一种高精度大范围时间测量电路的实现

1　时间数字化电路实现

高精度的时间数字变换技术原本是从实验核物理中发展,并在高能物理中大量应用的。随着科学技术的不断发展,精密时间测量数字化技术在诸如高能物理实验、雷达、激光和声纳测距、通信测向、遥感成像等方面被广泛使用。很多种实用的精密时间测量技术在上述诸多领域得到发展和应用。传统的精密时间测量技术大致上可以分为以下几类:基于计数技术、标尺技术、脉冲交叠技术和电流积分技术。随着技术的发展,对时间数字化(TDC)的集成度和精度提出了越来越高的要求。微电子技术的发展,为高集成度、低功耗、高分辨率的TDC提供了可能。电子学方法实现高精度时间测量的技术和原理有多种,从测量范围和测量精度上来看,可以分为两大类,一类是高精度的时间测量,其测时分辨率最高可以达到几个ps量级,但该类时间测量电路其动态范围一般比较低;另一类为大动态范围高精度时间测量电路。不同的应用场合对时间测量范围和测量精度提出了不同的要求。本文介绍的电路用MTD133B实现时间数字化。它是一种以计数和DLL内插技术相结合的TDC。

时间数字化电路主要由时间/数字转换模块、TDC工作时序控制模块、内插延时控制模块、测量结果缓存模块、控制接口模块以及时钟模块等部分构成,其构成原理框图如图1所示。TDC模块设计成‘COM START’工作模式。在该模式下,减法器是将LIFO中的数据减去COM寄存器中的数据,获得测量的结果。设置COM输入端为下降沿有效,hit输入端为上升沿有效。将时间测量范围设置为满量程,即为32μs。TDC的时间数字转换工作主要由系统时序控制电路和接口控制电路来控制进行。

2　TDC电路工作原理

TDC时间测量的核心是由一个基于高速计数技术和基于延迟线内插技术的时间到数字的转换电路构成。高速计数器是一个16位的Gray码计数器,实现对脉冲沿的高速粗计数,该高速计数器以两倍于输入时钟频率进行计数。例如,对于250MHz的输入计数时钟,计数器的计数速率为500MHz,因此该计数器对应2ns的时间分辨率。延迟线内插电路将输入计数时钟沿相位延迟π/4,即半周期通过4个延迟单元等分为4段,半周期时间延时扩展4个LSB,即每个LSB对应1/8时钟周期,从而使TDC分辨率达到500ps。

高速计数器选择Gray码计数器而不用二进制计数器,是为了使计数器在每一个时钟沿计数时,计数锁存器的变化位数最少,使计数错误限制在1个LSB范围内,从而减小了可能的计数错误造成的误差。

内插电路有3位输出。在16位高速计数器状态发生一次翻转时,三位输出根据输入脉冲和输入计数时钟沿之间的时间值,也翻转一次,即输入脉冲将内插电路在脉冲沿时刻的各个内插延时器输出锁存进内插锁存器,经编码获得三位内插输出结果。此时,内插电路的3位输出就是粗计数结果和精确内插结果间的内插值。电路有两组计数锁存器。一组计数锁存器为COM计数锁存器。当COM脉冲沿到来时,将此时刻时钟计数器计数结果和时钟内插状态锁存在COM锁存器。另一组为hit计数锁存器,共有8路,当hit脉冲沿到来时,将此时刻时钟计数器计数结果和时钟内插状态锁存在hit锁存器中。该两组锁存器所锁存数据的差值即为所测COM和hit两个脉冲之间的时间间隔值。