基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现
基于FPGA的时间间隔测量仪的设计
基于FPGA的时间间隔测量仪的设计设计思路：1. 采集信号：FPGA通过引脚或者其他接口采集待测信号，并将其统一转化为数字信号进行处理。
2. 时钟同步：使用定时器或者PLL对采集到的信号进行时钟同步，以确保后续处理的准确性。
3. 脉冲宽度测量：利用FPGA的高速计数器进行脉冲宽度的测量。
通过计数器记录信号的上升沿和下降沿之间的时钟周期数，再根据时钟频率将其转化为时间。
4. 时间间隔测量：根据采集到的两个信号的上升沿或者下降沿的时间戳信息计算时间间隔，同样利用高速计数器完成。
其中，时间间隔是通过记录两个信号的上升沿或者下降沿之间累积的时间周期数来计算的。
5. 数据处理：将测量到的脉冲宽度和时间间隔信息进行数字信号处理，例如平均值、最大值、最小值、标准差等统计分析。
6. 结果显示：将处理后的结果通过数码管、LCD屏幕、计算机等方式进行显示，以方便用户观察和分析。
该设计中，FPGA作为核心处理器，具有高速计数器、PLL等硬件模块，可以提供高精度和高测量速率的能力。
相较于传统基于微处理器或者DSP的仪器，基于FPGA的时间间隔测量仪具有以下优点：1. 快速响应和高测量速率：FPGA具备并行计算的能力，可以同时处理多个信号，提供更高的测量速率。
2. 高精度测量结果：FPGA的高速计数器可以提供高精度的计数和测量能力，减小了测量误差。
3. 可编程性和可扩展性：FPGA具有可编程性，可以根据不同的应用场景进行定制和优化设计；同时也方便后期的新功能扩展。
在实际设计过程中，需要进行以下步骤：1. 硬件设计：包括FPGA的选择、电路连接、时钟同步、高速计数器等基本硬件模块的设计。
2. 软件编程：通过HDL语言进行FPGA的编程，实现采集、同步、计数和数据处理等功能。
3. 系统测试：对设计的时间间隔测量仪进行系统测试，验证其测量精度和稳定性等指标。
4. 优化和调试：根据测试结果进行优化和调试，提高测量精度和速率。
虽然基于FPGA的时间间隔测量仪具有很多优点，但也需要考虑以下问题：1. 成本：FPGA的成本相对较高，相较于传统的微处理器或者DSP方案成本较高。
基于FPGA高精度时间间隔系统设计与实现
包 含分频器 、计数器 、数 据锁存器 、数 据处理器 四部分 。
些 问题 ，文章提 出 了基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ高精度时 间间隔测量方法 ，此
方 法充分利用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的硬件 资源 ，通过非 门延迟 线法实现 时间 间隔准 确测 量［ ２ １ 。此方 法具有 可靠 性强 和测量 误差 小的优 点 ，
基于Ｆ Ｐ Ｇ Ａ高精度 时间间隔 系统设 计与 实现
贾 芳 ，郑 丹
（ 河南农业大学理 学院
摘
河南郑州，４ ５ ０ ０ ０ ２ ）
要 ：为了解决传统时间 间隔测量 系统设备 体积 大 、 测量精度 低 、 测量范 围窄的缺点， 文章提 出了基于 Ｆ Ｐ ＧＳ 高精 时间
间隔 测量系统 的实 现方法 。此系统 的核心是 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ， 有其完 成信号 的处理 和控 制。使用 的基本 测量 原理是 非门延迟 线法 。
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ系统主在 Ｑ ｕ ａ ｒ ｔ ｕ ｓ Ⅱ 环境下通过硬件描述 语言进行设计 。测 试结果表 明， 此系统具有测量精度高 、 可靠性强 的优点 。具
有广阔的实用价值 和市场 空间。
关键词 ：Ｆ Ｐ ＧＡ； 时 间间隔测量； 延迟 线法 Ｄ ＯＩ 编码 ：１ ０ ． １ ４ ０ １ ６ ￣ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ １ － ９ ２ ２ ７ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ２ ． １ ７ ３
理模块进行预处理然后输送到fpga系统中进行测量fpga内部具有基准时间逻辑电路这样就能捕获计数器当前的计数3软件系统设计值此值会被fpga内部的ram存储器进行存储通过非门延31系统流程图迟法可以计算出 自动化与仪器仪表） ２ ｏ １ ５ 年２ 期（ 总第 １ ８ ４ 期）
