皮秒级多脉冲时间间隔大量程时间测量系统设计
2022年电子技术应用第10期
刘琛昊1，金 革2
1.中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥230026；2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥230026
摘要： 时间测量技术在激光测距、粒子鉴别、放射性核医学工程等领域中都有重要应用。本设计采用基于Altera公司的FPGA EP3C55F484C6结合时间内插技术来实现较高精度的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)。通过结合上位机，实现单次测量一个Start脉冲对应的多个Stop脉冲的个数可调，可以解决一次测量中有多个待测目标时需反复多次测量的问题。经过测试，设计分辨率可以达到90.08 ps，测量精度可以达到33.54 ps，积分非线性INL范围是(-0.34 LSB~+0.27 LSB)，微分非线性DNL范围是(-0.28 LSB~+0.31 LSB)。
中图分类号： TN79
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 刘琛昊，金革. 皮秒级多脉冲时间间隔大量程时间测量系统设计[J].电子技术应用，2022，48(10)：108-112.
英文引用格式： Liu Chenhao，Jin Ge. A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：108-112.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 刘琛昊，金革. 皮秒级多脉冲时间间隔大量程时间测量系统设计[J].电子技术应用，2022，48(10)：108-112.
英文引用格式： Liu Chenhao，Jin Ge. A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：108-112.
A large range time measuring system study of picosecond multi-pulse time interval
Liu Chenhao1，Jin Ge2
1.School of Microelectronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China； 2.Department of Modern Physics, School of Physical Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
Abstract： Time measurement technology has important applications in laser ranging, particle identification, radioactive nuclear medicine engineering and other fields. This design uses the time interpolation technology based on FPGA EP3C55F484C6 which produced by Altera Corp to achieve high precision TDC. By combining with the upper computer, the number of stop pulses corresponding to a start pulse can be adjusted in a single measurement, which can solve the problem of repeated measurement when there are multiple targets to be measured in a measurement. After the test, the design resolution is 90.08 ps, the measurement accuracy is 33.54 ps, the integral nonlinear INL range is(-0.34 LSB~+0.27 LSB), and the differential nonlinear DNL range is(-0.28 LSB~+0.31 LSB).
Key words : time-to-digital converter；FPGA；multi-pulse measuring；carry chain
0 引言
科学实验中许多信息是以时间信息方式存在于探测器的输出信号中，典型的例子如飞行时间测量(Time of Flight，TOF)：发射端发射信号到待测物体后，被反射回探测器，通过对往返时间间隔进行分析，可以得到距离信息，而所测得时间精度也就决定了TOF系统的精度[1]。而时间数字转换器则是在时间分析中使用较多的测量手段[1-2]。在传统的实验中，若存在多个待测物体，探测器会收到多个信号，需进行多次测量，增加实验的复杂度，且无形中增加实验成本。针对这一情况，本文设计了在一次测试中，一个“开始”信号可以对应多个“停止”信号进行测量的时间数字转换系统。
数字型时间数字转换相对模拟型的转换方法具有稳定性高、调试方便等优势；而数字器件中FPGA相对ASIC具有制造周期短、成本低、调试方便等优势，同时是可编程的逻辑列阵，能够有效地解决原有的器件门电路数较少的问题。它能够满足几乎所有应用门阵列和中小规模的集成电路，编程灵活同时开发方便，可以实现在线、实时验证的要求[3-4]。本文以FPGA为核心器件，根据TDC的基本原理，以实现时间间隔测量为最终目的搭建系统，同时完成多脉冲时间间隔测量的功能，可以满足实验中更多样性的测量需求，也在其他高精度时间测量场合中具备应用前景。
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作者信息：
刘琛昊1，金 革2
(1.中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥230026；2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥230026)
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