基于FPGA和TDC芯片的高精度时间间隔计数器研制
发布时间：2021-07-06 16:54
大型物理实验、国防和工业等应用场合对时间间隔测量精度需求通常达到百皮秒甚至十皮秒量级,并对多通道同步测量提出了新的要求。利用FPGA（field-programmable gate array）使用灵活的特性,研制了一种基于FPGA和TDC（time-to-digital conversion）芯片的高精度时间间隔计数器,使用Verilog硬件描述语言设计系统所需的配置模块、UART接口、SPI接口等完成测量。利用中国科学院国家授时中心钟房产生的10MHz标准频率信号作为参考时钟,1PPS时间信号作为测试信号,搭建平台对设计的时间间隔计数器进行测试评估。实验结果表明本计数器测量精度优于60ps,量程可达1.6s,可实现4通道同时测量,同时具备脉宽测量功能。该计数器采用模块化设计,可作为嵌入式设备使用。
【文章来源】：时间频率学报. 2019,42(01)CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１时间间隔测量的基本原理
ΔＴ＝ＴＮ＋Ｔｉ１－Ｔｉ２。（１）当“开始”有信号到来时，系统开启参考时钟计数器，开始测量，参考时钟周期开始计数。“结束”信号到来时，停止计数。此时可以由公式（２）来计算“粗计数”时间间隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“细测量”的测量原理如图２所示，本文介绍的“细测量”方法为抽头延迟线法。通过计算脉冲经过的延迟单元个数来进行时间间隔测量［１３］。可以用公式（３）来计算，其中ｍ为经过延迟单元个数，Δτ为每个延迟单元的延迟时间［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）图２“细测量”测量原理１．２本系统测量原理系统测量的原理如图３所示，假设待测脉冲从通道１和２输入，假设通道１中信号先于通道２中信号到来，测量两通道输入信号之间的时间间隔［１５］。图３系统测量原理本系统测量时，输出两个结果参数，可分别作为“粗”计数结果和“细”测量结果［１６］。上电后即开始参考时钟数Ｎ的计数，并作为结果参数之一，即“粗”计数结果输出；当通道１中有待测脉冲到来时，先将此时的参考时钟数Ｎ１锁存，然后对参考时钟进行实时测量，得到测量值Ｔｒｅｆ１，同时测量该脉冲与它前一个参考时钟脉冲之间的时间间隔Δｔ１，将两者的比值锁存并作为另一个结果参数ｔｉ，即“细”测量结果输出，最后进行计算时，根据系统所配置参考时钟分频系数，按照公式（４）进行计算，式中ＬＳ
。此时可以由公式（２）来计算“粗计数”时间间隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“细测量”的测量原理如图２所示，本文介绍的“细测量”方法为抽头延迟线法。通过计算脉冲经过的延迟单元个数来进行时间间隔测量［１３］。可以用公式（３）来计算，其中ｍ为经过延迟单元个数，Δτ为每个延迟单元的延迟时间［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）图２“细测量”测量原理１．２本系统测量原理系统测量的原理如图３所示，假设待测脉冲从通道１和２输入，假设通道１中信号先于通道２中信号到来，测量两通道输入信号之间的时间间隔［１５］。图３系统测量原理本系统测量时，输出两个结果参数，可分别作为“粗”计数结果和“细”测量结果［１６］。上电后即开始参考时钟数Ｎ的计数，并作为结果参数之一，即“粗”计数结果输出；当通道１中有待测脉冲到来时，先将此时的参考时钟数Ｎ１锁存，然后对参考时钟进行实时测量，得到测量值Ｔｒｅｆ１，同时测量该脉冲与它前一个参考时钟脉冲之间的时间间隔Δｔ１，将两者的比值锁存并作为另一个结果参数ｔｉ，即“细”测量结果输出，最后进行计算时，根据系统所配置参考时钟分频系数，按照公式（４）进行计算，式中ＬＳＢ为分频系数，测量前已设置好。根据公式（５）计算该脉冲到来的系统时刻Ｔｓｙｓ１，其中Ｔ为参考脉冲周期［１７］。通道２中另一个待测脉冲到来时利用同样的方
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的高精度多通道时间数字转换器设计[J]. 王巍,董永孟,李捷,熊拼搏,周浩,杨正琳,王冠宇,袁军,周玉涛. 微电子学. 2015(06)
[2]基于TDCGP2的高精度时间差测量的关键技术研究[J]. 赵德平,韩建平. 材料与冶金学报. 2014(04)
[3]多通道精密时间间隔测量系统的研制[J]. 辜新宇,郭际,施韶华,李孝辉. 电子测量与仪器学报. 2013(01)
[4]一种高精度、大量程时间间隔计数器的设计[J]. 车震平. 核电子学与探测技术. 2011(06)
[5]精密时间间隔计数器的研制[J]. 赵侃,梁双有,陈法喜,李孝峰,张首刚. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(05)
[6]高精度时间间隔测量系统[J]. 邢燕. 电子测量技术. 2010(05)
[7]64通道100ps时间-数字变换模块的研制[J]. 刘小桦,安琪,刘树彬,苏弘,詹文龙. 核技术. 2009(08)
[8]一种高精度时间间隔计数器的校准方法[J]. 杨志强,宋跃. 国外电子测量技术. 2009(05)
[9]精密时间间隔测量仪数据校准和不确定度测试[J]. 叶超,冯莉,欧阳艳晶. 国外电子测量技术. 2008(12)
[10]时间间隔测量芯片TDC-GP1在频率测量系统中的应用[J]. 邓星部,陈勇. 电子元器件应用. 2008(09)
博士论文
[1]高速精密时间间隔测量及应用研究[D]. 孟升卫.哈尔滨工业大学 2007
