（物理电子学专业论文）高能物理实验中的高精度时间测量方法研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 摘要 时间是物质运动和存在的基本属性之，精密的时间作为科学研究、科学实验和工程技 术诸方面的基本物理参量，为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少 的时基坐标。对日常生活来说，对时间的概念一般精确到分钟就足够了即使在卫星导航应 用方面，测量到纳秒也完全满足需要。然而在很多大型物理实验中时间间隔测量作为一种 重要的鉴别和探测手段，对测量的精度要求非常严格( 到p s 量级) ，如何提高时间测量的精 度成为物理学家孜孜以求的目标。随着科学技术的进展，许多精确测量时间的方法被陆续提 出，比如电流积分技术、计数器技术、模拟放大技术、内插技术等等，其中内插技术是获得 p s 量级测量精度的主要手段。 本论文对新近发展起来并已经较为成熟的d l l + r c 延迟的两级时间内插方案进行了一 系列研究，以c e r n 微电子组研制的h p t d c 芯片作为这种内插方案的代表，我们分析了该 方案所能达到的设计指标，然后根据实际测得的参数提出了两种提高精度的措施。为了验证 我们的研究的正确性参考北京谱仪三期重大改造工程b e si i l 中飞行时间电子学( f o f ) 测量的精度需求，我们设计了验证电路并进行了一系列的测试。 第一章从两个大型物理实验中高精度时间测量应用场合的例子出发，介绍了在时间测量 方法发展过程中比较重要的技术，讨论的重点放在时间分辨和动态范围两个方面，功耗也是 一个值得注意的因素。 第二章描述了时间数字转换电路( t d c ) 中常用的技术指标，比如i n l 和d n l ，这些 指标刻画了t d c 的性能，是限制t d c 精度的主要因素。同时，这一章简要分析了t d c 电 路中动态误差的各种来源。 第三章分析了高能物理实验对t d c 性能的特殊需求，并介绍了几个应用于高能物理实 验的t d c 的研究成果。 第四章介绍基于d l l + r c 延迟的两级时间内插方案的典型代表h p t d c 芯片。本章首 先计算了采用d l l + r c 内插所能取得的理论精度，然后介绍了该芯片的结构、各部分功能 和使用方法。 第五章根据t d c 电路固有的i n l 误差提出了两种提高精度的方法，一种是i n l 修正， 一种是同步时间放大。本章详细叙述了两种方案的实现途径。 第六章首先介绍b e si i i 中主漂移室( m d c ) 和t o f 两个时间测量场合所需要的测量 精度，然后根据t o f 的测量需求分析t o f 的测量过程，提出验证电路设计的参考技术指标， 并结合t o f 的具体应用详细介绍了包括峰值检测器在内的一系列软硬件的设计。 第七章讲述了验证电路的测试方案、测试过程以及测试结果，并对测试结果进行定性或 定量的分析。从结果来看，验证电路能达到预期的设计指标，说明我们围绕d l l + r c 内插 的时间测量方案的一系列研究是成功的。 第八章介绍了时间测量方法的一些最新进展，结束语部分简要总结本论文的工作。 i i 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t t i m ei so n eo ft h eb a s i cp h y s i c a la t t r i b u t e so ft h ew o r l dw el i v ei n t h ea c c u r a t et i m en o t o n l yg i v e sa ne s s e n t i a lp a r a m e t e rt os c i e n c er e s e a r c h a n de x p e r i m e n t sa n de n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i e s ，b u tw o r k sa sa ni n d i s p e n s a b l yr u l e rf o ra l ld y n a m i c ss y s t e m sa n ds e q u e n t i a l p r o c e d u r e c o u n t i n gt h et i m ew i t hn 缸n u t e si se n o u g hf o ro u rd a i t yl i f ea n de v e ni ns a t e l l i t e n a v i g a t i o n ，at i m em e a s u r e da c c u r a t e l yt on a n o s e c o n dc a r la l w a y sm e e t so u rd e m a n d b u ti nm a n y l a r g ep h y s i c se x p e r i m e n t s ，e s p e c i a l l yh i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n t s ，t