0 引言

    時間是物理學的7個基本物理量之一^[1]，在物理學發展中起到重要作用，精確地獲取研究對象的時間信息具有重要意義。對時間信息的獲取可以由時間數字轉換器(Time to Digital Converter，TDC)來實現，TDC將時間信息轉換為二進制數字編碼，輸出到后端分析，得到具體時間信息。TDC廣泛應用在高能物理、衛星授時、導航定位、數字通信、醫學成像等領域^[2-5]。

    TDC有多種實現方法，包括直接計數法、時間間隔擴展法、時間幅度轉換法、多相位時鐘法、游標法、抽頭延遲鏈法、差分延遲鏈法等，各種方法既可以獨立使用，又可以配合使用，實現從低精度到高精度、從細時間到粗時間的時間測量。從技術上劃分，TDC的實現可以分為模擬方法和數字方法；從平臺上劃分，TDC可以在專用集成電路平臺(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、FPGA等平臺上實現。ASIC-TDC的測量精度、穩定性較高，一般都是針對某一特定場景應用設計，不具有通用性和可擴展能力，并且開發ASIC芯片的周期很長；FPGA-TDC具有開發周期短、成本低、設計靈活等優點，但是精度和穩定性較差。隨著半導體制造工藝的進步，FPGA-TDC的測量精度和穩定性等同步提高，實現高精度FPGA-TDC具有重要研究意義。

    目前，實現高精度FPGA-TDC的研究主要集中在幾個方面^[2，6-9]：(1)FPGA-TDC的實現，使用FPGA內部資源實現高精度TDC，把時間信息轉換成二進制數字編碼；(2)TDC碼寬的自動校準，選擇合適的校準方法，校準TDC碼寬，降低FPGA制造工藝、工作電壓、工作溫度(Process、Voltage、Temperature，PVT)等對TDC的影響；(3)針對TDC碼寬的不一致性，如何降低測量誤差，進一步提高測試精度；(4)動態監測并實時校準TDC碼寬，針對特殊要求(如航天等)進行冗余設計等。對FPGA-TDC的研究主要集中在前述的第1、第3方面，在不同FPGA平臺上實現進位鏈TDC。受限于進位鏈的線性度，TDC的線性較差，導致時間測量精度下降。通過多鏈單次測量求平均^[1，8，10]或者單鏈多次測量求平均[11-12]的方法，可以提高TDC的線性和時間測量精度。對TDC的碼寬的動態監測、冗余設計等，一般應用在航空航天等特殊領域^[2]。對于單鏈TDC的碼寬校準和抽頭方式方面(前述第2方面)，缺少較為深入的研究。

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作者信息：

李海濤1，李斌康1，2，田  耕1，2，阮林波1，2，呂宗璟1

(1.西北核技術研究所，陜西 西安710024；2.強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安710024)