ｓ ｈ ｏ ｗ ｈａ ｔ ｔ ｈｉ ｔ ｓ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ａ ｃ ｃ ｒａ ｕ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｄ ｖ ｎｔ ａ ａ ｇ ｅ ｓ ． Ｈａ ｓ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ ｍａ ｒｋ ｅ ｔ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｆ Ｐ ＧＡ； Ｔｉ ｍｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ａ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ； Ｄｅ ｌ ａ ｙ ｌ ｉ ｎ ｅ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ
基于FPGA实现TDC高精度时间间隔测量的研究与设计
基于 FPGA实现 TDC高精度时间间隔测量的研究与设计摘要：TDC(时间数字转换器)作为一种高分辨率时间间隔测量方法，基于FPGA实现TDC，具有设计灵活、成本低等特点，广泛应用于激光测距等领域。
本设计在Quartus II开发平台上，使用verilog语言实现粗细时间测量，其中粗时间在ModelSim实现仿真，最终该设计成功在工程项目中进行应用。
关键词：格雷码计数器；波形联合；TDC；FPGA时间间隔测量技术经过多年的发展，目前在原子物理、天文观测实验、激光测距、卫星定位等领域都有广泛的应用。
TDC实现方法有计数器技术、电流积分技术、时间放大技术、游标卡尺技术、“粗、细”时间测量组合技术等。
1时间间隔测量原理本文采用“粗、细”时间测量组合技术进行时间间隔测量，测量原理如下图所示，其中Tx表示时间间隔测量，其表达式为：，代表粗时间，代表细时间。
2粗时间测量设计2.1格雷码的特点格雷码(Gray Code)是20世纪40年代由贝尔实验室提出。
格雷码计数器每递增一位，只有一bit位发生变化，这样克服了使用传统二进制计数器可能导致数字电路出现尖峰电流脉冲的风险，提高了电路的抗干扰能力，所以格雷码是一种可靠性较高的编码。
另外格雷码是无权码，不能直接进行比较和参与运算。
格雷码编码方式如下表所示。
2.2多位格雷码计数器的实现本设计采用verilog逻辑语言进行设计，其中关键的计数器语言实现部份采用组合逻辑和阻塞来实现，这样电路与电路之间的延时就导致格雷码计数器不能工作在高时钟的环境，本设计的系统时钟为250MHz，从仿真以及应用中观察，没有出现因为电路的延时导致乱码的现象。
将多位格雷码计数器进行拆分，分别拆分为两个4位计数器和1个8位计数器，这样可以组合成任意4的整数倍位的格雷码计数器。
本设计中两个4位的计数器组合成低8位的格雷码计数器，用3个8位的计数器组合成高24位格雷码计数器，这样组合成32位的格雷码计数器。
基于FPGA的高精度时间测量电路的实现_张骥
底层
底层信号布线和小器件布置
4 测试结果及数据处理
4. 1 在线测试结果 通过 PC 的超级终端和 datasheet 中提供的
命令，能调出本文最关心的一些数据信息。通 过 01G825GX 能显示 Wave Union 在整个进位 链上的信息，并称之为 Bit Pattern Display。如 图 8。关于 Wave Union 和相应的调试命令的更 多信息，请参阅文献［4］。
根据实际情况，PCB 板的叠层方式如表 1 所示。整个测试板的照片如图 7 所示。
表 1 PCB 板叠层结构
层次名称
层次说明
顶层
器件布置，信号布线
地层
地平面
信号层
中间层信号布线
电源层 电源平面，分割为 3． 3V，1． 2V，3． 3VIN，5VA，VCCO
电源层 电源平面，分割为 2． 5V，1． 8V，5VIN，5VD，1． 2VPLL
电路中用了 FPGA 芯片，不可避免地要用 到多种电源，在设计电源转换模块方案时，有两 种方案可供选择，一种是利用开关电源模块来 实现，一 种 是 利 用 线 性 电 源 转 换 器 件 来 实 现。 开关电源转换模块的转换效率高，但是纹波比 较大； 而线性电源的转换效率没有开关电源的 高但是输出的纹波小，从系统性能的角度考虑， 本文采用线性电源转换器件得到系统所需要的 各种电压。
（ 2） FPGA（ Field Programmable Gate Array） 技术。使用可编程芯片，可以大大降低电子学 系统的成本和设计风险，提高可靠性和系统的 开发效率，并且很容易实现多通道的测量。目 前这种技术已经成为国内外研究的热点。
