51专题---TDC时间转换技术

TDC时间数字转换技术及应用华中科大自动化学院测量系张洪1.TDC的概念•TDC:Time-to-DigitalConverter“时间数字转换技术”or“时间数字转换器”•用于测量两个时间事件间的间隔2.TDC技术应用领域•TDC技术广泛的应用于时频测量、航空航天、卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理和粒子物理探测等领域，并且这些领域的先进水平与时间间隔测量的精度密切相关。•本课程中的科式流量计相位差测量、超声流量计、行程回差式物位计（超声、雷达、激光）等也将应用。2.TDC技术应用领域•高精度的时间间隔测量要求达到皮秒（ps）水平•ps是什么概念？1秒=10-12秒如果用激光测距光速为：299792.458Km/s=299792458m/s要达到1cm的精度，需要时间测量精度为：1÷100÷(299792458)=3.33564×10-11秒=33.3564皮秒3.TDC原理•传统的时间差测量采用模拟的方法：时间间隔扩展法、时间-幅度转换法*需要用ADC把模拟量再转换为数字量•数字法实现TDC也有多种方法：直接计数法、游标法、抽头延迟线法、差分延迟线法等3.TDC原理•1）直接计数法•待测时间为T，参考时钟周期为T0，计数脉冲个数为M，则：•实际测得时间间隔为：•测量误差为：3.TDC原理•1）直接计数法•基于直接计数法的测量分辨率和测量精度由参考时钟信号的频率和频率稳定度决定•时钟信号的温度漂移、时间漂移影响•时钟频率过高(10GHz)，会引入很大的时钟抖动，增大测量误差3.TDC原理•2）游标法*类似游标卡尺的工作原理a）T1和T2是两个周期相差很小的时钟信号：T1T2b）启动信号START启动T1的计数c）停止信号启动T2的计数d）对T1和T2的计数直到T1和T2边沿重合，则有：3.TDC原理•2）游标法测量电路误差影响：要求T1和T2具有高稳定性与高可靠性；待测时间较长时，精度难以保证；扩展：增加测量范围的同时提高精度多层次测量法，多维延时矩阵法，循环游标延迟链法等3.TDC原理•2）抽头延迟线法原理：每个触发器传输延时时间为；启动信号START在触发器间传输时，被STOP信号锁存；Q1~QN指示出START信号传输的位置，如1110000，表示START信号传输了3个触发器设传输门数量为n，则被测时间间隔为3TnT3.TDC原理•2）抽头延迟线法其他类型的电路3TnT3.TDC原理•2）抽头延迟线法nT影响因素：传输延时时间是否精确——决定了测量的精度和分辨率；一般触发器的延时时间在纳秒（ns）级3.TDC原理•3）差分延迟链法原理：START信号延迟链：STOP信号延迟链：二者需要满足：？设延迟链门电路数量为n，则被测时间间隔为)(12nT12123.TDC原理•3）差分延迟链法特性：测量的稳定度则由两条延迟链的延迟一致性决定)(12nT4.TDC实现方法•目前TDC实现方法有两种：专用芯片实现：ASIC-TDC可编程逻辑：FPGA-TDC•基本特点ASIC-TDC设计周期长，成本高，信号延迟固定，可获得较高精度；FPGA-TDC成本低，灵活，延迟一致性难以保证；4.TDC实现方法•ASIC-TDC实现该TDC实现20ps分辨率4.TDC实现方法•ASIC-TDC实现*即使专用芯片延迟单元时间可控，但延迟时间依然收到温度和电压的影响4.TDC实现方法•FPGA-TDC的实现•FPGA：可编程门阵列•器件成本低；开发周期短；设计灵活性强；收布线策略影响延迟时间不容易控制一致性较差该TDC实现了200ps分辨率FPGA-TDC实现50ps以下分辨率就比较难了5.TDC芯片及应用实例•ACAM公司TDC芯片：TDC-GP1，TDC-GP2(65ps)，TDC-GPX(10ps)，TDC-GP21（热能表）TDC-GP22（超声水表）5.TDC芯片及应用实例•TDC-GP1主要应用于超声波流量仪、高能物理和核物理、各种手持/机载或固定工的高精度激光测距仪、激光雷达、激光扫描仪、CDMA无线蜂窝系统无线定位、超声波密度仪、超声波厚度仪、涡轮增压器的转速测试仪、张力计、磁致伸缩传感器、飞行时间谱仪、天文的时间间隔观测、频率和相位信号分析等高精度测试领域。•TDC-GP22应用于超声水表的样例5.TDC芯片及应用实例•TDC-GP22应用于超声水表的样例5.TDC芯片及应用实例参考文献•参考文献【1】•=INfNZuCIh7sibQQODDFKFaT4KxBfaGBtZhGSChD3jVsemxngfrhVX_zqqJpQQ3qIIzfed64u8PZ8OkJau6aoEztVShWjo8Ne9nmhiew1Cjq•硕士论文：张敏，皮秒分辨率的FPGA-TDC技术研究，2013.3，西安电子科技大学•ACAM公司的一些技术资料