应用于TDC的高精度粗计数电路及误差校准电路设计
发布时间：2022-01-07 15:46
高精度时间数字转换（TDC）测量系统主要作用是将一个或多个物理事件的发生时刻或发生时刻之间的时间间隔转化为数字量。并被广泛应用于高能物理实验、全球定位系统、激光测距、医学成像等领域,所以TDC测量系统在各研究领域起着非常重要的作用。TDC测量系统的实现方式有很多,本设计所采用的方法是基于Xilinx Artix-7 FPGA对TDC测量系统中粗测量部分、延迟链、校准模块进行设计和实现,并结合细测量完成本课题的研究。在保证较大的动态测量范围的前提下,实现对测量误差的校准。本文的主要工作如下:（1）对TDC测量系统在各个研究领域的应用背景和发展前景进行调研并分析总结。本课题进行过程中考虑到实验室项目组中有关于单光子探测器的科研项目对系统的测量精度要求很高,所以本设计的研究重要着眼于提高如何提高TDC测量系统的精度。（2）考虑到未来本设计中的TDC测量系统的集成环境,采用了便于集成的抽头延迟线结合时间内插技术的数字电路实现方式。（3）为了优化测量系统架构和方便未来工作中对本设计进行改进,本设计采用粗测量和细测量相结合的测量方式。并使用Vivado对系统中重要的模块进行仿真。利用Xilinx ...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
随机数发生模块RTL视图
Avg=72.5%(b)图 5.7 (a)校准前后位宽误差对比,(b)校准后误差减少百分比5.3 单组脉冲信号测量5.3.1 粗时间测量如图 5.8 所示是粗时间测量部分的仿真结果，单组脉冲信号的待测时间间隔为ΔT 837751ps。粗测量部分所示采用的计数时钟频率为 240MHz，所以计数时钟的周期TC=4167ps。所以根据图 5.8 可以得到粗时间测量部分的测量结果为： = × 0 5 = 402 × 0 5 × 4167 = 837567 (5.5
δcoarse= = 184 (5.6)5.3.2 细时间测量根据延迟链中单元数为 70 可以得到理想情况下延迟单元的平均延迟时间为τ=59ps。将signal_start 信号和 signal_stop 信号送入延迟链中，当 signal_start 信号上升沿到来时，fine_count1 开始计数，当下一个时钟上升沿或下降沿到来时，fine_count1 停止计数并将计数结果进行锁存；当 signal_stop 信号上升沿到来时，fine_count2 开始计数，当下一个时钟上升沿或者下降沿到来时，fine_count2 停止计数并将计数结果进行锁存。仿真结果如图 5.9。signal_start 和 signal_stop 两部分的仿真细节如图 5.10 和图 5.11。根据图 5.10 中仿真结果的信息可以知道，在第一阶段的细时间测量中，小于半个时钟周期的时间间隔在延迟链中传输的位置信息为 6。从而得到第一部分的测量结果如式（5.7）。 1= 8 × 59 = 472 (5.7)第二阶段的细时间测量中，小于半个时钟周期的时间间隔在延迟链中传输的位置信息为8。从而得到第二阶段的测量结果如式（5.8）。 2= 6 × 59 = 354 (5.8)
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间频率信号精密测量计数器的设计与实现[J]. 李泽宁,温淑敏,何磊磊,隋朋洲. 无线电通信技术. 2017(06)
[2]APD单光子探测的电路设计[J]. 王凡,蒋书波,胡佳琳. 电子器件. 2016(05)
[3]基于FPGA的多相位时钟TDC设计[J]. 朱文松. 山东工业技术. 2016(13)
[4]基于单光子检测的无线光通信关键技术[J]. 汪琛,徐智勇,汪井源,耿常锁,赵继勇. 军事通信技术. 2015(03)
[5]基于码密度法的时间数字转换器非线性校正方法研究[J]. 贾云飞,钟志鹏,许孟强,康金. 测控技术. 2015(01)
[6]基于FPGA的100 MHz近红外单光子探测器[J]. 郑福,王超,孙志斌,翟光杰. 光电子.激光. 2014(07)
[7]TDC502时间测量在绝对重力仪中的应用[J]. 王荣,郭唐永,邹彤,王培源,朱威. 大地测量与地球动力学. 2013(S2)
[8]基于移位寄存器的伪随机序列改进算法[J]. 吴盼望,张善从. 计算机工程. 2012(18)
[9]用于时间同步的高精度短时间间隔测量方法[J]. 苗苗,周渭,李智奇,刘晨. 北京邮电大学学报. 2012(04)
[10]基于延迟链的频率测量方法[J]. 王海,周渭,李智奇. 仪器仪表学报. 2008(03)
硕士论文
[1]基于TDC-GPX高精度时间测控系统[D]. 宋欣悦.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于TDC的气体探测器电子学读出设计[D]. 李良辉.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
