本發(fā)明涉及時間模式信號處理，特別是涉及一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器即tdc(time?to?digital?conveter)，為一種高精度時間測量設(shè)備，該設(shè)備廣泛應(yīng)用于高能物理、熒光成像、空間探測、天文觀測、正電子發(fā)射斷層顯像、激光測距、自動駕駛、航空航天、雷達定位、三維成像、流體流量測量、電子儀器等領(lǐng)域，并在上述領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用；

2、時間測量實現(xiàn)的技術(shù)路線有直接計數(shù)法、時鐘分相法、內(nèi)插延時鏈法等，不同的技術(shù)路線對于最終的分辨能力也有著較大的影響，tdc主要通過fpga與專用集成電路(application?specific?integrated?circuit，asic)兩種方案實現(xiàn)，fpga平臺開發(fā)周期短，可多次編程，其可分辨的時間間隔主要集中在百余皮秒范圍，而在asic方案下實現(xiàn)，成本較高；

3、目前的主流設(shè)備分辨率均處于百皮秒到二十皮秒之間，難以達到十皮秒量級，傳統(tǒng)的高分辨率的設(shè)計通過采取足夠多的延時單元構(gòu)成延時鏈，其代價是犧牲面積、增加功耗與成本，另一種方式通過時鐘分相法實現(xiàn)，理論上分辨率會隨著分相的增加而提高，但實際由于多時鐘域的存在，會增加數(shù)據(jù)傳輸與處理的難度，通常難以達到較高分辨率；

4、此外，由于延時單元的延時時長受溫度與電壓影響產(chǎn)生變化，tdc的分辨率及精度也會隨之變化，導(dǎo)致tdc相關(guān)的兩個重要精度參數(shù)inl與dnl指標較差；為此，我們提出一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，通過設(shè)計額外的校準單元，使tdc的線性度更好，解決傳統(tǒng)算法中時間分辨率受外界環(huán)境影響較大的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明為一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，包含一個start信號通道、多個stop信號通道和延時鏈，每條延時鏈對應(yīng)一個通道，所述延時鏈由具有延時功能的電路作為延時單元級聯(lián)而成，鏈結(jié)構(gòu)分為整鏈與差分鏈兩種，此外還包括差分結(jié)構(gòu)，所述高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

4、s1：對于整鏈模式，解碼將每一級觸發(fā)器鏈的采樣結(jié)果輸入進解碼單元，該數(shù)據(jù)在“0”和“1”之間翻轉(zhuǎn)變化，得到“細計數(shù)”結(jié)果；

5、s2：對于差分鏈模式，將同一信號分別輸入到兩條延時鏈中，再將采樣結(jié)果輸入進解碼單元；

6、s3：上述s2中，兩條延時鏈的細計數(shù)結(jié)果也差距1/2單級延時單元的延時時長，代表分辨率提高一倍，從而以物理方式實現(xiàn)雙精度；

7、s4：對于差分結(jié)構(gòu)，采用算法實現(xiàn)，將觸發(fā)器鏈的采樣結(jié)果分為奇偶層級兩組，分別進行解碼，得到兩組“細計數(shù)”結(jié)果；

8、s5：將結(jié)果反標至整鏈，按±1進行閾值擴展，得到的兩組區(qū)間長度為3的區(qū)間，對兩區(qū)間取交集，當交集結(jié)果仍為區(qū)間時，取其平均值；

9、s6：上述s5中，當細計數(shù)為小數(shù)，代表此時跳變已精確在相鄰兩級延時單元之間，分辨率為單級延時單元延時時長的一半，從而以算法方式實現(xiàn)雙精度；

10、s7：通過算法差分與物理差分結(jié)合，在差分鏈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行分層解碼，從而實現(xiàn)最高精度的測量