本文所研究的就是采用 FPGA 技术实现时 间测 量，采 用 的 FPGA 芯 片 为 Altera 公 司 的 EP2C8T144C6 芯 片，FPGA 固 件 WUTDC 由 美 国芝加哥大学费米实验室的高级工程师吴进远 先生所设计［2］，基本原理是通过加法器进位链 的延迟来实现对击中信号的内插。
高分辨率时间间隔测量技术研究
高分辨率时间间隔测量技术研究高分辨率时间间隔测量技术研究摘要：高分辨率时间间隔测量技术是现代科学研究和工程应用中至关重要的一项技术。
本文首先介绍了高分辨率时间间隔测量技术的背景和意义，然后详细阐述了高分辨率时间间隔测量技术的原理和方法，包括电子、光电和超快光学等多种测量方法。
最后，结合实际应用，探讨了高分辨率时间间隔测量技术在科学研究和工程实践中的应用前景和挑战。
一、引言时间是我们生活中最重要的基本物理量之一，同时在科学研究和工程实践中，精确测量时间间隔也显得尤为重要。
例如，在微纳尺度下的物理现象研究中，如超快动力学、量子计算等，需要对时间尺度进行高精度的测量。
而在通信、导航、雷达等应用中，高分辨率时间间隔测量技术也扮演着重要角色。
因此，高分辨率时间间隔测量技术的研究具有重要意义。
二、高分辨率时间间隔测量技术原理高分辨率时间间隔测量技术的原理可归纳为以下几个方面：电子测量、光电测量和超快光学测量。
其中，电子测量主要利用电子器件的响应特性来测量时间，常用的电子器件有瑞利发射二极管、微波谐振腔等。
光电测量则是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔，常用的光电器件有光纤、光电二极管等。
超快光学测量技术是利用超快激光器和特殊探测器来实现超快时间间隔的测量，可以达到亚飞秒甚至飞秒量级。
这些原理和方法提供了多样化的选择，并能根据需要灵活应用。
三、高分辨率时间间隔测量技术方法1. 电子测量方法电子测量方法主要通过测量电子器件的响应特性来测量时间间隔，具有较高的时间分辨率和精度。
例如，利用瑞利发射二极管的特性，通过测量出光电信号的到达时间，可以实现纳秒或亚纳秒级别的时间间隔测量。
此外，微波谐振腔也可以用来测量时间间隔，其分辨率可以达到皮秒级别。
2. 光电测量方法光电测量方法是通过测量光信号的到达时间来确定时间间隔。
常用的光电器件包括光纤和光电二极管。
光纤可以传输光信号并保持信号的时间分辨率。
光电二极管则能将光信号转化为电信号，再通过电路对电信号进行测量。
设计实现了基于FPGA的高精度时间测量电路TDC
1150
1200
1250
Time Distribution(ps)
1300
1350
Cabel Delay Test: Mean=1206.6ps.DatNum:8000
350 tmp
300
gaussain fit
250
RMS =7.4ps
TDC
200
FW HM=23.9ps
150
100
50
0 1160 1180 1200 1220 1240 1260 Time Distribution(ps)
后沿测量：每个CARRY4构成一个延迟链单元。
图1、单通道TDC实现脉宽测量的功能框图
a
b
c
中国科学技术大学 Un图iv2e、rs（itya）of前Sc沿i.时& 间Te测ch量. o结f 果Ch;i（nab）后沿时间测量结果;（c）TOT测量结果
✓ 前后沿数据交 替存入FIFO ；
✓ 离线数据处理 ，快 University of Sci.& Tech. of China
快电子学实验室 Fast Electronics Lab
利用FPGA的进位链实现时间内插
基于FPGA的时间-数字变换（Time-Digital Conversion，简称：TDC）电路设 计是核探测与核电子学国家实验室目前处于国际一流水平的一个研究领域。
Lagging Signal
A
MUX2
B
S
Clock
DQ
Read En
AND3
CP Q
D
A MUX2
BS
CP Q
D
AND3
A
MUX2
B
高分辨率时间间隔测量技术研究
高分辨率时间间隔测量技术研究时间间隔测量技术,又称为时间数字转换技术,通常用于将物理事件之间的时间间隔转换成数字形式的值。
时间间隔测量技术广泛应用于天文实验、核物理实验、核医学成像、武器打击、集成电路动态测试等领域,其分辨率直接影响着这些应用的效能。
国内外高分辨率时间间隔测量技术的研究集中于利用ASIC技术定制专用芯片实现,但是定制ASIC芯片存在着设计周期长、研发成本高等问题,限制着时间间隔测量技术的发展。
近年来,随着商用CMOS技术的不断发展,基于FPGA芯片实现时间间隔测量系统逐渐成为研究热点。