i m em e a s u r e m e n ti su s e d a sa ni m p o r t a n tp r o b i n ga n di d e n t i f y i n gm e t h o ds oah i g h e l a n dh i g h e rr e s o l u t i o ni sr e q u e s t e d a b i gd e v e l o p m e n te f f o r th a sb e e nd e d i c a t e dt oi m p r o v et h er e s o l u t i o no ft i m em e a s u r e m e n t i n p a r a l l e lw i t ht h i se f f o r t , m a n yn o v e li d e a sw e l ep u tf o r w a r dt om e a s u r et h et i m ei n t e r v a la c c u r a t e l y , i n c l u d i n gc u r r e n ti n t e g r a t i o nt e c h n i q u e s ，c o u n t e rt e c h n i q u e s ，a n a l o gt i m ee x p a n s i o n , a n dm a n y w a st oe x e c u t et i m ei n t e r p o l a t i o nw h i c hi st h em a i nt e c h n i q u et og e tr e s o l u t i o na sh i g ha s p i c o s e c o n d s 1 i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fr e s e a r c hw o r ks u r r o u n d i n gat w o - l e v e li n t e r p o l a t i n gs c h e m eb a s e d o nd e l a y - l o c k - l o o pr d l l ) a n dp a s s i v er cd e l a yl i n ei sc a r r i e do u t t h es c h e m ei sd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r sa n dh a sb e e np r o v e dp r o m i s i n g h i g h - p r e c i s i o n - t i m e - d i g i t a l - c o n v e r t e r ( h p t d c ) f r o mc e r n ( e u r o p e a no r g a n i z a t i o nf o rn u c l e a rr e s e a r c h ) i ss t u d i e da sar e p r e s e n t a t i v eo f t h i s s c h e m e ，t oi m p r o v et h er e s o l u t i o no ft i m em e a s u r e m e n t ，t w os e h e m e sn a m e di n lc o m p e n s a t i o n a n dt i m es t r e t c h i n ga r ep r o p o s e d ap r o t o t y p ep c bb o a r di sp r o d u c e dt ov e r i f yo u rr e s e a r c hw o r k c h a p t e ro n eb e g i n sw i t ht w oo c c a s i o n sn e e d i n gh i g h r e s o l u t i o nt i m em e a s u r e m e n ta n d i n t r o d u c e st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sd e v e l o p e df o rt h i sp u r p o s e ，t h i st o p i ci sf o c u s e do n r e s o l u t i o na n dd y n a m i cr a n g ea n dp o w e rd i s s i p a t i o ni sa n o t h e rf a c t o rn e e d i n gc a r e f u l c o n s i d e r a t i o n c h a p t e rt w oc l a r i f i e st h ep e r f o r m a n c em e t r i c sa d a p t e dt ot