（物理电子学专业论文）高精度时间间隔测量芯片的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 论文采用t d c ( t i m et od i g i t a lc o n v e r t e r ) 方法设计了一款单通道，测量精度为 3 0 0 p s ，测量范围为1 i t s 2 0 m s ，响应时间小于1 m s 的高精度时间间隔测量芯片。芯片的 核心是基于抽头延迟线法的时间间隔测量环路，采用固定延时的反相器作为测量电路的 基本单元，并由多个反相器构成一个测量环路。测量数据经过缸u ( a r i t h m e t i cl o g i c u n i t ) 计算后存储到芯片内部的寄存器单元中，并通过内部集成的一个s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 接口与芯片外部进行数据交互。 论文阐述了芯片的整体设计原理，并详细介绍了各个模块电路的工作原理。首先介 绍了时间间隔测量芯片的核心电路一基于抽头延迟线方法的振荡环路，然后详细介绍 了s p i 接口电路和寄存器电路的设计，所有电路都使用h s p i c e 软件进行仿真，仿真结果 达到预期的设计目标。 芯片采用无锡上华公司的0 5t t m 、三层金属、两层多晶硅的n 阱c m o s 工艺进行 了版图设计，管芯面积为7 1 5 m m 2 ，并在无锡上华成功流片。芯片采用4 0 d i p 进行封 装，经测试芯片的测量精度达到3 0 0 p s ，测量范围为1i t s 2 0 m s ，响应时间小于1 m s ，各 项指标均达到了预期的设计目标。 由于采用反相器作为最小的延时单元，而该单元的延时严重依赖于加工工艺，因此 采用单振荡环路设计方法芯片的精度很难有大的提高，为了提高精度必须采用更加精细 的加工工艺。为了得到更高的测量精度和减小测量精度对半导体加工工艺的依赖，可以 采用差分延迟线法进行设计，通过采用多条延时链之间的延时差作为最小的延时单元， 论文中介绍了一种典型的差分延迟线方法的基本原理。 关键词：抽头延迟线；t d c ；s p i 接口 高精度时间间隔测量芯片的研制 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fa h i g hp r e c i s i o nc h i pf o rt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t a b s t r a c t t i m em e a s u e m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，e s p e c i a l l y i nt h es c i e n t i f i c , m i l i t a r ya n di n d u s t r i a lf i e l d s i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft i m e m e a s u r e m e m ，t h et a p p e dd e l a yl i n em e t h o di su s e dt od e v e l o pt h et d cc h i p i tu s e sc m o s i n v e r t e ra st h eb a s i cd e l a y ，w h i c hi sv e r ys m a l li nc m o st e c h n o l o g y n cc o r eo ft h i sc h i pi s f o r m e do f3 1i n v e r t e r s i no r d e rt os i m p l i f yt h eu s a g eo ft h ec h i p ，as p ii n t e r f a c ea n d6 4b y t e s o fr e g i s t e r sa r ei n t e g r a t e di n s i d et h ec h i p 1 1 1 er e g i s t e r sa r eu s e dt os t o r et h er e s u l to f m e a s u r e m e n t ，a n dw i t ht h eh e l po ft h es p ii n t e r f a c e ，i tb e c o m e sv e r ye a s yt oe x c h a n g ed a t a a f t e rd e s c r i b i n gt h el o g i cd i a g r a mo ft h ec h i p ，e v e r ym o d u l eo ft h ec h i pi si n t r o d u c e di n d e t a i l ，f r o mc i r c u i td e s i g nt os i m