專題---TDC時(shí)間轉(zhuǎn)換技術(shù)

1、TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)及應(yīng)用華中科大自動(dòng)化學(xué)院測(cè)量系張洪1. TDC的概念TDC:Time-to-Digital Converter “時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)” or “時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器” 用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)間事件間的間隔2.TDC技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 TDC技術(shù)廣泛的應(yīng)用于時(shí)頻測(cè)量、航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)定位、激光測(cè)距、核物理和粒子物理探測(cè)等領(lǐng)域，并且這些領(lǐng)域的先進(jìn)水平與時(shí)間間隔測(cè)量的精度密切相關(guān)。 本課程中的科式流量計(jì)相位差測(cè)量、超聲流量計(jì)、行程回差式物位計(jì)（超聲、雷達(dá)、激光）等也將應(yīng)用。2.TDC技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域高精度的時(shí)間間隔測(cè)量要求達(dá)到皮秒（ps）水平ps是什么概念？ 1秒=10-12秒 如果用激光測(cè)距

2、光速為： 299792.458Km/s=299792458m/s 要達(dá)到1cm的精度，需要時(shí)間測(cè)量精度為：1100(299792458)=3.3356410-11秒=33.3564皮秒3.TDC原理 傳統(tǒng)的時(shí)間差測(cè)量采用模擬的方法： 時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法 *需要用ADC把模擬量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 數(shù)字法實(shí)現(xiàn)TDC也有多種方法： 直接計(jì)數(shù)法、游標(biāo)法、抽頭延遲線法、差分延遲線法等3.TDC原理 1）直接計(jì)數(shù)法 待測(cè)時(shí)間為T(mén)，參考時(shí)鐘周期為T(mén)0，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為M，則： 實(shí)際測(cè)得時(shí)間間隔為： 測(cè)量誤差為：3.TDC原理 1）直接計(jì)數(shù)法 基于直接計(jì)數(shù)法的測(cè)量分辨率和測(cè)量精度由參考時(shí)鐘信號(hào)的頻率和

3、頻率穩(wěn)定度決定 時(shí)鐘信號(hào)的溫度漂移、時(shí)間漂移影響 時(shí)鐘頻率過(guò)高(10GHz)，會(huì)引入很大的時(shí)鐘抖動(dòng)，增大測(cè)量誤差3.TDC原理2）游標(biāo)法 *類似游標(biāo)卡尺類似游標(biāo)卡尺 的工作原理的工作原理a）T1和T2是兩個(gè)周期相差很小的時(shí)鐘信號(hào)：T1T2b）啟動(dòng)信號(hào)START啟動(dòng)T1的計(jì)數(shù)c）停止信號(hào)啟動(dòng)T2的計(jì)數(shù)d）對(duì)T1和T2的計(jì)數(shù)直到T1和T2邊沿重合，則有：3.TDC原理2）游標(biāo)法 測(cè)量電路測(cè)量電路誤差影響：要求T1和T2具有高穩(wěn)定性與高可靠性； 待測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，精度難以保證；擴(kuò)展：增加測(cè)量范圍的同時(shí)提高精度 多層次測(cè)量法，多維延時(shí)矩陣法，循環(huán)游標(biāo)延遲鏈法等3.TDC原理2）抽頭延遲線法 原理：每個(gè)觸

4、發(fā)器傳輸延時(shí)時(shí)間為 ； 啟動(dòng)信號(hào)START在觸發(fā)器間傳輸時(shí)，被STOP信號(hào)鎖存； Q1QN指示出START信號(hào)傳輸?shù)奈恢?，?110000，表示 START信號(hào)傳輸了3個(gè)觸發(fā)器 設(shè)傳輸門(mén)數(shù)量為n，則被測(cè)時(shí)間間隔為3TnT 3.TDC原理2）抽頭延遲線法其他類型的電路 3TnT 3.TDC原理2）抽頭延遲線法 nT 影響因素：傳輸延時(shí)時(shí)間 是否精確決定了測(cè)量的精度和分辨率； 一般觸發(fā)器的延時(shí)時(shí)間在納秒（ns）級(jí) 3.TDC原理3）差分延遲鏈法 原理：START信號(hào)延遲鏈： STOP信號(hào)延遲鏈： 二者需要滿足： ？ 設(shè)延遲鏈門(mén)電路數(shù)量為n，則被測(cè)時(shí)間間隔為)(12 nT12123.TDC原理3）差

5、分延遲鏈法 特性：測(cè)量的穩(wěn)定度則由兩條延遲鏈的延遲一致性決定)(12 nT4.TDC實(shí)現(xiàn)方法目前TDC實(shí)現(xiàn)方法有兩種： 專用芯片實(shí)現(xiàn)：ASIC-TDC 可編程邏輯：FPGA-TDC基本特點(diǎn)ASIC-TDC設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高，信號(hào)延遲固定，可獲得較高精度；FPGA-TDC成本低，靈活，延遲一致性難以保證；4.TDC實(shí)現(xiàn)方法ASIC-TDC實(shí)現(xiàn) 該該TDC實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)20ps分辨率分辨率4.TDC實(shí)現(xiàn)方法ASIC-TDC實(shí)現(xiàn)*即使專用芯片延遲單元時(shí)間可控，但延遲時(shí)間依然收到溫度和電壓的影響 4.TDC實(shí)現(xiàn)方法FPGA-TDC的實(shí)現(xiàn)FPGA：可編程門(mén) 陣列器件成本低； 開(kāi)發(fā)周期短； 設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)； 收布

6、線策略影響 延遲時(shí)間不容易控制 一致性較差 該該TDC實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了200ps分辨率分辨率FPGA-TDC實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)50ps以下分辨率就比較難了以下分辨率就比較難了5.TDC芯片及應(yīng)用實(shí)例ACAM公司TDC芯片： TDC-GP1， TDC-GP2(65ps)， TDC-GPX(10ps)， TDC-GP21（熱能表） TDC-GP22（超聲水表）5.TDC芯片及應(yīng)用實(shí)例 TDC-GP1主要應(yīng)用于超聲波流量?jī)x超聲波流量?jī)x、高能物理和核物理、各種手持/機(jī)載或固定工的高精度激光測(cè)激光測(cè)距儀距儀、激光雷達(dá)激光雷達(dá)、激光掃描儀、CDMA無(wú)線蜂窩系統(tǒng)無(wú)線定位、超聲波密度儀、超聲波厚度儀、渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、張力計(jì)、磁致伸縮傳感器、飛行時(shí)間譜儀、天文的時(shí)間間隔觀測(cè)、頻頻率和相位信號(hào)分析率和相位信號(hào)分析等高精度測(cè)試領(lǐng)域。 TDC-GP22應(yīng)用于超聲水表的樣例5.TDC芯片及應(yīng)用實(shí)例 TDC-GP2