3.8、时间数字转换器TDC
3.8时间数字转换器TDC（Time to Digital Convert）
-------高精度短时间间隔测量技术与方法---时间间隔的测量技术，尤其是高精度的时间间隔（皮秒1ps=10E-12s量级）的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计和数字示波器（Digital Oscilloscope）等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事技术领域都离不开高精度的时间间隔测量技术。
时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。
在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高。
1秒的测时误差会导致大海中的舰船偏离航线数百米，1微秒的测时误差会导致航天飞机不能安全返航。
精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。
测量波束在测距仪器和被测目标之间往返的时间间隔与距离成正比，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。
激光测距、雷达测距和超声波测距在军事、航天、航空、冶金等方面都有着广泛应用。
军事上对打击目标的精确测距是精确打击的基础，提高时间间隔测量的分辨率，就意味着有效提高制导、引爆的精确度；在航空航天领域，飞行器通过精确测量波束往返所需的时间间隔来进行导航和高度标定等，飞行过程对时间间隔测量精度和实时性要求更为苛刻，实时精确地测量时间间隔，可以保障飞行器的安全飞行。
综上所述，精密时间间隔测量技术在航空、航天、精确制导以及核物理等领域有着广泛的应用，是导航、空间技术、通讯、工业生产、电力等应领域不可缺少的关键技术。
精密时间间隔测量对测控技术在工业、国防及学技术的进步方面起到了举足轻重的作用。
各学科的发展前沿，对时间、率电子测量技术的发展提出了越来越高的要求，研究微小时间间隔的测量法，进一步提高时间、频率测量分辨率，是当今科技高速发展所亟待解决课题。
这方面所取得的新技术及成果，将会产生巨大的经济效益。
3.8.1时间间隔测量方法的分类
时间间隔直接测量方法有脉冲计数法、延迟时间内插法等；间接测量方法有时间电压变换(TDC)、游标时间内插法和脉冲宽度压缩时间内插法等。
“插值法”也称为“内插法”是上述个方法的基础。
因此在介绍了基本的“脉冲计数法”的基础后，先介绍“内插法”，然后再介绍其它方法。
3.8.2脉冲计数法
脉冲计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。
脉冲计数法中的脉冲是指参考时钟信号，参考时钟信号是脉冲计数法测时的时间基准，故又称时基信号。
该方法用时基信号去填充被测时间间隔，通过对时基信号的脉冲计数来量化被测时间间隔。
具体工作原理如下图所示。
在上图中，t0时刻对应被测时间间隔起始时刻，即事件1的上升沿，这里的事件泛指一个被测信号，t2时刻对应被测时间间隔终止时刻，即事件2的上升沿，被测时间间隔τ=t2–t0。
在t0之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t1，在t2之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t3，脉冲计数法的直接测量对象为时间间
隔τ0=t3–t1，τ0为时基信号周期Tref的整数倍。
脉冲计数法的直接测量结果是一个自然数，这个自然数表征了τ0与Tref的倍数关系，给出了被测时间间隔的定量表示。
但是由于被测信号与时基信号没有同步关系，在用时基信号填充被测时间间隔的过程中存在随机误差，误差为Δτ=τ0–τ=t3–t1–t2+t0=T1–T0，–Tref≤T1–T0≤Tref。
从脉冲计数法的误差公式可以看出，这种测量方法的最大误差等于时基信号的周期，分辨率为时基信号的周期。
为了提高脉冲计数法的测时分辨率，需要提高时基信号的频率，但过高的时基信号的频率会导致电路设计困难。
此外该频率也不可无限度的提高。
3.8.3内插测时法
在时间间隔的测量过程中，当脉冲计数法的分辨率不能满足要求时，人们开始着眼于其它方法，其中时间内插方法是提高时间分辨率的有效手段。
时间内插是在低分辨时基的基础上，获取高分辨率的一种测时技术。
时间内插的测量分辨率比时基周期小，如下图所示，T0是被测事件信号上升沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T1是事件信号下降沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T0和T1是时间内插的测量对象。
通过时间内插，可以将T0和T1这些小于时基周期的微小时间间隔进一步量化。