u l a t i o na n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nm e e tt h ed e s i g n d e s t i n a t i o n t h el a y o u to ft h et d c c h i pi sd e s i g n e dw i t h0 5p m ，t h r e em e t a la n d t w op l o yc m o s t e c h n o l o g yo fs h a n g h u ac o m p a n y ，a n di sf a b r i c a t e di ns h a n g h u ac o m p a n y t h ep a c k a g eo f t h ec h i pi s4 0 一d i p t h ep r e c i s i o no ft h ec h i pc a nr e a c ha sh i g ha s3 0 0 p s ，t h em e a s u r e m e n t r a n gi sf r o m1 “st 02 o m s ，a n dt h ed e a dt i m ei sl e s st h a nl m s t h e r ea l ea l s os o m ep r o b l e m sn e e dt os o l v e a b o v ea l l ，t h ep r e c i s i o nd e p e n d so nt h e t e c h n o l o g y u s e d i no r d e rt od e v e l o pam e t h o dw h i c hh a sl i t t l et od ow i t hm a n u h c t u r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，an e wm e t h o dw i t ht w od e l a yl i n e si sr a i s e d n eb a s i cd e l a y so ft h e t w od e l a yl i n e sa l en o tt h es a m e ，t h e r ei sa v e r ys m a l ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w od e l a yl i n e s ， a n dt h i sd i f f e r e n c ei su s e da st h es m a l l e s ts t e po fm e a s u r e m e n t t h i sm e t h o di si n t r o d u c e di n t h ee n d k e yw o r d s ：t a p p e dd e l a yl i n em e t h o d ：t d c ；s p ii n t e r f a c e 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 壶掐筮立! 宴固涵啦签姿盟叠纠 善麓一 蒜兰辜盏詈 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他己申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：鸯绮盘亟圃圆函巴龌芟绉鲶叠到 作者签名一_ 卒五k 一一 日期丝! ； 年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 引言 时间间隔测量在很多领域有着广泛的应用。高精度的时间间隔测量技术，尤其是皮 秒量级的测量技术尤为重要，它不仅在原子物理、天文实验、激光测距、定位定时、航 天遥测遥控等方面，还在自动检测设备，以及数字通信中的角度调制信号解调和数字示 波器等领域有着广泛的应用。此外，时间间隔测量技术在日常生活、工业生产以及军事 国防等方面也发挥着重要的作用。对日常生活来说，时间的概念一般精确到分钟或秒就 足够了，即使在卫星导航应用方面，时间测量精确到纳秒也已经完全满足需求。但是在 很多大型物理实验、国防和工业生产中，时间间隔测量作为一种重要的鉴别和探测手段， 对精度要求非常严格，己经达到纳秒量级，有的甚至己经到皮秒量级。因此，提高时间 测量的精度成为很多方面孜孜以求的目标。 高精度时间测量是由多学科、多技术领域交叉形成的一门专业技术学科，包含了材 料、物理、数学、电路、信号处理和检测技术等内容。近年来，高精度的时间间隔测量 技术发展迅速。一方面，时间频率测量技术的发展推动了工业技术的提高，而另一方面， 工业技术的提高又对时间间隔测量技术提出了更加严格的要求。a s i c 技术的迅速发展 为这一传统领域带来了新的变化，本论文采用a s i c 技术实现了一款高精度的时间间隔 测量芯片。 传统的精密时间间隔测量技术大致可以分为以下几类：基于计数技术、标尺技术、 脉冲交叠技术和电流积分技术。