11、優(yōu)選地，所述整鏈即一個通道對應(yīng)一條獨立延時鏈，差分鏈將兩個相鄰?fù)ǖ缹?yīng)的兩條延時鏈視為一組，通過后端約束物理布局布線規(guī)則使信號到達兩條延時鏈的輸入端的時間差維持1/2單級延時單元的延時時長，以構(gòu)成差分。

12、高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，還包括校準模式，所述校準模式的實現(xiàn)包括如下步驟：

13、步驟一：將系統(tǒng)時鐘進行分頻后，輸入校準單元中的延時鏈進行傳播，將最后一級延時單元的輸出與第一級延時單元的輸入信號送出片外；

14、步驟二：使用鑒相器對信號進行采樣，以輸入信號作為基準信號，判斷輸出信號與輸入信號的相位差；

15、步驟三：根據(jù)相位差計算出需要補償?shù)姆秶?，通過dac轉(zhuǎn)化為電壓信號，進行濾波、放大、整形處理，將電壓反饋至延時單元中；

16、步驟四：通過改變延時單元的供電電壓，對溫度進行動態(tài)補償，從而完成校準。

17、優(yōu)選地，所述步驟一中，兩信號相差一條延時鏈的總延時時長，即一個時鐘周期。

18、本發(fā)明中，從tdc實現(xiàn)方案來看，基于fpga的設(shè)計分辨率受限，而asic相比于fpga有著更高的集成度，體積更小，通過自定布局布線能夠更好的優(yōu)化性能，適用于精密儀器中，因此本發(fā)明基于asic方案實現(xiàn)，采用內(nèi)插延時鏈法實現(xiàn)。

19、本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，提出了高分辨率的tdc設(shè)計，通過cmos工藝以芯片形式實現(xiàn)，本發(fā)明基于內(nèi)插延時鏈法，構(gòu)建了新型內(nèi)插延時鏈單元，并引入整鏈拆分算法與差分鏈結(jié)構(gòu)，有多種精度模式與校準功能；

21、其中，通過校準單元，對延時單元進行溫度補償，以提高穩(wěn)定性與線性度，在節(jié)省面積與成本的前提下，將分辨率提高到十皮秒量級。

22、當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，其特征在于，包含一個start信號通道、多個stop信號通道和延時鏈，每條延時鏈對應(yīng)一個通道，所述延時鏈由具有延時功能的電路作為延時單元級聯(lián)而成，鏈結(jié)構(gòu)分為整鏈與差分鏈兩種，此外還包括差分結(jié)構(gòu)，所述高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述整鏈即一個通道對應(yīng)一條獨立延時鏈，差分鏈將兩個相鄰?fù)ǖ缹?yīng)的兩條延時鏈視為一組，通過后端約束物理布局布線規(guī)則使信號到達兩條延時鏈的輸入端的時間差維持1/2單級延時單元的延時時長，以構(gòu)成差分。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，其特征在于，還包括校準模式，所述校準模式的實現(xiàn)包括如下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟一中，兩信號相差一條延時鏈的總延時時長，即一個時鐘周期。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法，涉及時間模式信號處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包含一個Start信號通道與多個Stop信號通道，每條延時鏈對應(yīng)一個通道，延時鏈由具有延時功能的電路作為延時單元級聯(lián)而成，鏈結(jié)構(gòu)分為整鏈與差分鏈兩種，整鏈即一個通道對應(yīng)一條獨立延時鏈，差分鏈將兩個相鄰?fù)ǖ缹?yīng)的兩條延時鏈視為一組，通過后端約束物理布局布線規(guī)則使信號到達兩條延時鏈的輸入端的時間差維持1/2單級延時單元的延時時長，以構(gòu)成差分。本發(fā)明TDC最高可達時間分辨率約12ps，測試精度<10ps，動態(tài)范圍約67ms，實現(xiàn)可動態(tài)校準的高精度時間間隔測量。

技術(shù)研發(fā)人員：李鵬樂
受保護的技術(shù)使用者：西安聯(lián)亞智匯網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15