優勢，同時是可編程的邏輯列陣，能夠有效地解決原有的器件門電路數較少的問題。它能夠滿足幾乎所有應用門陣列和中小規模的集成電路，編程靈活同時開發方便，可以實現在線、實時驗證的要求[3-4]。本文以FPGA為核心器件，根據TDC的基本原理，以實現時間間隔測量為最終目的搭建系統，同時完成多脈沖時間間隔測量的功能，可以滿足實驗中更多樣性的測量需求，也在其他高精度時間測量場合中具備應用前景。
本文詳細內容請下載：http://m.tom3567.com/resource/share/2000004969。
作者信息：
劉琛昊1，金 革2
(1.中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥230026；2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥230026)
此內容為AET網站原創，未經授權禁止轉載。