图中下部是T0和T1的放大示意图，箭头代表进一步量化的刻度。
精确地时间应为：
T = n x Tc + T0 – T1
从图中可以看出，精确时间间隔的测量编程变成两个微小时间间隔的测量问题。
下面介绍各种微小时间间隔的测量方法。
3.8.4时间间隔扩展法（模拟方法）
3.8.5时间-幅度转换法（模拟方法）
3.8.6游标法
3.8.7抽头延时线法
3.8.8差分延时线法
3.8.9高精度时间测量芯片TDC-GP2
德国ACAM公司生产的一款通用型TDC芯片。
其内部结构如下图所示：
TDC- GP2 内部主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。
在
实际应用中由于TDC- GP2 功耗很低, TDC- GP2 的工作电压: 输入输出电压为1.8～5.5V, 核电压为1.8～3.6V, 所以可以采用电池供电, 使用方便。
同时和单片机由 4 线的SPI相连, 可以把TDC- GP2 作为单片机的一个外围设备来操作。
功能原理
TDC- GP2 是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的, 数字TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。
(1)测量范围1
测量范围1具有以下特点：两个stop通道共用一个star通道, 每个通道的典型分辨率65ps，每个s top 通道都可以进行4 次采样。
15ns 间隔脉冲对的分辨能力, 测量范围为 3.5ns～1.8μs，每个通道都可以选择上升沿或下降沿触发。
ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能, 可测量任意两个信号之间的时差。
数字TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。
下图显示了这种测量绝对时间的TDC的主要构架。
芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。
芯片的最大测量精度基本上由芯片内部门电路的最大传播延迟时间决定。
(2)测量范围2
测量范围2具有特点为：只有一个Stop通道对应Start 通道, 典型的分辨率为65ps , 有3次采样能力。
测量范围：2×Tref～4ms 间隔脉冲对的分辨率为2xTref, 可选上升/下降沿触发。
ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能。
在测量范围 2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔, 分辨率保持不变。
在此模式下, TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔, 仅仅测量从START
和STOP 到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间( fine- counts )。
在两次精密测量之间, TDC记下基准时钟的周期数( coars e- count)。
测量单元由START信号触发, 接收到STOP 信号停止。
由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出START信号和STOP 信号之间时间间隔, 测量范围可达26 位。
3.8.10应用举例
1．反射式脉冲激光测距
本实例实现了1m 到100m 之内的精确测距, 精度达到了1cm, 按键按一次测量一次距离, 可以连续测量, 并将测量结果在LCD 上显示出来。
由于脉冲激光发射器的功率决定了测量距离, 同时, 在接收反射回来的脉冲激光时有干扰信号, 因此脉冲激光发射接收系统的好坏直接决定了系统的工作性能。
如何排除接收脉冲激光的干扰信号也是非常关键的。
2．GPS接收机授时性能测试。
TDC-GP22用户手册
模拟输入电路
斩波稳定低漂移比较器,可编程offset,±35 mV 第一个波检测: 在第一波检测后比较器自动调整
offset到0,可以选择相对于第一个波的测量回波 第一个波脉冲宽度测量用于信号质量检测以及气
泡的检测 用于输入选择的内部集成模拟开关 外部电路仅需要2个电阻和2个电容
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2-1
时间数字转换器
TDC-GP22
2
特性和规格
2.1
电气特性
绝对最大额定值
供电电压
Vcc vs. GND
时间数字转换器
临时数据手册
TDC-GP22
超声波热表水表特定双通道时间数字转换器
2012年1月26日 版本号码.: DB_GP22_cn V0.1
时间数字转换器