h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no ft d c ( t i m e - t o d i g i t a l c o n v e r t e r ) ，i n c l u d i n g d i f f e r e n t i a ln o n - l i n e a r i t y ( d n l ) a n di n t e g r a l n o n - l i n e a r i t y ( i n l ) ，t h e s em e t r i c sd e p i c tt h ep e r f o r m a n c eo ft d ca n dl i m i tt h ei m p r o v e m e n to f r e s o l u t i o n d y n a m i ce r r o rs o u m e ss u c ha sn o i s ea n dc m s s t a l ka r ea l s od i s c u s s e d c h a p t e rt h r e ep r e s e n t ss o m ei m p o r t a n td e m a n d st h a te x p e r i m e n t si nh i g he n e r g yp h y s i c sh a v e p u to nt d c s t h e nt h r e en e wd e v e l o p m e n t sa r ci n t r o d u c e d i nc h a p t e rf o u r , h p t d ci sp r e s e n t e dw h i c ht a k e st h ew a yo f d l la n dp a s s i v er cd e l a yl i n e at h e o r e t i cr e s o l u t i o ni sc a l c u l a t e df i r s t ，f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o nt ot h ea r c h i t e c t u r e ，p a r t f u n c t i o n sa n du s a g e a c c o r d i n gt ot h eb o r n - b e a r i n g1 n le r r o ro ft d c ，t w om e t h o d st oi m p r o v er e s o l u t i o na g e d e r i v e di nc h a p t e rf i v e o n em e t h o di si n lc o m p e n s a t i o na n dt h eo t h e ri st i m es t r e t c h i n g a na n a l y s i so fr e s o l u t i o nn e e d e db ym d c ( m a i n - d r i r - c h a m b e r ) a n dt o f ( t i m e - o f - f l i g h t ) i nb e s ( b e r i n gs p e c t r o m e t e r ) i i ii sc a r d e do u ti nc h a p t e rs i x t h ef t m e t i o na n dp e r f o r m a n c eo fa p r o t o t y p ep c bb o a r da r ed e c i d e dr e f e r r i n gt ot h et i m er e s o l u t i o nt o fe l e c t r o n i c s w ed e s c r i b et h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n gp e a kd e t e c t o r t h et e s tb e n c ha n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h ep r o t o t y p eb o a r da r ep r e s e n t e di nc h a p t e r i i i 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 m a d ed u r i n gt h i sw o r k f i n a l l yaf e wa p p e n d i c e s ，c o m p l i m e n t a r yt ot h em a i nt e x ta r ci n c l u d e d 中国科学技术大学博士学位论文 致谢 首先，谨向我的导师安琪教授致以衷心的谢意。本论文的顺利完成是和安琪教授的悉心 指导密不可分的。他严谨治学的科学态度、广阔渊博的学识经验、孜孜不倦的追求精神以及 一丝不苟的工作作风对我产生极大的影响，令我受益匪浅。