这些技术由于稳定性差、精度低、集成度低以及高功耗 等缺点已经不能够满足市场的需求。随着集成电路技术的发展，出现了时间数字转换技 术，即t d c 技术，该技术是将携带时间信息的模拟信号转换为数字信号，从而实现对 时间信息的测量。 早期t d c 电路通常由印刷线路板上的分立元件组成，且通常是模拟数字混合电路。 由分立元件组成的t d c 电路功耗高，面积大，稳定性差。随着超大规模集成电路v l s i 技术的迅速发展出现了高精度的t d c 芯片，在保持t d c 原有的高分辨率的前提下提高 了集成度，降低了功耗，并大大减小了电路的面积。该类芯片已广泛应用于物理实验、 工业测量以及军事国防当中，成为当今时间测量领域的主流。 美、日、欧等国家均对时间间隔测量技术作了大量研究，他们利用在集成电路领域 的优势，发展了大量成熟的精确测量时间间隔的技术，用i c 实现了t d c 。美国唧 ( p r e c i s i o nt i m ea n dt i m ei n t e r v a l ) 年会每年都对该专题进行讨论，美国国家科学院把 它作为评估国家国防科技发展的重要标志之一，并把它列为国家必须大力发展的科学技 高精度时间间隔测量芯片的研制 术之一，法国d a s s a u l t 公司的时间计时器的精度已经达到l p s ，我国对时间间隔测量技 术的研究还比较少。 目前国外已经有比较成熟的t d c 芯片，德国a c m a 公司的t d c g p l 能够达到双 通道2 5 0 p s ，单通道1 2 5 p s 的分辨率；t d c g p 2 单通道典型分辨率可达5 0 p s ，测量范围 为5 0 0 n s 4 m s ；t d c f 1 能够达到8 通道1 2 0 p s ，4 通道6 0 p s 的分辨率；t d c g p x 能够 达到8 通道7 2 p s ，2 通道1 0 p s 的分辨率，单通道最高分辨率达到1 0 p s 。 除了a s i c 之外，使用f p g a 是设计的t d c 的另一种途径，用f p g a 实现的t d c ， 在国外论文中比较典型的包括两种设计。一种是j o z e fk a l i s z 、r y s z a r ds z p l e t 等人的研 究【l ，他们采用的是q u i c kl o g i c 公司的p a s i c 2 系列f p g a ，该f p g a 是基于0 6 5 微 米的c m o s 工艺，采用逆熔丝结构。在f p g a 内部，构建差分延迟线( d i f f e r e n t i a ld e l a y l i n e ) ，得到分辨率为1 0 0 2 0 0 p s 的系统；另一个例子是m z i e l i n s k i 和d c h a b e r s k i 等人 采用x i l i n x 公司的v i r t e x 系列f p g ax c v 3 0 0 实现的。该f p g a 是五层金属0 2 2 微米 c m o s 工艺，采用基于r a m 的结构，该系统采用抽头延迟线法( t a p p e dd e l a yl i n e m e t h o d ) ，取得l o o p s 的系统分辨率。 目前国内还没有成功的商用t d c 芯片，大多数研究都是基于f p g a 进行的。使用 f p g a 可以有效地缩短研发周期，提高设计灵活性和可靠性，所形成的口核可以与工艺 脱钩，使设计重用变得十分方便，但是由于在f p g a 里任何基本电路都是通过e d a 软 件综合后实现的，而f p g a 芯片内部的时间线延时是不确定的，使得各个门单元之间延 时离散性无法得到保证，而且在时序上也很难保证和其它电路的配合，因此很难得到高 的分辨率。即使得到了高的分辨率，但由于所使用f p g a 芯片的成本非常高，因此难以 广泛应用。为了克服f p g a 设计的上述缺点，可以利用a s i c 技术实现t d c ，本论文设 计了一款全数字t d c 芯片，采用无锡上华0 5 m 三层金属工艺，分辨率达到了3 0 0 p s ， 若采用更精细的工艺可以进一步提高分辨率。 大连理工大学硕士学位论文 1 电路实现时间间隔测量的基本原理 1 1 几种精确时间间隔测量电路 现代意义上的时间间隔测量始于真空管时代，经过几十年的不断改进发展，产生了 多种高精度测量方法，主要包括时间间隔扩展法、时间幅度转化法、插值法和延迟线法 等。 按实现技术的不同，基于电路的时间间隔测量方法大致可以分为模拟与数字两大 类。传统的t d c 电路一般采用模拟的方法进行设计，这种方法在使用的过程中需要进 行模数转换，如时间间隔扩展法t i s ( t i m ei n t e r v a ls t r e t c h i n g ) 和时间幅度转换法t a c ( t i m e t o a m p l i t u d ec o n v e r s i o n ) 。