[2]基于FPGA的精密时间—数字转换电路研究[D]. 宋健.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于FPGA的精密时间间隔测量研究与实现[D]. 邹进波.西安科技大学 2011
[2]基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现[D]. 周增建.西安电子科技大学 2010
[3]一种基于TDC的时间间隔测量方法的研究[D]. 罗尊旺.西安电子科技大学 2009
本文编号：3268616
【文章来源】：时间频率学报. 2019,42(01)CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１时间间隔测量的基本原理
ΔＴ＝ＴＮ＋Ｔｉ１－Ｔｉ２。（１）当“开始”有信号到来时，系统开启参考时钟计数器，开始测量，参考时钟周期开始计数。“结束”信号到来时，停止计数。此时可以由公式（２）来计算“粗计数”时间间隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“细测量”的测量原理如图２所示，本文介绍的“细测量”方法为抽头延迟线法。通过计算脉冲经过的延迟单元个数来进行时间间隔测量［１３］。可以用公式（３）来计算，其中ｍ为经过延迟单元个数，Δτ为每个延迟单元的延迟时间［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）图２“细测量”测量原理１．２本系统测量原理系统测量的原理如图３所示，假设待测脉冲从通道１和２输入，假设通道１中信号先于通道２中信号到来，测量两通道输入信号之间的时间间隔［１５］。图３系统测量原理本系统测量时，输出两个结果参数，可分别作为“粗”计数结果和“细”测量结果［１６］。上电后即开始参考时钟数Ｎ的计数，并作为结果参数之一，即“粗”计数结果输出；当通道１中有待测脉冲到来时，先将此时的参考时钟数Ｎ１锁存，然后对参考时钟进行实时测量，得到测量值Ｔｒｅｆ１，同时测量该脉冲与它前一个参考时钟脉冲之间的时间间隔Δｔ１，将两者的比值锁存并作为另一个结果参数ｔｉ，即“细”测量结果输出，最后进行计算时，根据系统所配置参考时钟分频系数，按照公式（４）进行计算，式中ＬＳ
。此时可以由公式（２）来计算“粗计数”时间间隔ＴＮ：ＴＮ＝Ｎ×Ｔｒｅｆ。（２）“细测量”的测量原理如图２所示，本文介绍的“细测量”方法为抽头延迟线法。通过计算脉冲经过的延迟单元个数来进行时间间隔测量［１３］。可以用公式（３）来计算，其中ｍ为经过延迟单元个数，Δτ为每个延迟单元的延迟时间［１４］。Ｔｉ＝ｍ×Δτ。（３）图２“细测量”测量原理１．２本系统测量原理系统测量的原理如图３所示，假设待测脉冲从通道１和２输入，假设通道１中信号先于通道２中信号到来，测量两通道输入信号之间的时间间隔［１５］。图３系统测量原理本系统测量时，输出两个结果参数，可分别作为“粗”计数结果和“细”测量结果［１６］。上电后即开始参考时钟数Ｎ的计数，并作为结果参数之一，即“粗”计数结果输出；当通道１中有待测脉冲到来时，先将此时的参考时钟数Ｎ１锁存，然后对参考时钟进行实时测量，得到测量值Ｔｒｅｆ１，同时测量该脉冲与它前一个参考时钟脉冲之间的时间间隔Δｔ１，将两者的比值锁存并作为另一个结果参数ｔｉ，即“细”测量结果输出，最后进行计算时，根据系统所配置参考时钟分频系数，按照公式（４）进行计算，式中ＬＳＢ为分频系数，测量前已设置好。根据公式（５）计算该脉冲到来的系统时刻Ｔｓｙｓ１，其中Ｔ为参考脉冲周期［１７］。通道２中另一个待测脉冲到来时利用同样的方
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的高精度多通道时间数字转换器设计[J]. 王巍,董永孟,李捷,熊拼搏,周浩,杨正琳,王冠宇,袁军,周玉涛. 微电子学. 2015(06)
[2]基于TDCGP2的高精度时间差测量的关键技术研究[J]. 赵德平,韩建平. 材料与冶金学报. 2014(04)
[3]多通道精密时间间隔测量系统的研制[J]. 辜新宇,郭际,施韶华,李孝辉. 电子测量与仪器学报. 2013(01)
[4]一种高精度、大量程时间间隔计数器的设计[J]. 车震平. 核电子学与探测技术. 2011(06)
[5]精密时间间隔计数器的研制[J]. 赵侃,梁双有,陈法喜,李孝峰,张首刚. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(05)
[6]高精度时间间隔测量系统[J]. 邢燕. 电子测量技术. 2010(05)
[7]64通道100ps时间-数字变换模块的研制[J]. 刘小桦,安琪,刘树彬,苏弘,詹文龙. 核技术. 2009(08)
[8]一种高精度时间间隔计数器的校准方法[J]. 杨志强,宋跃. 国外电子测量技术. 2009(05)
[9]精密时间间隔测量仪数据校准和不确定度测试[J]. 叶超,冯莉,欧阳艳晶. 国外电子测量技术. 2008(12)
[10]时间间隔测量芯片TDC-GP1在频率测量系统中的应用[J]. 邓星部,陈勇. 电子元器件应用. 2008(09)
博士论文
[1]高速精密时间间隔测量及应用研究[D]. 孟升卫.哈尔滨工业大学 2007
[2]基于FPGA的精密时间—数字转换电路研究[D]. 宋健.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于FPGA的精密时间间隔测量研究与实现[D]. 邹进波.西安科技大学 2011
[2]基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现[D]. 周增建.西安电子科技大学 2010
[3]一种基于TDC的时间间隔测量方法的研究[D]. 罗尊旺.西安电子科技大学 2009
本文编号：3268616
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