同时，也要特别感谢王砚方教授， 我在快电子学实验室学习和工作的五年中，他敏锐的思维、广博的知识给了我很多启示和帮 助。两位老师的关心和鼓舞使我在求学乃至人生的道路上不断地发展与进步，在此，我向他 们表示最诚挚的感谢。 在“高能物理实验中的高精度时间测量方法研究”课题的开展过程中，郭建华同学给予 了我非常良好和默契的协作我们一起进行深入的讨论，一起分析和解决问题，他还帮我完 成褒部分软件和硬件的工作，使得课题得以如期和圆满地完成：同时，刘树彬老师和刘继国 同学在课题的方案制定以及许多具体问题的解决方案上给予了我很大的帮助和支持；赵龙同 学为课题的测试编写了y r a g 控制器，李玉生同学在前放的设计方面进行了许多认真和高效 的工作。他们对本论文的成稿做出了重要贡献，在此也向他们表达热烈的谢意。 同时要感谢快电子学实验室的程伊敏女士、宋克柱老师，还有宋健、周世龙、张艳丽、 刘序宗、洗泽、刘广栋、刘小华、陆增援、杨俊峰、何正淼、阮福明等同学，感谢他们对我 哪怕是一点一滴的帮助。 感谢中国科技大学快电子学实验室营造的良好学术氛围和工作条件，在与快电子学实验 室的老师和同学的交流和讨论中，我不但在专业知识上日益进步，同时也学到很多人生的道 理，它们将让我受益终身。 一 最后，还要感谢我的父母、哥哥以及我的女朋友多年来他们的支持和辛勤陪伴使我能 够安心学习，并乐观向上地生活。感谢身边所有关心和爱护我的朋友们，多年来他们给我的 友情以及无私的关怀和鼓励，是我终身的财富。 向所有关心和帮助过我的人致以真诚的谢意 中爨科举技术大学博士学位论文第一章时闻测蠢方法概述 1 , 1 绪论 第一章时间测量方法概述 时间是物质运动和存在的基本属性之一，精密的时间作为科学研究、科学裳验和工程技 术诸方面的基本物理参量，为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供丁必不可少 的时基坐标。精密的时间以其完美的线性和连续性展示出客观世界的理性，成为人类认识世 界秘菠造煎巽戆搴 攀攀l 越。 精密的对闻不仪在连球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造麓羼动力学测 地等熬础研究领域有驻要的作用，丽且在诸如航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、地质 测绘、导航通信、电力传输和科学计量等应用研究、国防和国民经济建设中也有普遍的应用， 甚至如经深入到人们柱会生涯的方方蕊垂，且乎巍掰不及“。 、巍然，对器零誊活来说，对辩瓣的概念一觳耩确嚣分钟就足够了，帮健在激爨导航痘薅 方面，测量到纳秒也毙全满足需要。然而在很多火裂物理实验中，时间间隔测擞作为一种重 要的黢别和探测手段，对测量的精廉要求非常严格( p s 量级，p i c o s e c o n d ，1 0 “。秒) ，如何 提筒时闻测量的精度成为物理学家孜孜以求的目标。 1 2 大鳌物理实验中时闻测量举例 1 2 1 固定靶实验和对攘实验 飘定靶实验耩瓣攘实验是毒麓耪理孛搽索耪葳疆原子缓耩缎绩掏懿嚣静基本手段。在弱 定靶实验中，被加速的脉冲束流轰击固定靶，产激的粒子被靶腊谢的探测器“墙”检测到。 对每个事例，束流探测器探测到每个束流作为每个枣例的“起始”信号，所有探测器的输出 经甑别后接到时间测凝电路中作为“停止”信号。“起始”和“停止”信号之间的间隔能给 窭寒流轰壶圈定靶瓣糖理过程串懿缀多套薅售惠。强1 1 是一今潮定靶实验妻孽零塞霾。 d e t e c t o r 踹- 二f 腽1 1 固定靶蜜验示意图 溺定靶实验懿靛予髓量靠鞫步翱速器提供，鸯效作用戆葭( 震心系髭鳖) 满足戳下鹣 能量欺系叫： 疋= 如石溺f 面西) ( 1 t ) 裴孛鹾| 窝耋2 分裂是两令毅予瓣静壹覆羹，e l 是薮燕速羧子麴麓量。篷着羧予靛量豹 提高，有效作用能占想能量的比例避似成平方关系降低，效率成为一个严重的问题，在这种 中霉科学技术大学博士学证论文第一章时闯l 慧方法概述 情况下对撞型实验应运而生。如果让被加速的两团粒子迎头相撞。质心系与实验窳坐标系等 效，有效作用能大大撮高，降低了对同步加速器的虢量要求。 如图t 2 所示，嘲绕对撞点放置许多不同的探测器。对撞后产生的次级粒子从对撞点向 霆震飞露，翔栗憨鞲勰测藿粒子姨瓣攘蠢到击孛菜探澎器魏t 亍辩澜，裁能褥至l 鞍子懿飞季亍 速度，辅助粒子鉴掰。时间测量越精确，对粒子的撩别能力越强。 l u l s e dh c a m 1 2 2 激光测距实验 嚣l 。2 霹撞窭验承塞匿 激毙溺歪是精确定位魏一器誊矮方法，在军事巍靛空等方嚣蠢攮广泛篷应嚣”。一觳先 由激光二二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射船激光向各方囱散射，部分散射光返回到 传感接收器，被光学系统接收后成像列雪崩光电二檄管上。雪崩光电二极管是一种内部具有 放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光情号。记录并处理从光脉冲发出到返回 被接收所经历的时惩，靼爵测定巨鞲雅枣。接埝黠阕激光接惑器必须投其耩确建测定俦辕畦 闻，爨为光速太快，要怨使分辫率达到l o c m ，剐话输时间测距传戆嚣的电子电路必须能分 辨出3 0 0 p s 以下的极斑时间。 