基于FPGA的高效率时间数字转换器设计
发布时间：2020-05-27 06:50
【摘要】：时间数字转换器(Time-to-Digital Converters,TDC)是一种时间间隔测量的技术,测量的精度可以达到皮秒级,广泛应用于高能物理实验、量子通信、激光测距和卫星导航中。TDC的设计方法较多,主要分为模拟电路方法和数字电路方法。随着数字集成电路的不断发展,数字电路方法设计的TDC性能优于模拟电路的设计方法。而数字设计方法分为两类,一类是ASIC芯片设计的TDC,另一类是FPGA设计的TDC。ASIC芯片设计的TDC,性能稳定、测量精度较高,但价格昂贵,开发周期长。而FPGA设计的TDC开发周期短、实现成本低、设计灵活。随着FPGA芯片的不断发展,制造工艺水平不断提高,与ASIC设计的TDC相比,性能之间的差异不断的减小,所以在FPGA上实现TDC有着重要的研究意义。通过对各种方法的对比,以往方法在提高时间测量的性能同时,死时间变长、电路逻辑资源消耗增加。为了解决死时间长和电路逻辑资源消耗多的问题,本文选用“粗”计数和“细”计数结合的方法在Xilinx Artix-7芯片上设计并实现了一种高效率的TDC结构。一方面,本文设计了一种新的高效率“细”计数结构。在此结构中,采用两个相差180度的时钟分别作为D触发器阵列A和D触发器阵列B的驱动时钟,对经过一条延迟链的开始信号或者结束信号同时采样,最后将得出的数据求平均值作为输出。所提“细”计数结构在保证其测量性能情况下,可减小死时间和电路逻辑资源的消耗,提高测量的效率。在“细”计数校准模块中,采用码密度校准方法对每个延迟单元的延迟时间进行测量,提高了测量的分辨率和精度。另一方面,“粗”计数模块采用格雷码计数器,可减小数据多比特位的翻转带来的计数误差。论文还基于nexys video开发板搭建了 TDC的测试系统。该测试系统包括基于Xilinx MIG核的DDR3控制器模块、USB控制器模块、8bit-32bit和32bit-8bit的位宽转换模块和用QT和C++设计的PC端采集显示软件。最后,对所提高效率的TDC系统进行了性能分析。测量结果表明,TDC的平均分辨率约为14.8ps,微分非线性(DNL)为(-0.72,1.09)LSB,积分非线性(INL)为(-4.28,0.21)LSB,测量精度RMS为24.6ps,死时间为5ns,电路逻辑资源减小了 25%左右。
【图文】：
杭州电子科技大学硕士学位论文的长波速度相差无几，，如果说时间间隔的误差为很小的Ｉｎｓ就会导致１５ｃｍ左右。所以时间间隔测量的精度影响着激光测距仪测量精度的克、飞机、舰艇和导弹精度的重要因素。逡逑系统中，如图１．１邋（ｄ）所示，时间是电力系统进行实时数据采集、控追忆和分析的基础，是电网运行安全的重要组成部分，如何保证电力同步的效果是至关重要的技术［２１＞２２］。如电网的大范围通电，通过检测电序，我们就可以分析出停电的具体位置，如果同步时间的精度为１毫就是３００千米范围的距离，如果是１微妙的话检测的范围就是３００米的直接影响着检测的正确度和电力系统恢复的效率。逡逑
这决定了最小分辨率Ｂｉｎ邋Ｓｉｚｅ；第二个是延迟链中延迟单元的延迟不一致性，即所谓的非线逡逑性。目前主要有两种方法来改善它的最小分辨率和非线性。逡逑第一个方法是文献［３１］提出的Ｗａｖｅ邋Ｕｎｉｏｎ邋ＴＤＣ结构，如图１．２所示。在此结构中，当信逡逑号输入时会产生多个固定时间间隔的信号，在一条延迟链上进行连续多次的测量，得到的多逡逑个测量值，再进行平均作为最后的测量值。这种方法可以在固有最小延迟单元的基础上进一逡逑步降低它的分辨率和微分非线性。但是Ｗａｖｅ邋Ｕｎｉｏｎ邋ＴＤＣ最大的缺点是经过多次测量之后它逡逑的死时间变长，使整个ＴＤＣ测量的效率降低。逡逑逦Ｙ逦邋逦逡逑Ｗａｖｅ邋ｕｎｉｏｎ邋－？｜邋Ｄｅｌａｙ邋ｃｈａｉｎ邋＾逡逑ｇｅｎｅｒａｔｏｒ逦逦逡逑Ｔ邋%煎危藻澹藻义希停酰欤簦椋澹洌纾邋澹澹睿悖铮洌澹蝈义希拢椋睿幔颍澹悖铮洌邋危郑幔欤椋溴义希藻危驽义贤煎澹保撸插澹祝幔觯邋澹眨睿椋铮铄澹裕模缅褰峁雇煎义系诙龇椒ㄊ俏南祝郏常担萏岢龅亩嗔雌骄裕模媒峁梗缤迹保乘尽Ｔ诖私峁怪校贝忮义闲藕诺嚼词保本喔鲅映倭矗嗔诘难映倭粗杏幸桓龉潭ǖ难映伲庋恳惶跹映倭村义暇突岵桓霾饬恐担詈笄笃骄魑詈蟮牟饬恐怠Ｕ庵址椒ㄒ部梢蕴岣卟饬康淖钚》直驽义下屎臀⒎址窍咝裕鞘褂谜庵址椒ㄗ畲笕钡闶堑缏仿呒试聪牧吭黾印ｅ义希跺义
本文编号：2683133
【图文】：
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