数字方法都不需要模数转换过程，可以实现从时间 到数字的直接转换，如游标法( v e r n i e rm e t h o d ) 、抽头延迟线法t d l m ( t a p p e dd e l a y l i n em e t h o d ) ，以及差分延迟线法d d l m ( d i f f e r e n t i a ld e l a yl i n em e t h o d ) 或称游标延 迟线法v d l m ( v e r n i e rd e l a yl i n em e t h o d ) 等。由于传统的模拟方法很难在集成电路 上实现，随着半导体技术的进步和数字电路技术的成熟，数字方法越来越流行。这不仅 仅是因为模拟方法对环境温度十分敏感，还因为它们需要比较长的转换时间，容易受外 界扰动影响，难以集成。因此在芯片上集成的t d c 电路，不管是以f p g a 还是以a s i c 实现，一般都采用数字方法【4 j 。 按有无插值过程，时间间隔测量方法又可以分为3 类： ( 1 ) 没有插值过程 这类方法不需要粗计数器，不分时间长短，能直接转换为数字量，它的缺点是量程 比较小。 ( 2 ) 有插值过程，也称为“插值法 实现时，这类方法需要粗计数器，在精确时钟作用下，统计时间间隔覆盖多少个整 数周期，并把测量开始和结束处小于一个周期的余量送迸差值单元进行精确测量。它的 优点在于可以同时满足系统在量程和分辨率两方面的要求，因而被广泛应用。 ( 3 ) 游标法 采用类似游标卡尺的办法，工作原理特殊，可以独立分为一类。 所有的测量方法，如插值法、延迟线法、扩展法、游标法等，其划分不是绝对的。 在实际应用中往往不单纯使用一种方法，而是多种方法结合使用。比如差分延迟线法， 它既采用了延迟线的结构，也应用了游标法的原理。至于“插值法，更要与其他方法 结合使用1 5 】。 一3 一 高精度时间间隔测量芯片的研制 1 1 1 直接计数法 利用计数器技术来实现时间数字转换电路的原理非常简单，其核心就是一个在时钟 控制下工作的计数器电路 6 1 ，该方法容易实现，只要有足够的存储空间就能够实现大的 测量量程，但是该方法依赖于电路的时钟频率，要达到高的分辨率就必须采用相应的高 频率时钟，如果要达到l o o p s 的分辨率，计数频率就要达到1 0 g h z ，如此高的信号不仅 难以产生，即使能够产生也不能保证准确度；另外，由于频率太高，信号之间的干扰非 常严重，因此电路难以实现，目前使用该方法只能达到纳秒量级的精度。由于直接计数 法的电路简单但是精度不高，因此在实际应用中，直接计数法都和其他方法结合应用， 以提高分辨率，一般采用直接计数法作粗略值测量，而采用其它方法作精确测量，从而 实现了高精度时间间隔测量。图1 1 为直接计数法的原理图，图中所测量的时间长度为 t n x t + 出，其中t 为时钟周期。 s ! 兰! ! 厂 s ! ! ! i厂 ；卜t 一； ： ： e l k 几nn 几几几几- - 。j 几几丌n 几nn 几n n 几n 几n i n 几nn 几几 - ；t 图1 1 直接计数法 f i g 1 1 m e t h o do fc o u n t i n g 为了提高计数法时间间隔的测量精度可以采用多个计数器的设计方法，这些时钟在 同一个系统时钟的不同相位进行操作，因此可以提高系统的分辨率【7 1 。时间测量值很容 易从所有计数器的值用内插的方法得到，合成相位的准确性决定了所能达到的时间测量 精度。 在计数器技术中计数值寄存器的亚稳态现象非常敏感，如果“停止”信号到达时计 数器正在翻转，那么输出的结果是不可预知的，这意味着可能出现错误。由于格雷码计 数器相邻的计数值只有一个比特翻转，这样单个的格雷码计数器对这个问题相对不太敏 感，所以很多计数器技术中采用的计数器不是普通的计数器，一般都是格雷码计数器【8 】。 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 1 2 时间间隔扩展法 时间间隔扩展法原理就是一个时间间隔放大器，通过控制一个电容充放电时间来实 现对所要测量的时间间隔进行放大。如图1 2 所示，通过控制高速开关，在要测量的时 间间隔t 内用大恒流源i l 为电容充电，然后再通过小恒流源1 2 对该电容放电。由于充电 电流远远大于放电电流，因此放电时间也就远远大于充电时间，假设放电时间的长度是 充电时间的k 倍，那么在放电时间段内进行时间测量要比在充电时间段内测量相对容易 的多。由于充电电流和放电电流之间的比例关系已知，因此根据所测量的放电时间长度 可以计算出所要测量的时间间隔。 二l 电流源 穹 高翥上l 厂、 u i 。 n 图1 2 时间间隔扩展法原理 f i g 1 2 t i m ei n t e r v a ls t r e t c h i n g 计数器 一 时间间隔扩展法的核心是对一个电容充放电进行测量，这一过程属于模拟过程，该 方法原理简单，实现容易，但是由于在集成电路中难以实现精确电容，而且恒流电路会 受到电压漂移、温度变化等因素的影响，难以实现理想的电流源，因此影响了该方法的 使用推广。 电路中采用两个不同的恒流源1 1 和1 2 ，在“起始 到“停止”时间间隔内采用大电 流1 1 给电容充电，然后通过小电流1 2 对电容放电。