以上两种物理实验的测量精度都荦玎时间测量的精度直接相关，自然地，人们对时间测量 的精度援避了越来越嵩鲍要求。 1 3 基本的时间测量方法 科学实验的需求推进了技术的进步，精确测量时间的方法被陆续提出。本章列举时间测 量方法发震过程中e 较流行懿见静结橡，叙述躲重点楚时闻分辨移动态范围，功耗瞧是我们 关注静受一个方嚣。 1 3 1 电流积分技术 电溅积癸技术”1 楚时闻闻隔测蹩中较旱使用懿一种方法。在这荦孛方法中，电褰c 霰恒 渡源l 究奄，充电开始被一个t ，辩裁瓣“起始”信号挖翱，充毫缝蒙蔽一夺t 2 霹捌酌“停止” 信号控制。这样存储往电容上的电荷和“起始”一“停止”时间对乏间的间隔成正比，电容 上的压降也和起停信号之间的时问间隔成正比。 f ( f 2 一t 1 ) 。丁 ( 1 2 ) 2 中国科学拄术大学博士学位论文第一章时间测量方法概述 s t a r t 、 一娥 脚叫幽c 丰 娥 、 这种时间转换方法的分辨可以做得非常高，主要受恒流源的稳定性、电容的线性和漏电流太 小、a d c 芯片酌分辨和耪发影响。另外一个添要注意的娥方是电流积分点对噪声高度敏感， 为魏发展出一璺减枣臻声敏感往帮撵毫露瓣分辨静方案。潮| 绘窭7 冀中一释方案鳆蕊本 框图和定时关系”。 s t o p r ，v c 婶憎帆i 1 卜k 屿撇 吨 j 。二 h l 1 、0 q ，i r 、 、 l - h ta 、 、+ ，f d i n r c f a i r c w l g a t e s l aj i - - 7 s t o p 厂“、 l 厂 d l a b l e 1 。 黼14 一种差分电流积分t a c 的概图和定时关系 如图所示，“起始”信号到g a t e 信号结束与“停止”信号到g a t e 信号结束之间的时间 淘薅用嚣个独瘦翡t a c ( t i m e - t o - a n a l o g u e ) 转换器来测基。在这嚣个黠涸阉隔内，分裂耀瓣 样大小的恒瀛源对同样性质的两个电容放魄，籍电容上的魄压接到差分藏犬器的同籀输入端 和反相输入端+ 电路中的麸模干扰可以通过麓分放大器有效地抑制掉，从丽提高了测量精度。 差分放大器的输出正比于原始的“起始”一“停止”信号之间的时间间隔。原始的时间问隔 3 瓣妇泓 中嗣科学技术大学博士学位论文第一章时问测量方法概述 w 以用下面的公式泉表示： 7 t = f t = i , c a p ( s t a r o 7c a p ( s t o p ) “3 ) “。“5 ” i 电流积分技术中转换器在测量进行期间一崽被占用，这意味着两次测量之间存在很大的 琵瓣闲。遥弱捷逮戆a d c ( 铡魏f l a s ha d c ) 可以减夺a d 转换野耀，然瑟在菜磐揍援 下，出于成本的考虑不得不使掰慢速的a d c 。由于物理实验中的事铡大多懿有统计特性， 搴例的到达时间存在随机性，可以一个模拟存储器来保存下一次转换前的测擞值以将事例率 均匀化，这样，一个f l a s ha d c 可以被几个通道共享。或者可以使用慢速的a d c 。 电流积分技术还有一个比较丈兹疆陷裁怒秘态范围不够大。由于一个电器能被充电选到 麴簸夫电压( 铡翔电源电压) 怒定懿，那么蹭大动态范疆的雅一手段就是敬燮测量静& 锈 常数，或者减小充电电流i ，域者增大存储电容c 。减小充电电流，电路受嗓声的影响将加 大；增大存储电容，由于电容制作工艺的原因，误差也会增大。 1 。3 。2 诗数器技术 1 3 2 1 起停挺计数器技术 起停型计数器时间测量技术的核心是一个高速翻转的格嚣码计数器。“起始”和“停止” 傍号分别控制格黉码计数器的瘵动靼停业，“捧止”信号对应的计数擅则代袭了“起始”翻 “箨壹”信号之阕瓣瞎闯闻疆。赣霉羁计鼗器采糟辩时锌频枣鞫频率稳定健决定_ 对闰努瓣， 渤态范围也可以比较大。如果熄获得高的时间分辨( n s 量缀) ，需要采_ g h z 量级的参考 时钟，目前的电子学工艺已经根难处理，而且计数器连续翻转带来的功耗也相当大。 s i a l ! s t o p 匿1 5 起停翟计数器技术 作为一种替换方案，几个被网时钟静不弼籀位同步的计数器可以在福对慢速的参考时 钟情况下增加分辨“1 ；时间测嫩值很容易从所有计数器的慎用内插的方法得到。合成相位 的准确性决定了能达到的测量精度。 诗致器技术瓣计数值寄存器静亚稳态j # 常敏感。如果“傍止”信号到达对计数器正在翻 转，都_ 幺输出的终莱是不霉预知静，这意味赣霹瑟出现链诿。由于相邻的计数僮只有一个 b i t 翻转，单个的格雷码计数嚣对这个问题相对不敏感。 1 3 2 2 流水线型和数据驱动型计数器技术 起箨型计数瓣技未必须提供“起始”和“捧止”信号才能工作，在现代的菇娆耪理实验 条佟下( 穰翔簿攘实验) ，已经簿疆提供传统意义上靛“超始”或者“癸_ 壹”信号，焉且多 次击中能力也是个迫切的需求，为此发展出流水线型和数据驱动型计数嚣技术，这两种技 术都从一上电计数器就开始翻转+ 不过它们锁存数据的方法有所不同。 普通的流水线型t d c ”1 的缭掏如图1 5 所示。这种t d c 谯每个时钟周期都记录是否有 4 罢季 窭 中国科学技术犬擘博士学位论文第章时间测量方法概述 击中信号，所以可以处理非常离的事例率，触发时间比较蹰定。