高分辨率时间-数字变换器(TDC)设计实现(授时中心王文利).docVIP

高分辨率时间－数字变换器(TDC)的设计实现 王文利1，2，王丹妮1，边玉敬1 （1．国家授时中心，陕西 临潼，710600；2．中国科学院研究生院，北京，100080） 摘要：内插法是实现高分辨率时间间隔测量的主要方法。时间－数字变换器（TDC）则是实现高分辨率时间间隔测量的关键部件。文章介绍了一种基于模拟内插技术的高分辨率时间数字变换器的设计实现。经测试，其测时误差小于250ps。 关键词：时间－数字变换　时间间隔测量　模拟内插技术　高分辨率 Design and Implementation of High Resolution Time-to-Digital Converter Wang Wen-li, Wang Dan-ni, Bian Yu-jing (1. Nation Time Service Center, Xian 710600, Shaanxi, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080,China) Abstract: Interpolation is the main method for time interval measurement with high-resolution. The Time-to-Digital Converter is the central component which can make a time interval measurement with high-resolution. A high-resolution Time-to-Digital Converter which based on analog interpolation is introduced in this paper. The resolution of the TDC reaches 250ps. Key words: Time-to-Digital Convert Time Interval Measurement Analog Interpolation High-Resolution 引言 高分辨率时间间隔测量技术在时频测量、航空航天、卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理和粒子物理探测等应用领域中具有十分重要的地位。在时间间隔测量中，量化误差限制了测时分辨率的提高，量化误差与计数器的参考时钟有着密切的关系。采用100MHz参考时钟的计数器，其测时分辨率为10ns，而简单依赖更改时钟进行优于1ns分辨率的测量，则要将时钟频率提高到1GHz以上，由此带来的电磁干扰、电路复杂度等问题会很难解决，因此靠无限制提高时钟频率的方法来提高测时分辨率是不现实的。 内插法是减少量化误差、提高测时分辨率的有效措施。时间数字变换器(Time to Digital Converter, TDC)，也可称为内插器，则是实现高分辨率时间间隔测量的关键部件。 TDC工作原理 目前，实现高分辨率时间间隔测量的内插法主要有两种：模拟内插法和数字内插法。 数字内插法主要应用数字延迟锁相环路(DLL)实现。用串联在一起的延迟单元构成的延迟链作为被测时间间隔的传输信道，每个延迟单元的输出端接到锁存器的数据输入端，将被测时间间隔的开始信号作为延迟链的输入信号，以其结束信号作为取样信号，则开始信号在延迟链中经过的延迟单元个数就正比于所测的时间间隔值。它的突出优点是结构简单，通道数量多(4路、8路或更多)，易于单片集成，可通过大规模数字门阵列(FPGA或CPLD)或专用集成电路实现。但随着测量分辨力的提高，所需要的延时组件也就越多，也就需要更多附加电路。这样不但使设备复杂度增加，而且还将产生附加误差导致测量分辨力受到限制。 模拟内插法是基于时间－电压－数字变换的内插技术，其核心由模拟电路构成，复杂程度较大，难以集成，但模拟内插法具有测量范围大、线性好、测量精度非常高的优点，所以其综合性能最佳。现有的高精度时间间隔计数器（如：SR620等）大多采用这种技术。我们研制时间－数字变换器，就是基于模拟内插技术实现的。以下将做详细介绍。 时间－数字变换器基本组成如图1所示，它主要由输入端，即Start/Stop 信号、Clock信号整形输入通道，时间－数字变换单元以及微处理器组成。 图1. 时间－数字变换器组成框图 模拟内插法的原理如图2所示。首先，对一个精密电容充电，使电容两端的电压保持一个固定值，在被测的Start-to-Clock脉冲前沿到来时，开始以恒定的电流放电，到被测的Start-to-Clock脉冲后沿时，放电终止。这样便在Start-to-Clock脉冲与放电后的电容电压之间建立起一