三種TDC電路的原理和實現(xiàn)方法

本文介紹了不同類型的時間測量方法，討論了實現(xiàn)高精度時間測量所采用的電路與實現(xiàn)技術(shù)。通過這些方法可以實現(xiàn)皮秒(ps)級的時間測量，滿足不同應(yīng)用場合的需求。時間作為一個基本物理量，在空間探索、高能物理、遙感遙測以及對流量、距離的測量等方面都有著極其重要的作用。本文討論的時間測量是指對一個時間段的量度，也就是要完成從開始信號start到結(jié)束信號stop之間的時間間隔測量。通過電子電路實現(xiàn)高精度時間測量的方法有多種，此類電路的名稱也很多，包括時間間隔表(TIM)、時間數(shù)字化器(time digitizer)、時間計數(shù)器(TC)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等，目前比較常用的名稱是TDC[1~2]。TDC電路有不同的原理和實現(xiàn)方法，目前常見的方法包括抽頭延遲線法、游標(biāo)法及電容充放電法等。

基于時鐘脈沖的時間測量

最簡單的TDC電路就是通過時鐘信號對要計量的時間范圍進行采樣計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值來計算時間值，這種方法就是直接計數(shù)法，其時間計量的最小分辨率是用于計數(shù)的時鐘周期。為了提高測量分辨率只能提高時鐘的頻率，但由于超高頻率時鐘信號的生成和穩(wěn)定傳輸都比較困難，所以通過這種方法很難實現(xiàn)ps級的精密測量，這一弱點使得它無法在需要精密時間測量的場合使用。但這種方法經(jīng)?？梢院秃竺娼榻B的其他測量方法結(jié)合起來使用，互相取長補短。

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基于抽頭延遲線法?的時間測量

抽頭延遲線法的原理是使被測量的開始信號通過延遲線進行傳輸，通過抽頭信號探測它在被測量時間段內(nèi)傳遞到的位置，從而判斷時間測量的結(jié)果。相鄰抽頭之間的信號延遲時間就是測量的最小分辨率。在電路中實現(xiàn)時，延遲線一般是通過延遲單元構(gòu)成的，測量的分辨率就是這些單元的延遲時間。在集成電路中，通常采用的電路單元是反相器，目前常用的集成電路工藝條件下這個延遲時間可以做到大約101~102ps量級，對于大多數(shù)測量來說，這樣的分辨率已經(jīng)可以滿足要求了。

一種基本的抽頭延遲線法時間測量電路如圖1所示。其中在抽頭處使用停止信號對經(jīng)過延遲線傳輸?shù)拈_始信號進行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果Q0~Qn(溫度計型編碼)就可以知道開始信號經(jīng)過被測時間段傳遞到的位置，由此可以根據(jù)每個單元的延遲時間τ計算出被測的時間間隔。抽頭延遲線法的量程由延遲線的長度(延遲單元的數(shù)量)決定。這種結(jié)構(gòu)是構(gòu)成很多時間測量電路的基礎(chǔ)，通過與其他技術(shù)結(jié)合可以形成不同的實用電路形式。

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基于游標(biāo)法的時間測量

時間測量也可以采用類似機械游標(biāo)卡尺的方法。它使用兩條延遲線，其中單元的延遲時間分別為τ1和τ2，τ1和τ2之間有微小但固定的延遲差別，通過這兩條延遲線分別對開始信號與結(jié)束信號進行傳遞，檢測開始與結(jié)束信號在傳遞過程中什么時候重合，通過重合點的位置即可得到開始與結(jié)束之間的時間差?；镜挠螛?biāo)法時間測量電路原理如圖2(a)所示，其中通過觸發(fā)器采樣進行開始與結(jié)束信號是否重合的比較。另有一些設(shè)計中采用了專門的信號重合檢測電路代替觸發(fā)器，一種信號重合檢測電路形式如圖2(b)所示[3]，根據(jù)這種電路的兩個輸出信號輸出1和輸出2可以判斷信號到達的先后次序，實現(xiàn)重合的判斷。
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在基本的游標(biāo)法時間測量電路中，當(dāng)檢測到經(jīng)過延遲線傳輸后的開始與停止信號在某點發(fā)生重合時，在Tstop – Tstart <τ1的情況下通過計算可以知道：

Tstop - Tstart = (n-1)× (τ1 – τ2)

其中n是經(jīng)過的比較級數(shù)。這種測量方法的分辨率是兩條延遲線中延遲單元的時間差，即(τ1 – τ2)，在電路設(shè)計時要保證τ1 > τ2。其量程由延遲單元數(shù)量和τ1、τ2共同決定?？梢钥闯鲞@種方法能夠?qū)崿F(xiàn)比抽頭延遲線法更高的測量分辨率，前提是保證用于測量的兩條延遲線中的單元有穩(wěn)定的延遲，為了達到這一目標(biāo)常常通過PLL或DLL來產(chǎn)生具有穩(wěn)定延遲的延遲線[4-5]。

基于電容充放電法的時間測量