测量数据的存储和读出的速 度要求捷它爨钱骞易实现却势不缀实爝。 銎l 5 流农线垂t d c 顾名思义数据驱动型t d c 只在击中信号到达的时候才进行数据记录，而且可以设谶 用触发信号来进行数据读出筛选，这样相当于进行了两级数据判选，大大提高了有效数据的 荣宽，降羝7 冀重存簇爨戆容爨爨求。 1 4 增加分辨率的措旌 随着对分辨性能的要求越来越高，传统的电流积分技术：芋口计数器技术报雉满足需要。获 得更毫分辨斡主要途径是黠阍放大窝霹阋蠢捶。下垂讨论这薅静技本。 1 4 1 时间放大 模拟时间放大技术是电流积分技术的扩鼹。在这种方寨中，待测量的时间间隔被放大刘 l ( 继。k 称为放大毽子，其大小取决于电路拣参数。耀氍慧一静t d c 采测攫藏大嚣豹孵鲻 闼隔就可娃获释更好的时闻分辨。 时间放大可以使用几种拓扑结构。最简单的一种实际上类似于w i l k i n s o n 型a d c 。如图 1 6 所示。 图1 6 一种时间放大方法的原域图示 s 中国科学技术大学博士学位论文 第一章时间测量方法概述 在“起始”一“停止”时间间隔内给电容充电，然后用小一些的电流给电容放电。充电和放 电的电流之比就是放大因子k 。如果k 足够大，使用简单的基于计数器技术的t d c 测量放 大后的时间间隔就可以获得较好的时间分辨，更好的分辨可以用基于d l l 的t d c 来获得。 以后的章节将更详细地讨论这种放大方案。 一般的积分技术在积分节点止对噪声和电容的非线性都比较敏感。下面的方法可以降低 这些影响：用两个相同的电容在“起始”和“结束”信号到来时分别被不同大小的电流放电， 电容电压接到一个比较器，其输出标识两个电容电压相等的时刻。如果“停止”对应的放电 电流是“起始”对应的放电电流的k 倍，那么“起始”一“停止”信号之间的间隔可以由 下面的式子表示： k ，、 t 。一t s t a 2 i 了( f ，一t 。hj ( 1 4 ) u 图17 时间扩展电路和波形 这种差分结构中，放大后的时间对电源噪声、电容或者电流的非线性都很不敏感，因为 这些因素以相同的方式影响两个分支任何电容值或者电流大小的不匹配只影响到放大因子 k ，而这个因子很容易在系统开始运行前校准。这种结构的主要缺点是对比较器的失调和不 同共模信号下传输延迟的稳定性要求极高。它极小的动态范围和较大的死时间都限制了在高 事例率场合的应用。将测量以某种方式和一个参考时钟同步动态范围就可以得到扩展。如 果将“起始”信号到时钟上升沿的间隔与“停止”信号到时钟上升沿的间隔之间的差加到这 两个时钟上升沿之间的问隔中，动态范围就不受充电( 放电) 电流大小和电容大小的影响。 1 4 2 时间内插技术 1 4 2 1 内插基础一延迟线技术 如果用基本的c m o s 门作为时间单元，那么限制计数器技术的时钟需求就迎刃而解了。 现代c m o s 工艺的门延时在l o o p s 的量级，因此测量的精度可以大大提高。 在这种技术中，几个延时单元( 一般可以用反相器“”，也可能用传输线中的一段1 ) 组成延迟线，锁存信号沿延迟线的传播情况可以进行时间间隔测量。 图1 8 给出了一个延迟线的例子。每个延迟单元由两个反相器组成，每个输出抽头( t a p ) 与信号的极性一致。如果使用标准的c m o s 工艺，这样的转换器易于设计，而且集成度也 高，包括转换器和大的逻辑单元的复杂系统可以集成在单个的低功耗i c 上面。然而，c m o s 门延时与工艺参数、供电电压和温度高度相关，因此这样的转换器需要经常校准。转换函数 的线性取决于延迟单元匹配的程度，必须遵循严格的设计流程来减少失配。为获得大的动态 范围需要有很长的延迟线，长线很难制作，因此这种技术基本上作为内插的基础。 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章时间测量方法概述 p u i 凹 匕匕 t a p 0t a pit a p2t a p3t a p 4t a p n 图l - 8 用两个反相器作延迟单元的延迟线 1 4 2 2 与参考时钟相关的内插方式 ! 很多内插方式都用一个时钟信号来引导，主要是将时钟周期内分以提高精度。 p h a s e p h a s e p h a s e p h a s e p h a s e p m s e p h a s e p h a s e p h 苗e n = 1 0 图i 9 将时钟周期内分成1 0 等分 图1 9 是将一个时钟周期内分成l o 等分的示意图。这样相当于将时钟频率提高了1 0 倍 测量精度自然大大提高。 1 4 2 2 1 锁相环( p l l ) 技术 将延迟线闭合在一个压控振荡器( v c o ) 中，振荡频率通过一个反馈环控制，就构成 了锁相环( p b a s el o c k e dl o o p ，p l l ) 。p l l 是一种自动反馈增益控制电路，常用于锁定相 位，为系统提供与参考时钟相位相同的稳定时钟。它主要由电压控制振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，v c o ) 、鉴相器( p h a s ed e t e c t o r ，p d ) 、环路滤波器( l o o pf i l t e r ) 和 参考时钟源组成，其中参考时钟源通常为晶体振荡器，如图1 1 0 所示。 