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2
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TDC-GP22
目录
1 概述
2 特性和规格
3 配置 & 读寄存器
4 前端转换器
5 详细描述和特殊功能 6 应用 7 其它
- 0.3 到 4.0
V
Vio vs. GND
浅谈质谱的检测器：电子倍增器(CEM)
在质谱分析过程中，质量分析器（如四极杆分析器）只知道，哪种m/z 的离子通过分析器，却不知道这种m/z的离子数量有多少。
而检测器则相反，它并不知道哪种m/z的离子通过了分析器，但知道通过分析器的离子有多少。
通过仪器的数据处理系统，我们就能同时知道：每种m/z离子的数量有多少。
检测器也被称为倍增器，因为它们会倍增（放大）到达检测器表面的离子所产生的极低电流。
离子从离子源通过分析器到达检测器构成离子电流。
大多数质谱仪的离子电流在10-9到10-16A（安培）之间。
只要特定m/z 值的离子持续到达检测器，小电流就能被放大，从而增加该m/z 值的信号。
光电板检测器具有重要的历史意义，因为它们首次（由汤姆逊于1911年首次）用于检测正射线仪器中的离子。
光敏乳剂由明胶中的溴化银晶体悬浮液组成，在玻璃板上形成一层薄膜。
感光乳剂是收集器-转换器-记录器的复合体。
高能离子撞击表面后，会发生化学放大作用，在感光乳剂上形成潜像。
根据线条的位置和强度（黑度）可确定质量及其丰度。
在双聚焦磁性分析仪中，所有分辨出的离子束同时沿焦平面聚焦。
其优点是能够同时高分辨率地记录数百个不同m/z值的离子束。
缺点是灵敏度低（检测限需要104个离子）、非线性响应以及需要昂贵的密度计。
光电板已被作为电子光电板的单个探测器阵列所取代。
电子倍增器（CEM）第一个电子离子检测器是法拉第杯（Faraday Cup）。
它由一个金属容器组成，来自质量分析仪的离子在其中放电并产生电流。
法拉第杯虽然简单，而且能够非常精确地操作，但只在有足够样品的特定应用中使用，因为它无法放大每个到达离子所带的极小电荷产生的信号；也就是说，法拉第杯是一个检测器，而不是一个倍增器。
▲图1. 法拉第杯示意图为了提高检测灵敏度，需要进行多个放大步骤。
首先，信号在检测器内被放大，然后在真空腔外进行电子放大，最后由数据系统记录。
放大离子相关电流的检测器（电子倍增器）有多种形式，包括分离式打拿极电子倍增器、连续式打拿极电子倍增器和微通道板（MCP）检测器。
TDC-GP21用户手册
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Time-to-Digital-Converter
TDC-GP21
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TDC-GP21
1
概述
TDC-GP21为TDC-GP2的下一代升级产品.这颗芯片提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能,
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时间数字转换器
TDC-GP21
符号
终端
内部施密特触发器 外部施密特触发器2
单位
增益漂移 vs. Vio
时间数字转换器
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TDC-GP21
通用双通道
时间数字转换器
2010年11月24日 版本号: DB_GP21_cn V1.0
TDC
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TDC-GP21
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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。
TDC_GP21中文数据手册
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TDC-GP21
1
概述
TDC-GP21为TDC-GP2的下一代升级产品.这颗芯片提供了对于TDC-GP2的管脚完全兼容的功能,
0.06
0.04
0,02% < 0.01%
0.012 0.0082
单位 Bit dB
%/V %/10 K
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
1-1
2-1 2-2 2-3 2-6 2-7 2-8
3-1 3-11 3-13 3-14
4-1 4-7 4-14 4-16
5-1 5-4 5-7 5-7
6-1
7-1