放电的同时用一个高速计数器对放电 时间进行测量。很显然，计数器输出的计数值正比于输入的“起始”和“停止信号的 时间间隔。而时间放大因子k 则由充电和放电的两个恒流源的比值确定。如果k 足够 大，使用简单的基于计数器的时间数字转换电路测量放大后的时间间隔就可以获得较高 的时间分辨率。 高精度时间间隔测量芯片的研制 基于时间放大技术的时间数字转换电路在早期的实验应用中发挥了重要的作用，但 是由于其较大的死区时间，并且模拟处理电路较易受到干扰，难以集成等原因，在目前 的物理实验等应用中已经很少采用。近期的一个比较典型的应用是日本k e k 的b e l l e 物理实验的t o f 系统，采用改进的基于时钟的时间放大原理【9 1 ，得到了2 5 p s 的时间分 辨率。 1 1 3 时间一幅度转换法 时间幅度转换法的原理如图1 3 所示，该方法是对时间间隔扩展法的改进，它克服 了时间间隔扩展法的转换时间过长、非线性差等缺点。与时间间隔扩展法不同，时间 幅度转换法把时间间隔扩展法中的放电电流源1 2 用一个高速a d 转换器代替，直接将 得到的模拟信号转换为数字信号。用a d 过程代替放电过程，极大地减少了转换时间， 而且少了一个放电过程，减少了电路的非线性。由于现代高速的a d c 可以得到很高的 分辨率，配合该法可以得到1 2 0 p s 的分辨纠1 0 l 。传统上该法都是用离散器件实现，但 近年来也有人用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ni n t e g r a t e dc i r c u i t ) 实现，与e c l ( e m i t t e r c o u p l e dl o g i c ) 电路配合，可以达到1 0 p s 的精度【1 1 】。 a d 转换时间 图1 3 时间一幅度转化法原理 f i g 1 3t i m e - t o - a m p l i t u d ec o n v e r s i o n 输出数据 大连理工大学硕士学位论文 1 1 4 游标法 游标法的基本原理是系统中有两个周期相差很小的时钟，利用这两个时钟周期的差 作为时间测量的基本单位，其基本思想来自于法国数学家皮埃尔维尼尔发明的游标卡 尺，游标技术也可以被看作为是一种时间间隔放大技术。在具体实现时将被测量时间间 隔的开始信号和停止信号分别通过两路延时链，其中开始信号通过的延时链中的每一个 延时单元的量化延迟时间略大于停止信号通过的延时链中的每一个延时单元的量化延 迟时间。两路信号经过各自的量化延时电路，会在某一个时刻重合，根据发生重合时经 过的延迟级数可以计算出被测时间间隔的长度。 游标法能够准确地测出少于一个延时单元的时间，使得测量精度得到很大的提高， 但是随着测量精度的提高，延时链路的长度也随之增加，电路的复杂度也相应增加，因 此限制了所测量的时间间隔的长度，测量范围有限。 目前采用的其它短时间间隔测量方法大多以这两种方法为基础进行改进，进一步简 化电路结构、提高测量精度和增大测量范围，如延时矩阵法、循环游标延迟链法、，多层 次测量法等。 采用游标法可以得到很高的分辨率。一种采用游标法来实现的芯片，能在3 1 2 5 m h z 的时钟下达到5 0 p s 的分辨率1 1 l 】；另一种采用游标法的芯片，在7 0 0 m h z 的外接频率下 达到2 3 p s 的分辨率【1 2 】，进一步改进有望将分辨率提高到1 p s 。虽然用游标法理论上可 以取得高精度和大量程，但由于设计上的困难，其高精度往往只能在短时间内保持，因 此通常将游标法结合插值法来测量。 1 1 5 抽头延迟线法 抽头延迟线法与差分延迟线法是随着近年来大规模集成电路的迅速发展而发展起 来的。抽头延迟线法，也叫时延法，最初使用同轴线来实现延迟，但是为了实现高精度 测量，需要数目众多的抽头，导致电路非常庞大，以至于它的使用受到了限制，大规模 集成电路技术的发展为该方法的发展带来了新的机遇。 该方法的基本原理是让被测信号通过由相同的延时单元组成的延时链，在开始测试 信号到来之后让信号启动延时链，信号沿着延时链依次传递，当停止信号到来时关闭延 时链，此时信号会停留在某个延时单元上，记录该延时单元的位置和信号已经通过的延 时单元的个数，由于每个延时单元的延时已知，因此可以得出所测时间间隔的长度。 在数字集成电路中许多单元电路都可以作为延时单元使用，但是为了提高测量精 度，必须缩短延时单元的延时，所以一般多采用反相器作为基本的延时单元。由于每一 个延时单元的延时都非常小，因此要实现较大的量程必须采用非常长的延时链，相应地 高精度时间间隔测量芯片的研制 还要增加锁存器及译码电路的复杂度，使得整个电路非常庞大。为了解决这一问题可以 采用延时环，通过记录信号经过的环数和停止时在环上的位置就可以得出所要测量的时 间间隔的长度，电路原理如图1 4 所示。要实现高精确测量，输入触发器时钟端的s t o p 信号的延时必须非常小。 图1 4 抽头延迟线法原理图 f i g 1 4t a p p e dd e l a yl i n em e t h o d 图1 4 中的结构比较简单，它是复杂结构的基础。