三種TDC電路的原理和實現辦法

本文解析了不同類型的時間測量辦法，討論了實現高精度時間測量所采用的電路與實現技術。通過這些辦法可以實現皮秒(ps)級的時間測量，滿足不同使用場合的需求。時間作為一個基本物理量，在空間探索、高能物理、遙感遙測以及對流量、距離的測量等方面都有著極其緊要的作用。本文討論的時間測量是指對一個時間段的量度，也就是要完成從開始信號start到結束信號stop之間的時間間隔測量。通過電子電路實現高精度時間測量的辦法有多種，此類電路的名稱也很多，包括時間間隔表(TIM)、時間數字化器(TImedigiTIzer)、時間計數器(TC)、時間數字轉換器(TDC)等，目前比較常用的名稱是TDC[1~2]。TDC電路有不同的原理和實現辦法，目前常見的辦法包括抽頭延遲線法、游標法及電容充放電法等。

基于時鐘脈沖的時間測量

最簡單的TDC電路就是通過時鐘信號對要計量的時間范圍進行采樣計數，依據計數值來計算時間值，這種辦法就是筆直計數法，其時間計量的最小辨別率是用于計數的時鐘周期。為了提高測量辨別率只能提高時鐘的頻率，但由于超高頻率時鐘信號的生成和穩定傳輸都比較困難，所以通過這種辦法很難實現ps級的精密測量，這一弱點使得它無法在需要精密時間測量的場合使用。但這種辦法常常可以和后面解析的其他測量辦法結合起來使用，互相取長補短。

基于抽頭延遲線法?的時間測量

抽頭延遲線法的原理是使被測量的開始信號通過延遲線進行傳輸，通過抽頭信號檢測它在被測量時間段內傳遞到的位置，從而判斷時間測量的結果。相鄰抽頭之間的信號延遲時間就是測量的最小辨別率。在電路中實現時，延遲線一般是通過延遲單元構成的，測量的辨別率就是這些單元的延遲時間。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延遲時間可以做到約莫101~102ps量級，對于大多數測量來說，這樣的辨別率已經可以滿足要求了。

一種基本的抽頭延遲線法時間測量電路如圖1所示。其中在抽頭處使用停止信號對經過延遲線傳輸的開始信號進行采樣，依據采樣結果Q0~Qn(溫度計型編碼)就可以了解開始信號經過被測時間段傳遞到的位置，由此可以依據每個單元的延遲時間τ計算出被測的時間間隔。抽頭延遲線法的量程由延遲線的長度(延遲單元的數量)決定。這種結構是構成很多時間測量電路的基礎，通過與其他技術結合可以形成不同的實用電路形式。

基于游標法的時間測量

時間測量也可以采用類似機械游標卡尺的辦法。它使用兩條延遲線，其中單元的延遲時間分別為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開始信號與結束信號進行傳遞，測試開始與結束信號在傳遞過程中什么時候重合，通過重合點的位置即可得到開始與結束之間的時間差。基本的游標法時間測量電路原理如圖2(a)所示，其中通過觸發器采樣進行開始與結束信號是不是重合的比較。另有一些設計中采用了專門的信號重合測試電路代替觸發器，一種信號重合測試電路形式如圖2(b)所示[3]，依據這種電路的兩個輸出信號輸出1和輸出2可以判斷信號到達的先后次序，實現重合的判斷。

在基本的游標法時間測量電路中，當測試到經過延遲線傳輸后的開始與停止信號在某點發生重合時，在TstopTstart<τ1的情況下通過計算可以了解：

Tstop-Tstart=(n-1)(τ1τ2)

其中n是經過的比較級數。這種測量辦法的辨別率是兩條延遲線中延遲單元的時間差，即(τ1τ2)，在電路設計時要保證τ1>τ2。其量程由延遲單元數量和τ1、τ2共同決定。可以看出這種辦法能夠實現比抽頭延遲線法更高的測量辨別率，前提是保證用于測量的兩條延遲線中的單元有穩定的延遲，為了達到這一目標經常通過pLL或DLL來萌生具有穩定延遲的延遲線[4-5]。

基于電容充放電法的時間測量

技術專區三極管2N3055組成的簡易DCDC降壓電路圖（電感降壓式/線性穩壓電智能控制有源鉗位反激A/D轉換電路圖大全（五款A/D轉換電路設計原理圖詳解）Dialog公司USBpD芯片組被Hosiden最新智能手機電源適配器采用TI推出業內最小、最快的GaN驅動器，擴展其GaN電源產品組合

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除