图1 1 0 锁相环基本原理 当压控振荡器的频率由于某种原因发生变化时，压控振荡器的相位必然会与输入时钟的 相位不同，通过鉴相器可以立即判断二者之间的关系，并给出相应的反馈控制信号，使v c o 7 中国科学技术大学博士学位论文第一章时间测量方法概述 又回到稳定态。 鉴相器可以用模拟方法构成1 1 2 1 ，也可以用数字方法构成1 1 3 1 。如果是模拟鉴相器，鉴相 器会给出与相位成正比的控制电压通过低通滤波器得到压控振荡器的控制电压，使得压控 振荡器的振荡频率及相位向与参考时钟的频率及相位接近的方向变化，最终通过这一负反馈 过程使得压控振荡器的工作与参考时钟同步。如果是数字鉴相器，鉴相器会给出逻辑控制信 号，通过环形滤波器转换为控制电压，使得压控振荡器的工作回到与参考时钟同步。 环路滤波器一般是个低通电路。以滤除环路的高频噪声，起到滤波平滑作用，以保证环 路稳定、改善环路跟踪性能和噪声特性。 压控振荡器也有多种实现方法，其中比较有特点的一种是使用压控延迟单元组成自激振 荡回路1 ，如图1 11 所示，这种结构的v c o 可以实现时间内插测量。 ( a ) ( b ) 图111 非对称环形振荡器和定时波形 非对称环形振荡器主要用于数字信号锁相，其中使用了压控延迟单元。压控延迟单元利 用场效应管漏级输出上升时间受栅极电压控制的特性来实现压控延迟。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章时间测量方法概述 图11 2 用非对称环形振荡器获得时问信号 这种系统可以产生时间测量中使用的精确定时信号。在环路中包含振荡器保证了自校 、准，而且对环境和处理工艺改变的敏感程度小。和其它任何基于延迟线的结构一样，延迟单 元之间的不匹配影响了转换的线性。使用非对称的环形振荡器或者差分对作振荡单元，可以 方便地在每个时钟周期得到2 “个时间码，这种技术的性能受参考时钟影响。 基于p l l 的电路可以很方便地滤除参考时钟上的相位噪声( j i t t e r ) ，因此放松了对时间 参考路径上的限制。环路内部的噪声也可以被滤除。通过计算振荡环路的振荡次数，可以获 得大的动态范围。因此测量的最低有效位来自p l l ，晟高有效位来自计数器。既然测量的两 个部分都来自同一个参考信号( 振荡周期) ，最后的结果是确定的。p l l 是非常成熟的技术， 有许多资料描述了它的灵活性、高的集成能力和低功耗“”。但是，它们需要仔细的布局布 线以保证所有单元的延迟相同以及每个单元的输出互连电容是匹配的。p l l 是二阶或高阶系 统，应充分考虑环路的稳定性。 1 4 2 2 2 延迟锁定环( d l l ) 技术 如果延迟环路不是闭合的，并被包含在一个反馈控制环中，那么就得到了延迟锁定环 d l l 的形式1 1 6 l , 控制环有很多种拓扑结构，但是它们都包括一个相位检测器来检测相位误 差并将其转换成一个有意义的数据量。和p l l 不同的是，参考时钟信号直接馈入压控延迟 线( v c d l ) ，它的相位与延迟线的输出信号相位作比较。 d l l 和p l l 有相同之处，例如获得精确定时信号的能力，自校准能力和大的动态范围。 为了保证连续的延迟单元之间的线性，器件的匹配非常重要。 自校准基于来自延迟链的两端的相位信息。为了保证延迟链总是校准的，参考时钟必须 一直在延迟链上传输，因此不管击中信号率的大小都有一定程度的功耗。 图1 1 3d l l 结构 通过引入一个和参考时钟同步的计数器可以获得比参考时钟周期更大的动态范围。因为 d l l 和粗计数器的值都是来自参考时钟，动态范围的扩展是不言而喻的。通过这种技术可 以得到时间测量值参考时钟信号的时间戳转换器。在许多应用中，时钟可以作为“起始”或 者“停止”信号。如果不是这样，“起始”和“停止”之间的间隔也很容易由两个信号对应 的时间戳相减得到。 与p l l 环路不同的是，这种控制环路不能滤除耦合到参考信号上的噪声。因此关键的 9 中国科学技术大学博士学位论文第章时间测量方法概述 定时路径必须设计或对噪声不敏感，而且参考信号必须稳定。延迟锁定环路的设计也很重要， 疲该僳疆每个廷逡单元有秘露豹延逛赞蝗。 1 4 2 2 3 延迟镄定环阵列 使用具有几个相同偏移的d l l 的阵列可以将系统的分辨攀提高到门延时的分数倍水平 1 7 3 ”。一个单独的由更少延迟单元组成的d l l ( 被称作棚移d l l ) 用来糟确产生所需的 攘移。为了捷蒜溯量薅疫，d l l 之惩熬攘移擞该是基本弱筵避单元我瓣惩瓣势数壤。这个 分数不能直接得到。但是比基本延迟单元的时延大分数倍的时延报容易用锁定到相同参考僚 母的相移d l l 得到，如图1 1 4 所示。 、l 霆1 1 4 青移禚d l l 弱d l l 跨刭 这种电路的时间码宽( b i ns i z e ) 定义为 酝= 艺鲁一等 强弱 如果所需的时间码宽是d l l 阵列中基本延迟筚元的时延的l ，f ，并且满足： r = ：t o ( 1 + i f ) ( 1 6 ) 鲻么m 、n 彝f ( 缘为整数) 之阉瓣关系是： m = 二一 ，+ 1 f 1 7 1 遮秘方寨静缺点是不旌把参考薅号鳃周期分或2 豹幂次令l l 譬淘玛宽。这藏跫漫所褥豹测 爨僮的最小单元不是l 彦。