《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)。
中圖分類號： TN79
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 劉琛昊，金革. 皮秒級多脈沖時(shí)間間隔大量程時(shí)間測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)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

    科學(xué)實(shí)驗(yàn)中許多信息是以時(shí)間信息方式存在于探測器的輸出信號中，典型的例子如飛行時(shí)間測量(Time of Flight，TOF)：發(fā)射端發(fā)射信號到待測物體后，被反射回探測器，通過對往返時(shí)間間隔進(jìn)行分析，可以得到距離信息，而所測得時(shí)間精度也就決定了TOF系統(tǒng)的精度[1]。而時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器則是在時(shí)間分析中使用較多的測量手段[1-2]。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，若存在多個(gè)待測物體，探測器會收到多個(gè)信號，需進(jìn)行多次測量，增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，且無形中增加實(shí)驗(yàn)成本。針對這一情況，本文設(shè)計(jì)了在一次測試中，一個(gè)“開始”信號可以對應(yīng)多個(gè)“停止”信號進(jìn)行測量的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

    數(shù)字型時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換相對模擬型的轉(zhuǎn)換方法具有穩(wěn)定性高、調(diào)試方便等優(yōu)勢；而數(shù)字器件中FPGA相對ASIC具有制造周期短、成本低、調(diào)試方便等優(yōu)勢，同時(shí)是可編程的邏輯列陣，能夠有效地解決原有的器件門電路數(shù)較少的問題。它能夠滿足幾乎所有應(yīng)用門陣列和中小規(guī)模的集成電路，編程靈活同時(shí)開發(fā)方便，可以實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)驗(yàn)證的要求[3-4]。本文以FPGA為核心器件，根據(jù)TDC的基本原理，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測量為最終目的搭建系統(tǒng)，同時(shí)完成多脈沖時(shí)間間隔測量的功能，可以滿足實(shí)驗(yàn)中更多樣性的測量需求，也在其他高精度時(shí)間測量場合中具備應(yīng)用前景。




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作者信息：

劉琛昊1，金  革2

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥230026)




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