[3]高精度数字时间转换技术的研究与实现[D]. 张宾.西安电子科技大学 2015
[4]高分辨率时间间隔测量技术研究与实现[D]. 刘杰.西安电子科技大学 2013
[5]基于无线传感器网络的无源时差定位研究与实现[D]. 吴海游.西安电子科技大学 2013
[6]基于TDC的时间间隔测量技术的研究[D]. 徐振.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3574817
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
随机数发生模块RTL视图
Avg=72.5%(b)图 5.7 (a)校准前后位宽误差对比,(b)校准后误差减少百分比5.3 单组脉冲信号测量5.3.1 粗时间测量如图 5.8 所示是粗时间测量部分的仿真结果，单组脉冲信号的待测时间间隔为ΔT 837751ps。粗测量部分所示采用的计数时钟频率为 240MHz，所以计数时钟的周期TC=4167ps。所以根据图 5.8 可以得到粗时间测量部分的测量结果为： = × 0 5 = 402 × 0 5 × 4167 = 837567 (5.5
δcoarse= = 184 (5.6)5.3.2 细时间测量根据延迟链中单元数为 70 可以得到理想情况下延迟单元的平均延迟时间为τ=59ps。将signal_start 信号和 signal_stop 信号送入延迟链中，当 signal_start 信号上升沿到来时，fine_count1 开始计数，当下一个时钟上升沿或下降沿到来时，fine_count1 停止计数并将计数结果进行锁存；当 signal_stop 信号上升沿到来时，fine_count2 开始计数，当下一个时钟上升沿或者下降沿到来时，fine_count2 停止计数并将计数结果进行锁存。仿真结果如图 5.9。signal_start 和 signal_stop 两部分的仿真细节如图 5.10 和图 5.11。根据图 5.10 中仿真结果的信息可以知道，在第一阶段的细时间测量中，小于半个时钟周期的时间间隔在延迟链中传输的位置信息为 6。从而得到第一部分的测量结果如式（5.7）。 1= 8 × 59 = 472 (5.7)第二阶段的细时间测量中，小于半个时钟周期的时间间隔在延迟链中传输的位置信息为8。从而得到第二阶段的测量结果如式（5.8）。 2= 6 × 59 = 354 (5.8)
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间频率信号精密测量计数器的设计与实现[J]. 李泽宁,温淑敏,何磊磊,隋朋洲. 无线电通信技术. 2017(06)
[2]APD单光子探测的电路设计[J]. 王凡,蒋书波,胡佳琳. 电子器件. 2016(05)
[3]基于FPGA的多相位时钟TDC设计[J]. 朱文松. 山东工业技术. 2016(13)
[4]基于单光子检测的无线光通信关键技术[J]. 汪琛,徐智勇,汪井源,耿常锁,赵继勇. 军事通信技术. 2015(03)
[5]基于码密度法的时间数字转换器非线性校正方法研究[J]. 贾云飞,钟志鹏,许孟强,康金. 测控技术. 2015(01)
[6]基于FPGA的100 MHz近红外单光子探测器[J]. 郑福,王超,孙志斌,翟光杰. 光电子.激光. 2014(07)
[7]TDC502时间测量在绝对重力仪中的应用[J]. 王荣,郭唐永,邹彤,王培源,朱威. 大地测量与地球动力学. 2013(S2)
[8]基于移位寄存器的伪随机序列改进算法[J]. 吴盼望,张善从. 计算机工程. 2012(18)
[9]用于时间同步的高精度短时间间隔测量方法[J]. 苗苗,周渭,李智奇,刘晨. 北京邮电大学学报. 2012(04)
[10]基于延迟链的频率测量方法[J]. 王海,周渭,李智奇. 仪器仪表学报. 2008(03)
硕士论文
[1]基于TDC-GPX高精度时间测控系统[D]. 宋欣悦.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于TDC的气体探测器电子学读出设计[D]. 李良辉.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
[3]高精度数字时间转换技术的研究与实现[D]. 张宾.西安电子科技大学 2015
[4]高分辨率时间间隔测量技术研究与实现[D]. 刘杰.西安电子科技大学 2013
[5]基于无线传感器网络的无源时差定位研究与实现[D]. 吴海游.西安电子科技大学 2013
[6]基于TDC的时间间隔测量技术的研究[D]. 徐振.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3574817
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