高精度時(shí)間測(cè)量電路與實(shí)現(xiàn)

李范益 蔣安平

摘要：本文介紹了不同類型的時(shí)間測(cè)量方法，討論了實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量所采用的電路與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過這些方法可以實(shí)現(xiàn)皮秒(ps)級(jí)的時(shí)間測(cè)量，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

關(guān)鍵詞：時(shí)間測(cè)量；TDC；抽頭延遲線法；游標(biāo)法；電容充放電法

引言

時(shí)間作為一個(gè)基本物理量，在空間探索、高能物理、遙感遙測(cè)以及對(duì)流量、距離的測(cè)量等方面都有著極其重要的作用。本文討論的時(shí)間測(cè)量是指對(duì)一個(gè)時(shí)間段的量度，也就是要完成從開始信號(hào)start到結(jié)束信號(hào)stop之間的時(shí)間間隔測(cè)量。通過電子電路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量的方法有多種、此類電路的名稱也很多，包括時(shí)間間隔表(TIM)、時(shí)間數(shù)字化器(timedigitizer)、時(shí)間計(jì)數(shù)器(TC)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等，目前比較常用的名稱是TDC。TDC電路有不同的原理和實(shí)現(xiàn)方法，目前常見的方法包括抽頭延遲線法、游標(biāo)法及電容充放電法等。

基于時(shí)鐘脈沖的時(shí)間測(cè)量

最簡單的TDC電路就是通過時(shí)鐘信號(hào)對(duì)要計(jì)量的時(shí)間范圍進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值來計(jì)算時(shí)間值，這種方法就是直接計(jì)數(shù)法，其時(shí)間計(jì)量的最小分辨率是用于計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期。為了提高測(cè)量分辨率只能提高時(shí)鐘的頻率，但由于超高頻率時(shí)鐘信號(hào)的生成和穩(wěn)定傳輸都比較困難，所以通過這種方法很難實(shí)現(xiàn)ps級(jí)的精密測(cè)量，這一弱點(diǎn)使得它無法在需要精密時(shí)間測(cè)量的場(chǎng)合使用。但這種方法經(jīng)?？梢院秃竺娼榻B的其他測(cè)量方法結(jié)合起來使用，互相取長補(bǔ)短。

基于抽頭延遲線法的時(shí)間測(cè)量

抽頭延遲線法的原理是使被測(cè)量的開始信號(hào)通過延遲線進(jìn)行傳輸，通過抽頭信號(hào)探測(cè)它在被測(cè)量時(shí)間段內(nèi)傳遞到的位置，從而判斷時(shí)間測(cè)量的結(jié)果。相鄰抽頭之間的信號(hào)延遲時(shí)間就是測(cè)量的最小分辨率。在電路中實(shí)現(xiàn)時(shí)，延遲線一般是通過延遲單元構(gòu)成的，測(cè)量的分辨率就是這些單元的延遲時(shí)間。在集成電路中、通常采用的電路單元是反相器，目前常用的集成電路工藝條件下這個(gè)延遲時(shí)間可以做到大約10¹～10²ps量級(jí)，對(duì)于大多數(shù)測(cè)量來說，這樣的分辨率已經(jīng)可以滿足要求了。

一種基本的抽頭延遲線法時(shí)間測(cè)量電路如圖1所示。其中在抽頭處使用停止信號(hào)對(duì)經(jīng)過延遲線傳輸?shù)拈_始信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果Q0～Qn(溫度計(jì)型編碼)就可以知道開始信號(hào)經(jīng)過被測(cè)時(shí)間段傳遞到的位置，由此可以根據(jù)每個(gè)單元的延遲時(shí)間τ計(jì)算出被測(cè)的時(shí)間間隔。抽頭延遲線法的量程由延遲線的長度(延遲單元的數(shù)量)決定。這種結(jié)構(gòu)是構(gòu)成很多時(shí)間測(cè)量電路的基礎(chǔ)，通過與其他技術(shù)結(jié)合可以形成不同的實(shí)用電路形式。

基于游標(biāo)法的時(shí)間測(cè)量

時(shí)間測(cè)量也可以采用類似機(jī)械游標(biāo)卡尺的方法。它使用兩條延遲線，其中單元的延遲時(shí)間分別為τ1和τ2，τ1和τ2之間有微小但固定的延遲差別，通過這兩條延遲線分別對(duì)開始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)進(jìn)行傳遞、檢測(cè)開始與結(jié)束信號(hào)在傳遞過程中什么時(shí)候重合，通過重合點(diǎn)的位置即可得到開始與結(jié)束之間的時(shí)間差?；镜挠螛?biāo)法時(shí)間測(cè)量電路原理如圖2(a)所示，其中通過觸發(fā)器采樣進(jìn)行開始與結(jié)束信號(hào)是否重合的比較。另有一些設(shè)計(jì)中采用了專門的信號(hào)重合檢測(cè)電路代替觸發(fā)器，一種信號(hào)重合檢測(cè)電路形式如圖2(b)所示，根據(jù)這種電路的兩個(gè)輸出信號(hào)輸出1和輸出2可以判斷信號(hào)到達(dá)的先后次序，實(shí)現(xiàn)重合的判斷。

