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皮秒級多脈沖時間間隔大量程時間測量系統(tǒng)設(shè)計

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第10期

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

摘要： 時間測量技術(shù)在激光測距、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)計采用基于Altera公司的FPGA EP3C55F484C6結(jié)合時間內(nèi)插技術(shù)來實現(xiàn)較高精度的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter，TDC)。通過結(jié)合上位機，實現(xiàn)單次測量一個Start脈沖對應(yīng)的多個Stop脈沖的個數(shù)可調(diào)，可以解決一次測量中有多個待測目標(biāo)時需反復(fù)多次測量的問題。經(jīng)過測試，設(shè)計分辨率可以達(dá)到90.08 ps，測量精度可以達(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： 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場可編程門陣列多脈沖測量進(jìn)位鏈

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. 皮秒級多脈沖時間間隔大量程時間測量系統(tǒng)設(shè)計[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)實驗中許多信息是以時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，通過對往返時間間隔進(jìn)行分析，可以得到距離信息，而所測得時間精度也就決定了TOF系統(tǒng)的精度^[1]。而時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器則是在時間分析中使用較多的測量手段^[1-2]。在傳統(tǒng)的實驗中，若存在多個待測物體，探測器會收到多個信號，需進(jìn)行多次測量，增加實驗的復(fù)雜度，且無形中增加實驗成本。針對這一情況，本文設(shè)計了在一次測試中，一個“開始”信號可以對應(yīng)多個“停止”信號進(jìn)行測量的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

數(shù)字型時間數(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，編程靈活同時開發(fā)方便，可以實現(xiàn)在線、實時驗證的要求^[3-4]。本文以FPGA為核心器件，根據(jù)TDC的基本原理，以實現(xiàn)時間間隔測量為最終目的搭建系統(tǒng)，同時完成多脈沖時間間隔測量的功能，可以滿足實驗中更多樣性的測量需求，也在其他高精度時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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