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如果应用tdcgp21的模拟部分那么一个超声波热量表的典型测量功耗可以下降到22ua11特性测量范围2?单通道90ps典型精度?双精度模式45ps四精度模式22ps?测量范围500ns到4ms?2xclkhs脉冲最小间隔最多可以接受3个脉冲?3个脉冲每个都可以设定精准的时间窗口窗口精确度达10ns模拟输入部分?斩波稳定低噪声比较器?2个模拟开关作为输入选择?外部电路仅需要2个电阻和2个电容特殊功能?脉冲产生器可以产生最多127个脉冲?可以选则上升沿和或下降沿敏感?通过窗口功能精确接受stop脉冲?低功耗32khz振荡器500na?时钟标定单元?7x32位eeprom温度测量单元?2或4个传感器?pt500pt1000或者更高?集成的施密特触发器?应用外部施密特触发器为16位有效精度对于铂电阻来说0004c分辨率应用内部集成低噪声施密特触发器为17
fpga实现tdc的设计 开题报告
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FPGA实现TDC设计的意义
• 随着IC制造工艺的不断进步，以FPGA（field programmable gate array）和CPLD（complex programable logic device）为代表的可编程逻辑器件 迅速发展起来，逐步蚕食ASIC在IC市场中的份额。 • 众所周知，基于PLD的设计可以有效缩短研发周期， 提高设计灵活性和可靠性，降低设计成本，且无流片 风险。成功设计的IP核（intellectual property core）， 与工艺相对独立，可灵活移植到其他SOC，使得设计 的再利用变得十分方便。
© Synopsys 2012
7
改进的TDC延迟线结构 高精度时间间隔测量方法
两组 迟单 同 迟线组 ，其 Start 迟线单 Stop 迟时间，这样可 得 样 度变为两 单
迟时间大 迟时间 。
© Synopsys 2012
8
测量数据的处理
• 假如如延迟线有128个延迟单元，即2的7次方，其中触发器Q值为1 的个数就是时间测量采样的值，但它不是我们需要的二进制数据， 需要进一步处理。 • 可以想象用数字编码器结构来实现，可以将128位的数据变成七位 或者八位的二进制数。
Hale Waihona Puke © Synopsys 2012
4
时钟周期计数法
© Synopsys 2012
5
时间数字转换法（TDC技术）
• TDC技术是建立在R.Nutt在1968年提出的延迟线结构 基础之上的，早期用同轴线来实现延迟线，为了实现 高精度，通常需要众多的接头，电路很庞大，然而随 着集成电路的发展，这种结构的计时器被移植到IC上， 得到迅速推广。 • 根据我的理解，TDC技术主要有两大部分组成，第一 个是时间转换电路，用延迟线结构可以实现，第二是 编码电路，是将所得的采样数据变为二进制码，即输 出电路
一种“死时间”少和自动校准容易的Wave Union TDC
一种“死时间”少和自动校准容易的Wave Union TDC作者：许林周磊来源：《软件导刊》2016年第07期摘要摘要：编码复杂的Wave Union决定了时间数字转换器的“死时间”。
如选择合适的发射器延时单元个数，改Wave Union A的单次发射为连续发射就形成了新的Wave Union C （WUC）。
采用Wallace树和ROM结构的WUC编码器使用资源少、延时路径短，在Altera 的EP3C10E144C8中，时钟频率为400MHz，延时链长度为80的情况下，仅使用了166个逻辑单元，编码时间为2.089ns。
WUC实时自动校准避免了全延时链的按位校准，只需对发射器内的延时单元进行校准，且实时自动校准在硬件上只需提供一个不随外界温度和电压变化的TDC时钟且延时链长度增加1倍即可。
关键词关键词：时间数字转换器；Wave Union C；Wallace 树；ROM结构；实时自动校准DOIDOI：10.11907/rjdk.161396中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）0070024040引言Wave Union方法可以提升时间数字转换器（Time Digital Converter，TDC）的时间分辨率至单元延时以下。
Wave Union A（WUA）和Wave Union B（WUB）原理分别如图1（a）和（b）所示，优点是利用一个tosc内跳变沿之间的关系，便可完美地解决首个跳变沿处于延时链超宽位内带来的测量误差问题，并消除由于亚稳态、噪声或时钟网络延时网络不对称等造成的“bubble”现象。
最大的挑战是针对锁存延时链得到的非温度计码的编码器设计问题，更短的编码时间意味着可以实现TDC的连续测量以及更短的延时链长度、更长的TDC时钟周期、更低的TDC通道资源使用量。
为了消除温度和电压变化对TDC测量精度的影响，采用了占用大量硬件资源的实时按位校准方法。