基于FPGA与TDC-GPX2的精密时间间隔计数器设计实现

发布时间：2020-09-17 18:15

　　时间是物质存在和运动的基本属性之一。精密的时间作为科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量,在国防工业科研等各个领域都起到至关重要的作用。本文在此背景下设计并实现了一款高精度多通道,同时具备脉冲宽度测量功能的时间间隔计数器,并对该计数器系统进行性能评估测试。论文的主要研究内容及成果包括:(1)对时间间隔测量的原理和相关概念进行深入的理解和分析,对比本领域的经典时间间隔测量方法并总结每种方法的优点和缺陷。其中着重对时间内插法进行了透彻的研究,并在此基础上分析本系统所采用的时间间隔测量技术,为后续的设计和研究工作奠定基础。(2)对系统进行总体设计。首先选择硬件平台所需元器件,充分了解各个器件的工作条件和电气参数,尤其是微处理器(FPGA)和TDC-GPX2芯片的相关工作参数,完成系统的硬件设计、调试。然后细化系统功能,完成微处理器的配置逻辑、数据流处理逻辑、串口通信逻辑等模块逻辑设计及连接,通过仿真调试,验证各功能模块。最后结合硬件平台功能,设计相应的上位机软件需求,使用VC++平台进行上位机软件设计。最终将软硬件平台进行联合测试,完成系统设计。(3)各个部分调试完成之后,搭建测试平台对系统的时间间隔测量性能、脉冲宽度测量性能以及多通道同步测量性能进行测试。测试中采用标准偏差作为评估指标,得到系统时间间隔测量的精度(标准偏差)优于60ps,同时利用比较法测量得到系统测量的偏差小于500ps,系统量程可达到1.6s。且通过做差的方式有效降低公共误差对测量性能的影响,提高设备在不同场合的测量精度;脉冲宽度测量性能和国际通用设备SR620性能相当;可实现多通道同步测量,各通道同步测量一致性较好,可满足多数场合应用。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH724
【部分图文】：

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图 1.1 固定靶实验示意图高精度时刻鉴别和时间间隔测量技术同样是空间定位技术的基础。在定，通常已知 4 个及以上参考点（通常是卫星）的具体位置信息，然后通测点到已知点的距离，联立方程解算待测点的具体位置[11]。而这个测量通过测量信号从待测点发出到卫星接收的时间，乘以光速得到的。由于延迟误差项，所以称为伪距[12]。这整个定位的过程，时间信息的鉴别和分关键的部分，对时间测量的精确，则定位信息越准确。在一些应用场合，需要同时得到几组信号之间的时间间隔，使数据处理可靠，在这种情况下如 SR620 等只有一组测量通道的设备不能很好的。例如在卫星导航定位系统中，需要同时接收 4 颗卫星的数据来确定位多通道并行测量会提高定位效率和精度[13]。在飞行时间质谱仪应用中，离子从离子源到达检测器的飞行时间来鉴别离子并对其分类。如果可实

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图 2.1 起停型计数器原理示意图计数法数法，又称“粗”计数法，顾名思义就是直接对待测时间间行计数得到测量结果的方法。数法的原理框图如图 2.2 所示，系统通过主门控制计数的开信号又称作开门信号，停止信号又称作关门信号。开门和关门信号调理电路做整形处理，之后经过主门触发器使其输出与计兼容，触发器的输出作为主门打开和关闭的控制信号，主门打频后的参考时钟计数，主门关闭后停止计数，计数器的值为开间的时间间隔，即待测时间间隔。

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第 2 章时间测量原理及方法9图 2.1 起停型计数器原理示意图2.2.1 直接计数法直接计数法，又称“粗”计数法，顾名思义就是直接对待测时间间隔内参考时钟数进行计数得到测量结果的方法。直接计数法的原理框图如图 2.2 所示，系统通过主门控制计数的开始和停止，所以开始信号又称作开门信号，停止信号又称作关门信号。开门和关门信号首先分别送入信号调理电路做整形处理，之后经过主门触发器使其输出与计数寄存器内部格式兼容，触发器的输出作为主门打开和关闭的控制信号，主门打后计数器开始对分频后的参考时钟计数，主门关闭后停止计数，计数器的值为开门信号到关门信号间的时间间隔，即待测时间间隔。图 2.2 直接计数法结构示意图如图 2.3 所示，Start 信号到来时，打开计数器对参考时钟进行计数，Stop 信

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