TDC时间数字转换器.doc

TDC时间数字转换器 TDC时间间隔测量原理 时间数字转换技术（TDC 是建立在R.Nutt在1968年提出的延迟线结构基础之上，利用信号通过逻辑门电路的绝对传输时间提出的一种时间测量方法，早期用同轴线来实现延迟线，随着集成电路的发展，这种结构的计时器被移植到IC上，得到迅速推广，其测量原理如图1所示。 图1 经典Nutt延迟线基本结构 整条延迟线（Delay Line 由一组延迟单元组成，每个延迟单元配合一个触发器，触发器的时钟由时间脉冲的结束下降沿提供，当时钟脉冲结束后，触发器可以记录延迟多少个时间单位，也就是stop信号相对于start信号落后的时间，从而实现将时间转化为数字的测量。这种测量方法的精度取决于延迟单元的延迟时间。 目前工作进展 系统方案设计 初步的方案设计采用德国ACAM公司生产的TDC-GP21芯片来实现时间的测量。系统的结构如图2所示，其核心为数字延迟线芯片TDC-GP21和微控制器STC12C5A60S2。TDC-GP21芯片利用延迟线插入法测量时间间隔，其精度可达到45ps，最高量程为4ms。 图2 TDC时间测量系统原理框图 本系统可以用于测量2路时间间隔信号，其中Start为公用的起始时间信号，Stop1和Stop2为两路停止时间信号，测量的输出量为各Stop通道的脉冲信号与Start信号之间的时间间隔的数字化量。TDC-GP21芯片与单片机采用四线制SPI接口进行连接，从而实现单片机对时间测量芯片的初始化控制和测量数据的传输。 系统测量过程为，单片机首先对TDC-GP21芯片初始化，由Start信号触发测量，当芯片完成时间间隔测量时，触发中断，使单片机读取测量结果，再由串口通信电路传到上位机，进行最终的数据处理，系统硬件实物图如图3所示。 图3 时间数字转换器系统实物图 系统测试 使用BNC MODEL575延时产生器产生延时脉冲，由于信号源存在200ps的时间抖动，因此测量结果的标定值以示波器实际测量的延时值为准。我们从100ns到1000ns之间随机的选取10组数据进行测量，测量结果如下表所示。从实测数据可以看出, 利用4 MHz晶振对时间间隔测量的相对误差基本可以达到0.5%以内, 平均误差为266ps。 表1 时间间隔测量数据 下一步工作计划 对于测量芯片进行非线性校正，从而提高测量精度； 使用FPGA实现对于时间间隔的高速测量，并实现硬件累加功能。