在基本的游標(biāo)法時(shí)間測(cè)量電路中，當(dāng)檢測(cè)到經(jīng)過延遲線傳輸后的開始與停止信號(hào)在某點(diǎn)發(fā)生重合時(shí)，在Tstop－Tstart<τ1的情況下通過計(jì)算可以知道：

Tstop－Tstart=(n－1)x(τ1－τ2)其中n是經(jīng)過的比較級(jí)數(shù)。

這種測(cè)量方法的分辨率是兩條延遲線中延遲單元的時(shí)間差，即(τ1－τ2)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)要保證τ1>τ2。其量程由延遲單元數(shù)量和τ1、τ2共同決定?？梢钥闯鲞@種方法能夠?qū)崿F(xiàn)比抽頭延遲線法更高的測(cè)量分辨率，前提是保證用于測(cè)量的兩條延遲線中的單元有穩(wěn)定的延遲，為了達(dá)到這一目標(biāo)常常通過PLL或DLL來產(chǎn)生具有穩(wěn)定延遲的延遲線。

基于電容充放電法的時(shí)間測(cè)量

基于電容充放電法的時(shí)間測(cè)量是利用恒流源在被測(cè)量時(shí)間段內(nèi)對(duì)一個(gè)電容充電，之后的處理方法又分成兩種：一種測(cè)量方法是利用兩個(gè)恒流源，其中一個(gè)用于電容充電，另一個(gè)用于電容放電但是比充電恒流源小得多，開始測(cè)量時(shí)在被測(cè)時(shí)間段內(nèi)用充電恒流源對(duì)電容進(jìn)行充電，然后用放電恒流源對(duì)剛進(jìn)行充電的電容進(jìn)行放電，充電電流和放電電流的比值決定了充電時(shí)間與放電時(shí)間的比值，通過這種方法實(shí)現(xiàn)被測(cè)時(shí)間段的放大。經(jīng)過放大的時(shí)間可以采用分辨率更低也更容易實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行計(jì)量。這種方法的原理如圖3所示，圖中左上角給出了進(jìn)行充放電的波形。這種方法要求用于充電的恒流源I1遠(yuǎn)大于用于放電的恒流源I2，假定I1與I2的比值為K?？梢钥闯觯?/p>

Tr／T=(I1-I2)／I2=K-1

所以被測(cè)量時(shí)間段的放大倍數(shù)是由I1與I2的比值K決定的。這種測(cè)量方法的分辨率由充放電恒流源的精度、電流大小的比值和用于放電結(jié)束判斷的電壓比較器精度共同決定。

另一種測(cè)量方法是在被測(cè)時(shí)間段內(nèi)完成電容充電后，直接使用ADC對(duì)電容上的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果即可計(jì)算出充電的時(shí)間。它的原理如圖4所示。與前面通過放電實(shí)現(xiàn)時(shí)間放大的方法相比，這種方法可以完成更高速的測(cè)量。它的測(cè)量精度由充電恒流源和ADc的精度決定。

其他類型的時(shí)間測(cè)量

在時(shí)間測(cè)量中還有一些其他的電路形式。例如，文獻(xiàn)[6]采用了時(shí)間間隔放大電路來完成時(shí)間的放大，從而實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間測(cè)量。這種時(shí)間放大電路形式如圖s所示。通過它的放大可以把一個(gè)微小的時(shí)間間隔信號(hào)放大成一個(gè)比較容易測(cè)量的信號(hào)、從而可以提高測(cè)量的精度。按照[6]中的介紹，它具有類似普通放大器對(duì)電壓的放大功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間間隔的放大。

結(jié)語

本文討論了高精度時(shí)間測(cè)量電路TDC的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中上述各種方法常常是結(jié)合使用的，目前可以實(shí)現(xiàn)Ps級(jí)的時(shí)間測(cè)量，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同需要采用不同的形式來滿足測(cè)量的要求。隨著儀器儀表的更新和電子技術(shù)的發(fā)展，TDC電路也在不斷開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，并將得到更廣泛的應(yīng)用。