实际使用中，尤其是在a s i c 中， 这些基本的结构往往需要配合p l l ( p h a s el o c kl o o p ) 或d l l ( d e l a yl 0 c kl o o p ) 来 使用，以实现高稳定度与内部延迟校正【1 3 1 6 】。 1 1 6 差分延迟线法 差分延迟线法是由抽头延迟线法演变而来的，它由两组单元延时有细微差别的延迟 链构成，两个延时链的差值作为所能测量的最小时间间隔。由于工作原理类似于游标法， 所以这种方法也称为游标延迟线法。 图1 5 所示的是差分延迟线法最常用的一种结构。它由两条单元延迟有细小差别的 延迟链组成，其中上面一条延迟链的输出作为锁存器的输入，另一条中与第一条延时链 中相对应的输出作为锁存器的时钟信号。假设上面一条延时链的单元延时为t l ，下面一 条为t 2 ，并且t 1 略大于t 2 ，则这种结构的系统分辨率为： 大连理工大学硕士学位论文 由于触发器时延往往在纳秒量级，而延迟线的延时很容易实现皮秒量级，因此这种 方法可以实现高精度测量。这种方法结构比较简单，是其它复杂结构的基础。与抽头延 迟线法类似，在实际使用中，这些基本的结构往往需要p l l 或d l l 来配合，以实现高 稳定度与内部延迟校正。带d l l 与p l l 的抽头延迟线法又称为“脉冲收缩法( p u l s e s h r i n k i n gm e t h o d ) ，它是在基本的抽头延迟线的基础上结合了d l l 和p l l 技术，保 证信号有更好的同步特性，从而减小了因为延时不一致而造成的测量误差，故可以得到 更高的测量精度【1 7 。1 引。采用a s i c 实现的抽头延迟线法，不论是基本的还是带d l l 或 p l l ，其分辨率一般要比f p g a 高。 s t a r t 图1 5 差分延迟线法原理图 f i g 1 5 d i f f e r e n t i a ld e l a yl i n em e t h o d 1 2t d 0 芯片的主要技术指标 t d c 是t i m et od i g i t a lc o n v e r t e r 的缩写，意思为时间数字转换。它的基本原理是 把要测量的时间间隔的长度转换为相应的数字量来表示，从而简化了时间测量的过程， 有利于集成度和精度的提高。它主要有以下几个技术指标： ( 1 ) 系统量程 高精度时间间隔测量芯片的研制 t d c 的系统量程主要是指单次所能测量的最大时间间隔。由于t d c 最后得到的是 数字量，需要空间对其进行存储，因此该技术的量程主要取决于存储空间的大小，空间 越大则量程越大。 ( 2 ) 系统分辨率 分辨率是t d c 技术所能分辨的最小时间间隔。t d c 的原理是将携带时间信息的模 拟信号进行量化，然后再经过一系列的处理得到最终能代表所测时间间隔长度的数字 量。分辨率越高测量的时间就越精确，同时所需要的存储空间也就越大。因此分辨率是 评价t d c 芯片一项最重要的指标，现在t d c 芯片的分辨率一般从几皮秒到几百皮秒不 等。 ( 3 ) 转换时间 转换时间是指两次测量之间的最小时间间隔，也称为死区时间( d e a dt i m e ) ，在 该段时间内不能进行时间的测量。转换时间在多次连续测量中显得尤为重要，转换时间 越短，系统在完成上一次测量后进入下一次测量所需要的时间就越短，在相同的时间内 所能完成的测量次数就越多。 ( 4 ) 测量精度 测量精度主要取决于系统分辨率，系统的分辨率越高，测量精度也就越高。同时测 量精度也受电路噪声和信号非理想性的影响。 ( 5 ) 读取速度 t d c 芯片内部一般都集成了一定数量的存储器单元以及用于和外界进行数据交换 的接口，如s p i 接口、1 2 c 接口和u s b 接口等。在单次测量时读取速度的快慢对系统影 响不大，但是在高速测量中如果需要连续读取测量结果，读取速度的影响就显得尤为重 要。如果读取速度过慢，则系统不能在需要的时间内读出正常的测量结果，导致整个系 统不能正常工作。 大连理工大学硕士学位论文 2 t d c 芯片的电路设计与仿真 2 1 t d o 芯片设计指标 t d c 芯片的主要指标有测量精度、量程、死区时间、读取速度和工作电压等。表 2 1 为该芯片的具体设计指标。 表2 1t d c 芯片设计指标 t a b 2 1 d e s i g no b j e c t i v eo ft d cc h i p 名称指标 测量精度 量程 死区时间 读取速度 工作电压 2 2 整体电路设计 图2 1 中所示为t d c 芯片的整体框架图。从图中可以看出，整个电路主要由7 个子 模块电路组成，包括控制电路、寄存器控制电路、寄存器电路、s p i 接口电路、a l u 电 路、译码器电路和时间间隔测量电路。 f i g 2 1 f r a m e w o r ko ft h et d c c h i p 篡嚣m翟|；|：i 高精度时间间隔测量芯片的研制 控制电路主要为其它各个模块电路提供控制信号，控制整个电路的工作。