基于FPGA的高精度、多通道时间数字转换器设计

发布时间：2017-03-23 05:21

  本文关键词：基于FPGA的高精度、多通道时间数字转换器设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：时间数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)是一种精密时间间隔测量技术,测量精度通常为亚纳秒级,广泛应用于激光测距、卫星导航、高能物理实验以及医学成像等领域。TDC的测量精度往往与这些领域的技术水平息息相关,有些领域还需要使用多通道TDC来提高测量效率。高精度TDC可以在专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)中实现,也可以在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中实现。ASIC-TDC的测量精度和稳定性更高,而FPGA-TDC具有开发周期短、实现成本低、设计更为灵活等优点。随着FPGA器件工艺水平的提高,FPGA-TDC与ASIC-TDC之间的性能差异正在逐步缩小,在FPGA上实现高精度TDC的设计具有重要研究意义。论文通过对TDC的一般设计方法进行分析对比,并结合Xilinx Virtex-5 FPGA芯片内部资源,选用粗细计数相结合的方式来实现高精度、多通道TDC的设计。“粗”计数功能模块由格雷码计数器实现,“细”计数功能模块由抽头延迟线实现。为了实现高精度TDC测量电路设计,本文使用Virtex-5的专用进位链逻辑单元(CARRY4)构建抽头延迟线。针对由专用进位链固有的超前进位特性引起的温度计码“冒泡”(Bubble error)现象对传统温度计码编码电路进行了改进。为了降低工艺、电压、温度以及系统非线性对测量精度的影响,采用码密度测试的方式对测量结果进行校准。同时,本文设计了一块延迟单元延迟时间变化监测电路,以避免不必要的校准来节省测量时间和电路功耗。本文设计的TDC配置了4个测量通道,为减小通道间的测量差异,在设计时使用位置约束和手动调整的方式使4个通道紧密并行排列。为验证TDC的功能正确性并对其性能进行评估,本文做了大量的实验测试和数据分析。最终测试结果表明:4个测量通道在对应位置上延迟单元的延迟时间基本相同,单个通道的平均时间间隔分辨率为14.7ps,微分非线性为5.8LSB,积分非线性为12LSB;经过校准后TDC的RMS测量精度为25.5ps,单通道的RMS测量精度为18ps。
【关键词】：时间数字转换器 FPGA 高精度 多通道 抽头延迟线
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 注释表8-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.1.1 时间数字转换器的应用背景9
• 1.1.2 精密时间间隔测量的研究意义9-10
• 1.1.3 多通道时间间隔测量的研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.3 论文研究内容与章节安排14-16
• 1.3.1 论文研究内容14
• 1.3.2 论文章节安排14-16
• 第2章 时间数字转换器设计方法16-28
• 2.1 时间数字转换器概念16
• 2.2 时间数字转换器设计的一般方法16-25
• 2.2.1 脉冲计数法16-17
• 2.2.2 时间幅度转换法17-18
• 2.2.3 时间间隔扩展方法18-19
• 2.2.4 抽头延迟线法19-22
• 2.2.5 多相时钟采样法22-23
• 2.2.6 游标法23-25
• 2.3 多通道扩展25-26
• 2.4 不同设计方法特点分析26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 FPGA-TDC电路设计与实现28-59
• 3.1 TDC设计相关FPGA内部资源简介28-32
• 3.1.1 可配置逻辑块（CLB）28-30
• 3.1.2 时钟资源30-32
• 3.1.3 布局布线资源32
• 3.2 系统总体设计方案32-34
• 3.3 FPGA-TDC“粗”计数设计与实现34-36
• 3.4 FPGA-TDC“细”计数设计与实现36-55
• 3.4.1 抽头延迟线设计37-42
• 3.4.2 温度计码编码电路设计42-47
• 3.4.3 校准电路设计47-55
• 3.5 数据存储与串口通信模块设计55-56
• 3.6 多通道设计与实现56-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第4章 系统测试与性能分析59-69
• 4.1 测试平台59-60
• 4.2 测试方法60
• 4.3 电路性能分析60-68
• 4.3.1 分辨率60-63
• 4.3.2 非线性分析63-66
• 4.3.3 测量精度66-67
• 4.3.4 误差分析67-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第5章 总结与展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 周磊;王春娥;;基于FPGA的时间数字转换器的编码器[J];盐城工学院学报(自然科学版);2015年02期

2 贾云飞;钟志鹏;许孟强;康金;;基于码密度法的时间数字转换器非线性校正方法研究[J];测控技术;2015年01期

3 潘维斌;龚光华;李荐民;;基于进位链的多通道时间数字转换器[J];清华大学学报(自然科学版);2013年10期

4 王培林;李道武;丰宝桐;帅磊;孙芸华;胡婷婷;魏书军;黄先超;廖燕飞;柴培;

本文编号：263034