基于DLL的高精度TDC的研究与设计
发布时间：2021-10-13 02:45
在国际单位制的七个基本物理量中,时间量是最基本的,与其他物理量相比,时间量具有更高的普遍性、高精度测量性以及广泛性,为了探究某些物理量,常将他们转换为时间量进行分析,而TDC（Time-to-Digital Converter,时间数字转换器）能够将连续的时间信号转换成便于测量的离散数字信号,对两个异步信号之间的时间间隔进行测量。TDC以其优越的性能和高精度测量应用于许多领域,如激光测距领域、电子测量领域、医学领域、高能物理领域等。在高精度测量领域,往往要求TDC达到ps级的精度,高性能TDC的研究就显得尤为重要。近年来,在对TDC的研究中,实现TDC的主要方法有:Flash单延时链法、Vernier双延时链法。目前的TDC结构多为单一模式或者两段式结构,在实现ps级精度时,为节省面积,其能达到的动态范围多为ns级。因而,同时满足高精度和高动态范围要求一直是TDC研究的瓶颈,也是TDC发展的方向。此外,TDC的稳定性和准确性也是研究过程中需要考虑的重要因素。本论文针对目前TDC的研究瓶颈和发展方向,依据目前TDC的组合原理,提出了基于DLL（Delay-Locked Loop,延时锁相...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TDSP系统信号处理过程
第2章TDC的原理和方法6第2章TDC原理和方法TDC是连接模拟世界与数字世界的桥梁之一，完成连续的时间信号与离散的数字信号之间的转化，能够测量两个异步信号之间的时间间隔，正由于这一特性，TDC被应用于各种领域，本章将从以下方面进行阐述，首先介绍TDC的测量原理，细致讲解TDC的工作方式；其次，介绍了目前主流的单一模式下TDC的实现方法，进而拓展到TDC的组合方式原理，为后续的阐述提供理论基矗2.1TDC的工作原理本节主要对单一模式TDC的操作原理进行阐述，介绍了TDC的输入输出特性，讨论了TDC是如何对一个时间间隔进行测量的。TDC从一定意义上来说是一种特殊的ADC，两者的原理是相通的，在TDC的发展过程中，就已经出现过很多与ADC相似的架构，如两步式结构、Sigma-Delta结构、Pipeline结构等[18]。TDC和ADC的静态输入输出特性如图2.1所示，TDC和ADC静态的输入到输出都是一个量化的过程，一个将连续变化的模拟输入量量化为离散变化的数字输出量的过程，二者的不同点在于，ADC在测量时是对模拟的电压（或电流）信号进行量化，并且ADC的参考电压Vref通常是由外部提供的，是已知的，相应的量化电压VLSB可以通过参考电压进行求解[19-20]，而TDC是对连续的时间信号进行量化，在TDC中，参考时间间隔Tref是未知量，量化时间间隔TLSB却是已知量[1]。图2.1(a)TDC输入输出特性曲线；(b)ADC输入输出特性曲线TDC用于对两个异步信号之间的时间间隔进行测量，这两个异步信号一般
第2章TDC的原理和方法7定义为START和STOP信号，基本测量原理如图2.2所示。图2.2TDC测时原理其中Tin为待测量的时间间隔，TLSB为TDC的量化时间间隔，当START信号到来时，TDC经触发开始工作，通过测量待测时间间隔中所包含的量化时间间隔LSB的数量，从而计算所测时间间隔的大小，图2.2中Tmeas即为所测得的时间间隔，因为TDC的精度受量化时间间隔的影响，所以在测量过程中势必会产生剩余误差[21]，图中Terr即为所测时间间隔与实际待测时间间隔之间的误差，该剩余误差的范围为0TTLSBerr。因为Tmeas是经由测得的LSB的数量计算而得，所以为量化时间间隔TLSB的整数倍，则实际待测时间间隔Tin满足如下关系，SBerrmeasinerrLTTNTTT··························（2.1）其中，N为所测得的LSB的数量。2.2TDC的实现方法实现TDC的方法有很多种，TDC从实现途径考虑，可以分为FPGA（FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列）和ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）两大类。其中用ASIC方式实现的TDC可以分为模拟TDC和数字TDC两大类，其中常见的单一模式型的数字TDC又包括计数器型TDC、延时链型TDC、游标型TDC等。本论文提出的TDC是基于ASIC方式实现的TDC，在本节中，将介绍一些这类TDC基本的设计方法。
本文编号：3433804
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TDSP系统信号处理过程
第2章TDC的原理和方法6第2章TDC原理和方法TDC是连接模拟世界与数字世界的桥梁之一，完成连续的时间信号与离散的数字信号之间的转化，能够测量两个异步信号之间的时间间隔，正由于这一特性，TDC被应用于各种领域，本章将从以下方面进行阐述，首先介绍TDC的测量原理，细致讲解TDC的工作方式；其次，介绍了目前主流的单一模式下TDC的实现方法，进而拓展到TDC的组合方式原理，为后续的阐述提供理论基矗2.1TDC的工作原理本节主要对单一模式TDC的操作原理进行阐述，介绍了TDC的输入输出特性，讨论了TDC是如何对一个时间间隔进行测量的。TDC从一定意义上来说是一种特殊的ADC，两者的原理是相通的，在TDC的发展过程中，就已经出现过很多与ADC相似的架构，如两步式结构、Sigma-Delta结构、Pipeline结构等[18]。TDC和ADC的静态输入输出特性如图2.1所示，TDC和ADC静态的输入到输出都是一个量化的过程，一个将连续变化的模拟输入量量化为离散变化的数字输出量的过程，二者的不同点在于，ADC在测量时是对模拟的电压（或电流）信号进行量化，并且ADC的参考电压Vref通常是由外部提供的，是已知的，相应的量化电压VLSB可以通过参考电压进行求解[19-20]，而TDC是对连续的时间信号进行量化，在TDC中，参考时间间隔Tref是未知量，量化时间间隔TLSB却是已知量[1]。图2.1(a)TDC输入输出特性曲线；(b)ADC输入输出特性曲线TDC用于对两个异步信号之间的时间间隔进行测量，这两个异步信号一般
第2章TDC的原理和方法7定义为START和STOP信号，基本测量原理如图2.2所示。图2.2TDC测时原理其中Tin为待测量的时间间隔，TLSB为TDC的量化时间间隔，当START信号到来时，TDC经触发开始工作，通过测量待测时间间隔中所包含的量化时间间隔LSB的数量，从而计算所测时间间隔的大小，图2.2中Tmeas即为所测得的时间间隔，因为TDC的精度受量化时间间隔的影响，所以在测量过程中势必会产生剩余误差[21]，图中Terr即为所测时间间隔与实际待测时间间隔之间的误差，该剩余误差的范围为0TTLSBerr。因为Tmeas是经由测得的LSB的数量计算而得，所以为量化时间间隔TLSB的整数倍，则实际待测时间间隔Tin满足如下关系，SBerrmeasinerrLTTNTTT··························（2.1）其中，N为所测得的LSB的数量。2.2TDC的实现方法实现TDC的方法有很多种，TDC从实现途径考虑，可以分为FPGA（FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列）和ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）两大类。其中用ASIC方式实现的TDC可以分为模拟TDC和数字TDC两大类，其中常见的单一模式型的数字TDC又包括计数器型TDC、延时链型TDC、游标型TDC等。本论文提出的TDC是基于ASIC方式实现的TDC，在本节中，将介绍一些这类TDC基本的设计方法。
本文编号：3433804
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