当外部控 制器向芯片发送了测量开始信号后，该电路控制测时电路开始进行时间间隔的测量，此 时环形振荡器开始工作，信号每循环一圈环路计数器的计数值自动加一；当接收到控制 电路送来的停止计时信号后，环形振荡器停止工作，并将此时环形振荡器的状态送到锁 存器进行锁存，锁存后的信号经过编码电路进行编码，可以找出停止时环路振荡器的信 号传输的位置。由于环路振荡器信号传输一圈的时间是固定的，而环路振荡器的每一个 反相器的延时也是已知的，因此将得到的译码结果经过a l u 计算后就可以得到所要测 量的时间间隔的长度。 t d c 时间间隔测量的原理是将携带时间信息的模拟量转化为便于处理的数字量，因 此t d c 芯片中一般都集成一定数量的寄存器。该芯片内部集成了6 4 个字节的寄存器， 用来存储电路的工作状态和时间间隔测量结果。寄存器分为三部分，第一部分属于只读 寄存器，用来存储测量结果；第二部分为读写寄存器，用来存放当前的工作状态；第三 部分为读写寄存器，可以接收外部输入时间校正数据，用来在开始测量之前对系统进行 校正。为了简化芯片与外界的数据交互过程，在芯片内部集成了一个s p i 接口，通过该 接口可以实现与芯片外部的数据交互。 u u 模块的作用是将测量结果进行相应的运算，得到所要测量的时间间隔的长度。 主要包括2 个1 6 位超前进位加法器，2 个1 6 位计数器和1 个1 6 位减法器。 2 3 时间间隔测量电路设计 2 3 1 环形振荡器电路的设计与仿真 ( 1 ) 反相器的延时特性分析 c m o s 反相器是数字电路设计的基本模块，它所执行的逻辑功能是把输入信号a 翻 转成其反信号，电路如图2 2 所示，当反相器的输入为低电平时，p m o s 管导通，通过 p m o s 管输出被上拉到v d d ：当输入为高电平时，n m o s 管导通，通过n m o s 管，输 出被下拉到地。 反相器的主要性能参数包括输出电压摆幅，静态功耗等，合理设计m o s 管的尺寸 可以使反相器的充电和放电能力相同，从而使上升沿和下降沿的时间相同；通过改变 m o s 管的尺寸可设置反相器发生逻辑翻转的转换点电压，同时可以调节c m o s 反相器 的延时，图2 3 为c m o s 反相器功能仿真波形。 大连理工大学硕士学位论文 丫 图2 2c m 0 s 反相器的原理图与符号图 f i g 2 2 s c h e m a t i ca n ds y m b o lo fc m o si n v e r t e r o“ m 赭“ 1 “ 图2 3c m o s 反相器功能仿真波形 f i g 2 3 s i m u l a t i o nw a v e so fc m o si n v e r t e r 图2 4 所示为反相器的转移特性曲线，开始的时候输入电压足够低，n o 关断，p o 导 通；随着的增加，n o 和p o 都导通，进一步增加会导致p 0 关断，n o 完全导通。 高精度时间间隔测量芯片的研制 v 0 山 v o h v o l 断 通 v i n | 、j 图2 4c m o s 反相器的转移特性曲线 f i g 2 4 t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fc m o si n v e r t e r 把输出电压的最大值记为v o n ，最小值为v o l ，曲线中的a 点和b 点的斜率为1 。 当输入电压小于或者等于a 点电压时，认为反相器的输入是逻辑低电平；当输入电 压大于或者等于b 点电压v m 时，认为反相器的输入是逻辑高电平；输入电压介于v 几 和v m 之间时，认为不是有效的逻辑电平。理想情况下，v 和v 之间的电压差应为零， 但是在实际的逻辑电路中这是不可能实现的l 捌。 数字门电路在噪声环境中工作时，噪声会对电路有干扰，甚至使电路无法正常工作。 噪声容限就反映了电路对噪声的耐受程度，c m o s 反相器的输入为高电平时的噪声容限 为： 肼日= 一 ( 2 1 ) 输入为低电平时的噪声容限为： n m l = 吃一 ( 2 2 ) 对于v d d = 5 v 的电路，理想的噪声容限为2 5 v ，即 n m 工n m 日= p 矗2 ( 2 3 ) 反相器的传输延时是另一个重要的参数。由于在t d c 系统中主要就是应用反相器 的延时作为时间间隔测量的基础，因此有必要对反相器的传输延时进行探讨。图2 4 中 反相器的固有传输延迟为： 大连理工大学硕士学位论文 t p l ；尺，o 气 ( 2 4 ) k = 咒。c 叫 ( 2 5 ) 由上述公式可以看出，反相器的延迟与自身的电阻和输出电容有关，因此为了得到 最小的反相器延时，需调整反相器的宽长比和反相器所带负载的电容的大小，使单个反 相器的延时最小，从而得到最高的测量精度。 ( 2 ) 时间间隔测量电路的设计与仿真 时间间隔测量电路包括振荡环路、粗测量单元和细测量单元三部分。其中粗测量单 元负责记录信号在振荡环路中传输的圈数，信号在振荡环路中每传输一圈，粗测量单元 的数值就自动加一，主要由一个8 位的计数器实现；细测量单元则负责记录信号不满一 圈时在振荡环路中传输的步数，它主要由一个3 1 位编码器电路实现。由于信号传输一 周和一步的时间都是已知的，因此通过两部分的数据就可以得到所要测量的时间间隔的 长度。 