基于FPGA的时钟相移TDC设计与实现

发布时间：2017-04-07 18:14

  本文关键词：基于FPGA的时钟相移TDC设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：时间间隔测量向来是一项至关重要的研究课题,不论在高精尖的科学基础研究领域还是一些应用研究、国防建设中,时间间隔测量都被视为一种极其可靠的识别与检测方式之一。时间间隔测量主要依靠时间数字转换器TDC(Time to Digital Converter)技术实现。相比国外微电子技术,我国在专用集成电路(ASIC)和可编程逻辑器件如现场可编程门阵列(FPGA)等技术相差较远,技术发展还不太成熟。目前国内大多数TDC系统设计基本依靠FPGA平台实现,以牺牲资源为代价获取皮秒级高精度,资源占用和成本较高。因此资源占用少、成本低的高性能TDC技术具有重要的研究意义。本文从模拟式和数字式时间间隔测量电路结构与实现方法分别进行了介绍与分析,并深入研究了在FPGA上TDC采用多相位时钟采样法的电路设计与实现,该方案不需要构造出占用大量资源的延迟链结构,仅需生成具有固定相移的多路时钟信号,电路系统结构简单、资源占用少且易于实现,并具有良好的稳定性。硬件实现平台为Xilinx公司生产Virtex-5 ML507开发套件,设计主要包含5个模块:时钟生成单元、粗计数单元、细计数单元、存储单元与数据传输单元,并在ISE 14.7软件开发环境下结合Modelsim通过VHDL语言对模块软件实现与仿真。多相位时钟采样法TDC最后通过搭建的测试平台验证其性能,经过多次测试,数据结果表明该TDC时间间隔测量分辨率达到156ps,精度高于66ps,微分非线性误差小于0.3LSB,积分非线性误差小于0.6LSB,Slice寄存器与查找表及存储资源占用都低于2%。整体电路测量分辨率和稳定性高,系统资源消耗少,具有良好的实用价值与应用前景。
【关键词】：时间数字转换器 现场可编程门阵列 多相位时钟采样 资源消耗
【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;TM935.15
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 注释表10-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 论文主要工作和章节安排15-17
• 1.3.1 论文主要工作15
• 1.3.2 论文章节安排15-17
• 第2章 时间间隔测量基本原理17-32
• 2.0 TDC基本原理17-19
• 2.1 模拟式时间数字转换器19-21
• 2.1.1 时间扩展法19-20
• 2.1.2 时间-幅度转换法20-21
• 2.2 数字式时间数字转换器21-31
• 2.2.1 游标法21-22
• 2.2.2 抽头延迟线法22-25
• 2.2.3 差分延迟线法25-26
• 2.2.4 脉冲收缩延迟线法26-28
• 2.2.5 多相位时钟采样法28-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 基于FPGA的时间数字转换器电路设计32-59
• 3.1 可编程逻辑器件简述32-35
• 3.2 Virtex-5 ML50735-37
• 3.3 TDC系统整体结构设计与实现37-58
• 3.3.1 TDC系统结构方案设计37-40
• 3.3.2 时钟生成单元40-43
• 3.3.3 粗计数单元43
• 3.3.4 细计数单元43-52
• 3.3.5 数据处理与存储单元52-55
• 3.3.6 时序约束与布局布线55-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 TDC电路测试与分析59-70
• 4.1 性能参数指标59-63
• 4.1.1 分辨率(LSB)59
• 4.1.2 测量范围(MR)59-60
• 4.1.3 死区时间(DT)60
• 4.1.4 非线性(NL)60-62
• 4.1.5 测量精度(RMS)62-63
• 4.2 测试与参数提取63-69
• 4.2.1 环形自激振荡器64-65
• 4.2.2 串口数据传输65-66
• 4.2.3 系统非线性测试66-67
• 4.2.4 时间测量精度测试67-69
• 4.3 本章小结69-70
• 第5章 总结与展望70-72
• 5.1 总结70-71
• 5.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 岱钦;毛有明;吴凯旋;吴杰;李业秋;;脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究[J];液晶与显示;2015年01期

2 于宗光;黄伟;;中国集成电路设计产业的发展趋势[J];半导体技术;2014年10期

3 潘继飞;姜秋喜;毕大平;;模拟内插法及其测量误差分析[J];电光与控制;2007年01期

4 安琪;;粒子物理实验中的精密时间间隔测量[J];核技术;2006年06期

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本文编号：291036