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一种通用的时间数字转换器码密度校准信号产生方法及其实现.docx
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2023-02-23
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一种通用的时间数字转换器码密度校准信号产生方法及其实现.docx
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1. 引言
时间作为物理学中 7 个基本物理量之一,在物理学的发展中起着至关重要的作用,精
确获取研究对象的时间信息具有重要的意义。对时间信息的获取可以由时间数字转换器
(Time to Digital Converter, TDC)来实现,TDC 将时间间隔转换为二进制数字编码,输出到
后端分析得到具体的时间信息。TDC 广泛应用在高能物理、导航定位、卫星授时、数字通
信、医学成像等众多领域,特别是在高能物理实验中
[1,2]
,TDC 获取的时间信息能够间接反
映粒子的动量、质量等信息,对鉴别粒子种类、诊断粒子反应过程等有很重要的作用。
TDC 有多种实现方法,包括时间间隔扩展法、时间幅度转换法、直接计数法、时钟分
相法、游标法、抽头延迟链法和差分延迟链法等;各种方法可以独立使用,也可以配合使
用,可以实现从普通精度到高精度、从粗时间到细时间的时间间隔测量。从实现方法上来
看,TDC 的实现方法可以分为模拟方法和数字方法;从实现平台上看,TDC 可以在专用集
成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable
Gate Array, FPGA)等平台上实现。ASIC-TDC 的测量精度和稳定性更高,但是,ASIC-TDC
都是针对某一具体应用设计,不具有普适性,并且开发一款 ASIC 芯片周期很长;FPGA-
TDC 具有开发周期短、集成度高、成本低、设计灵活等优点,但是其非线性较差。
随着微电子技术、半导体制造工艺的发展,FPGA-TDC 的测量精度、稳定性等同步提
高,在 FPGA 上实现高精度 TDC 具有重要研究意义。目前,基于 FPGA 实现的高精度
TDC 的研究主要集中在几个方面:(1) TDC 的实现,基于 FPGA 内部资源实现高精度
TDC,把时间信息转换成二进制编码,通过查找表输出至后端;(2) TDC 的自动校准,选
择合适的校准方法,校准 TDC 的码宽(bin size),降低 FPGA 制造工艺、工作电压、工作温
度(Process Voltage Temperature, PVT)等参数对 TDC 性能的影响;(3)针对 TDC 内部 bin size
的不一致性,如何平均化超宽 bin,降低测量误差,进一步提高测试精度,单链多次平均测
量(Wave Union, Ripple method)、多链单次平均测量等方法可以在已有工艺的基础上,尽可
能改善 FPGA-TDC 的非线性,提高测量精度;(4)其他特殊功能,如动态监测并实时校准
TDC 的 bin size,多通道 TDC 集成使用,针对特殊要求(如航天等)进行 TDC 的冗余设计
等。
论文主要研究 FPGA-TDC 的自动校准方法,给出码密度校准方法的误差公式,分析
了两种常用码密度校准信号产生方法,提出了一种基于相干采样理论的通用 TDC 码密度校
准方法,通过合理设置 TDC 主时钟和校准信号之间的频率差,结合输出保持电路,产生校
准用的随机信号,确保在码密度校准过程中,随机信号均匀分布在 TDC 的延时路径上,实
现对 TDC 的逐位(bin-by-bin)校准。
2. TDC 校准方法
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