时间间隔测量技术在FPGA芯片内的实现大都利用芯片内部的专用延迟单元实现,受延迟单元的延迟时间和延迟线性度的影响,基于FPGA实现的时间间隔测量系统的分辨率很难优于10 ps。
另一方面,延迟单元的延时容易受温度、电压等环境的影响,导致时间间隔测量误差增大。
针对以上问题,论文围绕高分辨率时间间隔测量原理及其FPGA实现方法进行研究。
首先对FPGA内部的布线资源进行研究,探究利用布线资源作为延迟单元在FPGA内实现时间间隔测量的方法;其次对FPGA芯片的内部结构进行研究,结合FPGA芯片的结构特点探求新的时间间隔测量结构;然后,为了测试时间间隔测量方法的性能,对高精度时间间隔产生方法进行研究,同时,搭建了测试平台对实现的时间间隔测量系统的性能进行验证;最后分析了FPGA芯片的不同制程工艺对时间间隔测量技术参数的影响。
论文的主要工作和创新点包括:1、提出了利用FPGA芯片内部布线资源构造延迟链的方法,并据此实现了FIRRT时间间隔测量系统。
在实现过程中,为了改善布线路径的延迟一致性,对游标延迟链的结构进行了改进,增加了桥接单元用于对布线器的布线策略进行调整,桥接单元采用FPGA芯片内部的可编程输入输出延迟单元;同时,利用手动布局布线的方式进一步提高了布线路径的延迟一致性。
2、提出了大规模并行多相测量方法,并对其FPGA实现进行了研究,详细研究了大规模多相信号产生模块、大规模并行计数模块和并行测量结构的实现,分析了不同的测量结构和待测时间间隔信号的不同输入位置对分辨率的影响,同时评价了FPGA芯片内不同模块产生的参考时钟信号的质量。
基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究
基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究随着科技的发展，高分辨率短时间间隔测量在许多领域都具有重要意义。
本研究利用FPGA（现场可编程门阵列）技术，在高分辨率和短时间间隔测量方面进行了深入研究。
通过设计和实现一个定制的FPGA模块，可以在微秒级时间间隔内实现高精度的信号测量。
实验结果表明，该方法具有高分辨率和较低的测量误差，可为各个领域的实时测量提供有效的解决方案。
1. 引言高分辨率短时间间隔测量在许多应用中具有重要意义，如雷达系统、光学显微镜、医学设备等。
对于这些应用，通常需要测量瞬态信号，在微秒级甚至更短的时间间隔内获取高精度而准确的测量结果。
传统的测量方法往往无法满足这些要求，因此需要一种新的解决方案。
2. FPGA技术FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，具有快速的并行计算能力和灵活的硬件配置。
它可以根据特定需求进行编程，实现各种不同的功能。
在高分辨率短时间间隔测量中，FPGA可作为核心技术来提供高性能的信号处理能力。
3. 设计与实现本研究设计并实现了一个定制的FPGA模块，用于高分辨率短时间间隔测量。
该模块包括了高速的数据采集器、精确的时钟生成器和高性能的信号处理单元。
数据采集器能够以微秒级时间间隔快速采集信号，并将数据传输给信号处理单元。
时钟生成器提供精确的时钟信号，确保测量结果的准确性和稳定性。
4. 实验结果与分析通过对不同信号的测量实验，本研究得出了如下结论：定制的FPGA模块能够在微秒级时间间隔内实现高分辨率的信号测量。
与传统方法相比，该模块具有更高的测量精度和更低的测量误差。
此外，该模块还能够适应不同信号的测量需求，并通过重新编程实现不同的功能。
5. 应用前景基于FPGA的高分辨率短时间间隔测量技术具有广阔的应用前景。
它可以在多个领域中提供高精度、高效率的实时测量解决方案。
未来，我们将进一步改进和优化该技术，以满足不同领域中对高分辨率短时间间隔测量的需求。
结论：本研究基于FPGA技术，设计并实现了一个定制的模块，用于高分辨率短时间间隔测量。
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西安电子科技大学
硕士学位论文
学位级别:硕士
专业:测试计量技术及仪器
指导教师:周渭
20100101
基于FPGA高分辨率短时间间隔测量的研究与实现
作者:周增建
学位授予单位:西安电子科技大学
1.余力高分辨率时间间隔测量仪设计与实现[学位论文]2009
2.李焕基于等效鉴相频率的相位处理技术[学位论文]2010
3.张敏光.刘群华.赵新林.韩峰.ZHANG Min-guang.LIU Qun-hua.ZHAO Xin-lin.HAN Feng基于FPGA的时间间隔测量模块设计[期刊论文]-电子设计工程2010,18(1)