皮秒级多脉冲时间间隔大量程时间测量系统设计

来源:电子技术应用ChinaAET发布时间:2022-12-032184浏览

作者：刘琛昊1，金革2作者单位：1.中国科学技术大学微电子学院，安徽合肥230026；2.中国科学技术大学近代物理系，安徽合肥230026。摘要：时间测量技术在激光测距、粒子鉴别、放射性核医学工程等领域中都有重要应用。本设计采用基于Altera公司的FPGA EP3C55F484C6结合时间内插技术来实现较高精度的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)。通过结合上位机，实现单次测量一个Start脉冲对应的多个Stop脉冲的个数可调，可以解决一次测量中有多个待测目标时需反复多次测量的问题。经过测试，设计分辨率可以达到90.08 ps，测量精度可以达到33.54 ps，积分非线性INL范围是(-0.34 LSB~+0.27 LSB)，微分非线性DNL范围是(-0.28 LSB~+0.31 LSB)。引言：
科学实验中许多信息是以时间信息方式存在于探测器的输出信号中，典型的例子如飞行时间测量(Time of Flight，TOF)：发射端发射信号到待测物体后，被反射回探测器，通过对往返时间间隔进行分析，可以得到距离信息，而所测得时间精度也就决定了TOF系统的精度[1]。而时间数字转换器则是在时间分析中使用较多的测量手段[1-2]。在传统的实验中，若存在多个待测物体，探测器会收到多个信号，需进行多次测量，增加实验的复杂度，且无形中增加实验成本。针对这一情况，本文设计了在一次测试中，一个“开始”信号可以对应多个“停止”信号进行测量的时间数字转换系统。数字型时间数字转换相对模拟型的转换方法具有稳定性高、调试方便等优势；而数字器件中FPGA相对ASIC具有制造周期短、成本低、调试方便等优势，同时是可编程的逻辑列阵，能够有效地解决原有的器件门电路数较少的问题。它能够满足几乎所有应用门阵列和中小规模的集成电路，编程灵活同时开发方便，可以实现在线、实时验证的要求[3-4]。本文以FPGA为核心器件，根据TDC的基本原理，以实现时间间隔测量为最终目的搭建系统，同时完成多脉冲时间间隔测量的功能，可以满足实验中更多样性的测量需求，也在其他高精度时间测量场合中具备应用前景。文章来源：《电子技术应用》杂志10月刊点击下方阅读原文，下载论文PDF