一 由一个3 1 级反相器构成的环路振荡器是整个测量的核心。电路如图2 5 所示，环形 振荡器由一个二输入与非门控制其是否工作，当控制信号为高电平时，与非门开启，振 荡环路正常工作，信号开始在振荡环路中传输；当控制信号为低电平时，与非门关闭， 此时环形振荡器每一个节点的信号固定不变，测量停止。 为了在测量停止时能够记录下信号在环路中的位置，在每个反相器的输出端都并联 了一个d 锁存器，当停止计时信号到来时，每一个反相器节点的当前值送入相应的d 锁存器进行锁存，将锁存住的数据送入到编码器中进行编码从而得到计时停止时信号在 环路中的位置。最后把测量圈数和步数都送入a l u 中就可以计算出所要测量的时间间 隔的长度。 d a t ao u t 图2 5 环形振荡器电路 f i g 2 5 s c h e m a t i co fo s c i l l a t i o nl o o p 高精度时间间隔测量芯片的研制 2 3 2 振荡环路控制电路设计与仿真 图2 6 为振荡环路的控制电路原理图。该电路有三个输入端，分别是启动信号s t a r t ， 时钟信号c l k 和清零信号c l r ，输出信号为c 明。该电路接收外部输入的控制信号，它 的输出接到图2 5 中的环形振荡器的控制端，从而控制振荡环路进行时间间隔测量。 图2 6 环形振荡器控制电路 f i g 2 6 c o n t r o lc i r c u i to fo s c i l l a t i o nl o o p 上面的电路作为环路振荡器电路启动控制电路，其仿真波形图如图2 7 所示。该芯 片设计的每一个测量过程都包括两次测量，当s t a r t 信号上升沿到来时，电路输出为高 电平，计时环路开始计时，当下一个时钟上升沿到来后，电路输出为低电平，计时电路 停止计时，系统完成第一次时间间隔测量；当s t a r t 由高电平变为低电平时，系统开始 第二次计时，在下一个时钟上升沿到来时系统结束第二次测量过程。 c l r - - j 卜i i 。卜 二 工。厂 广 图2 7 环形振荡器控制电路仿真波形图 f i g 2 7s i m u l a t i o nw a v e so fo s c i l l a t i o nl o o p 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 编码器电路设计与仿真 数据编码器包括以下几个模块：编码预处理电路、3 2 位二进制编码器电路和8 位加 法器电路。 ( 1 ) 编码预处理电路 由反相器构成的振荡环路中节点上的信号为0 和1 的交替值，为了便于对其进行编 码，必须对输出的节点信号数据进行处理，使其成为前一部分为一种数值，后一部分为 另一种数值的形式，如前一部分全部为1 ，而后一部分全部为0 。 由于输出数据具有0 和1 交替出现的特性，而d 锁存器有一正一反两个输出端，因 此可以将数据由d 锁存器的输出q 端和其反相端交替输出，这样就使得输出数据的前 半部分和后半部分分别一致，而两种信号值的交替点就是计时停止时信号在环路中传输 的位置，编码器的作用就是找出该点在环路中的位置，图2 8 中为该电路的原理图。 图2 8 编码预处理电路 f i g 2 8 p r e - e n c o d ec i r c u i t 图2 9 为作锁存器使用的d 触发器具体电路，其中d 为数据输入端，c l k 为时钟 输入端，p r 和c l r 分别为置位端和复位端，均为异步操作，低电平有效。在时钟信号 的上升沿将输入数据d 传送到输出端。 高精度时间间隔测量芯片的研制 图2 9o 锁存器电路 f i g 2 9 c i r c u i to fd l a t c h 图2 1 0 为d 锁存器电路的仿真波形，波形从上到下依次是输出q 、置位信号p r 、 复位信号c l r 、数据输入端d 和时钟信号c l k 。从图中可以看出，当置位信号为低电 平时，电路置位，输出为高电平；当复位信号c l r 有效时，系统清零，输出为低电平； 当置位信号和清零信号都无效时，在时钟上升沿到来时将输入数据d 传送到输出端q 并保持到下一个时钟沿到来，实现了数据的传输和锁存功能。 k “- - ，蕾_ _ - - 1 f i 匿 孱 圉 圉 圉 0 a 呻- h hi ih i -i lk 图2 1 0 锁存器电路仿真图 f i g 2 1 0 s i m u l a t i o nw a v e so f d - l a t c h 】了 凌鞫岔净；势；p；弘“ 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 3 2 位二进制编码器电路设计与仿真 由于计时环路总共有3 1 个节点，因此必须设计一个3 1 位的编码器对输出数据进行 编码。一个独立的3 1 位编码器逻辑复杂难以实现，并且会增加电路的复杂度，甚至有 可能会造成系统负载过大无法驱动的问题，因此可以设计一个8 位编码器，然后由4 个 8 位编码器构成一个3 2 位的编码器。这样既简化了电路设计又能解决不能正常驱动的问 题，8 4 线二进制编码器电路如图2 1 1 所示。 d 1 d 2 d 4 d 5