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皮秒級(jí)多脈沖時(shí)間間隔大量程時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第10期

劉琛昊1，金革2

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

摘要： 時(shí)間測(cè)量技術(shù)在激光測(cè)距、粒子鑒別、放射性核醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用基于Altera公司的FPGA EP3C55F484C6結(jié)合時(shí)間內(nèi)插技術(shù)來實(shí)現(xiàn)較高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter，TDC)。通過結(jié)合上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量一個(gè)Start脈沖對(duì)應(yīng)的多個(gè)Stop脈沖的個(gè)數(shù)可調(diào)，可以解決一次測(cè)量中有多個(gè)待測(cè)目標(biāo)時(shí)需反復(fù)多次測(cè)量的問題。經(jīng)過測(cè)試，設(shè)計(jì)分辨率可以達(dá)到90.08 ps，測(cè)量精度可以達(dá)到33.54 ps，積分非線性INL范圍是(-0.34 LSB~+0.27 LSB)，微分非線性DNL范圍是(-0.28 LSB~+0.31 LSB)。

關(guān)鍵詞： 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列多脈沖測(cè)量進(jìn)位鏈

中圖分類號(hào)： TN79
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222793
中文引用格式： 劉琛昊，金革. 皮秒級(jí)多脈沖時(shí)間間隔大量程時(shí)間測(cè)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(cè)器的輸出信號(hào)中，典型的例子如飛行時(shí)間測(cè)量(Time of Flight，TOF)：發(fā)射端發(fā)射信號(hào)到待測(cè)物體后，被反射回探測(cè)器，通過對(duì)往返時(shí)間間隔進(jìn)行分析，可以得到距離信息，而所測(cè)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(cè)量手段^[1-2]。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，若存在多個(gè)待測(cè)物體，探測(cè)器會(huì)收到多個(gè)信號(hào)，需進(jìn)行多次測(cè)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(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)了在一次測(cè)試中，一個(gè)“開始”信號(hào)可以對(duì)應(yīng)多個(gè)“停止”信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(duì)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(shì)；而數(shù)字器件中FPGA相對(duì)ASIC具有制造周期短、成本低、調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(cè)量的功能，可以滿足實(shí)驗(yàn)中更多樣性的測(cè)量需求，也在其他高精度時(shí)間測(cè)量場(chǎng)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽合肥230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽合肥230026)

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