，而怒1 ( n f ) ，所以如栗需要将这个测量值和冀它的测量毽( 锶 如用粗计数器扩展的动态范围) 一起使用，需黉用一个特殊的转换器将这种码转换成标准的 三进制代码。将邀种结构进一步扩展，使用辅助的延迟线可以实现时钟周期的任意数目的细 1 0 中爨科学技术大学搏士学位论文 第章聍瓣粼耋方法壤述 分。不过这增加了阵列的复杂程魔，因此更难以设计。由于这种结构中多个d l l 一直处于 工作状态，因此功耗很大，如果几个通道共享一个阵列，功耗可以减小一些。和所有的基于 d l l 的技术一样，遮静技术可以用标准的数字c m o s 工艺实现，因北可以在单盼您中将它 秘箕崧数字憝瑾逻辑蹇残在一惹襁娥系统。 1 a 224 无源r c 惩迟线配合d l l 撼高能直接得到的有限时间分辨的手段是采用内插，它们通常需要更多的拓扑结构复杂 的控制环路，这导致了更大的功耗潮非线性的增加。 鼯一静绘定瓣绥梅，凳毒使建谯每条金属线箨多硅线上罄存在豹毒生r c 延迟线方能获 得最小的延迟量。因为工艺的限制，这种方法椅酶的延迟线的参数离散性很大，使它们豹精 确延时很难预测。同时，它们对供电电压和温度变化也比较敏感。 为了从这种延迟线上获得所篱的时延，必须进行校准。校凇_ 燕要在刚使用的时候进行， 在正嚣撩终纂传时、缓攫静遗度交纯秘电滠毫莲变诧不会显著影晌延迟线的蠖缝。 遮静延述线可以作为单独秘惩邂产生单元，德是用这种方式傲成的转换嚣的动态非常 小。幽结合d l l 使用的时候，动态范围可以大大增加。这种转换嚣将高精度加入到d l l 构 架的t d c 的其它好处中，例如大的动态范围和自校准“”。图1 1 5 演示了这种结构o 当击 中信号达至的时候，d l l 的状态被躲固定蛉时闻阍蕊连续采样几( m ) 次。如暴这个对闻 阀戮跫延迟攀元辩筵豹t m ，逶过蕊涮在释一个采榉篷后瑶参考时锋还没寿传巍，藏可璐技 到在d l l 延时单元的时延中的内插点。 如果参考时钟的周期是t d l l 由n 个延避单元构成那么转换器的时间码宽是 = 去 ( 1 8 ) 这种方法中对m 和n 没有限制，因此可以直接获得= 进制豹测赞值。 h i t 强1 1 5 捷c 肉插 为了真正实现自校准。实现这种方案的电路中应该包括刚开贻时对r c 校准的硬件电 路。麓零的玛密度测试就完全可以刻艘r c 延迟线了，从这种亥4 度中可以得到校躔参数并作 焉弱燕逐线上。 1 4 2 2 5 模拟对闻内插 程一个锁定的d l l 中，沿着娥迟线传播的信号的沿变的斜率撼本恒定，这个沿变和延 迟单元的延时直接相关。在连续的t a p 将信号模拟棚藤，可以在这些t a p 中找到一个内捶 点，获褥魄延遥单元豹内在延逛更鬻豹分辨拳平。 中嗣科学技术大学博士学位论文第一章时间测量方法概述 图1 1 6 模拟时间内插技术 这耱系绞浚谤瓣难度在予嚣要篷配逶过稷麴邀路豹延迟秽孰t a p 壹接糖袋我售号。一 个变通鲍方法慧当击中信号到达时存储所有t a p 上的模拟电驻，然后再谶杼商插，或者采 用模拟相加，或者将模拟电压输入到一个权重滤波器，它的输出被a d c 转换为数字量。 用p l l 结构控制的小环路振荡器也被用以构建时间内插“”。通过在非内插t a p 包含一 个伪攘摈摆位肉援器( 在它的掰个输入熬电压投重和) 可以褥捌不同时间接汰之闯歪迟的一 除稿等。在这耱方案中，耜位海搔电路必矮校准戳增热雨插靛线性。 其它的内插技术努力以“数字”的方式产搬电压积分技术中典型的电压斜坡。当“起始” 信号沿着延迟线传播的时候，谯相加点产生一个电压阶梯。姆个阶梯代表“起始”信号穿 过了一个新的聪迟单元。用高盼滤波器来平滑阶梯的边沿，于怒就可以获得想鬻的电压斜坡。 “捧盘”售号强逵每个延迟单元滋入离疆菰态势基在滤波嚣懿辕蠢辑嚣保持憩窑，使缍鬃戆 测量值能够傈撩越够长的时间等待a d c 的处髓。 与电流积分技术相比，这种方案对耦合到相加点的噪声的抗噪性能更好。既然内插是阻 性的，内插点比容性节点的阻抗小得多，因此没有影响整个测量周期的噪声累计效应。为了 将测量蓬转纯为二进翱数字，必续壤瑗a d c ，这将增翔功耗粒藏本。 嚣1 1 7 往藤对游蠹搓的时闻一穰致转按器 1 4 2 3 不使用参考时钟的内插方式 1 4 23 1 游摭麓分技术 这种技术楚种模授游标技术豹发展，瑁受方使的舂不阏擎元延迟的延迟缓取代了蠲期 略微不同的参考时钟信号i 2 t 。“起始”和“停此”信号分别程两条延迟线中传输。 1 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章时问测量方法概述 t a p0+ r a pit a p2t a p3t a p 4 图1 1 8 时间游标技术 ! “停止”信号的上升沿锁存“起始”信号延迟线的状态。假设“起始”信号延迟线的单 位延迟t l 比“停止”信号延迟线的单位延迟t 2 略大，那么第一个没有被置位的触发器的位 置n 给出了时间间隔：t m = n ( t i t 2 ) 。 这种方法可以获得很好的时间分辨，出于工艺上的考虑可以作一些改进：“停止”延迟 线可以用每个d 触发器的延迟代替；另一个技术是在“停止”路径上用一条有不同上升时 间t r 和下降时间t f 的延迟线，并将“起始”信号接到逻辑l 。由于上升沿和下降沿传播的 速度不一样，因此会得到一个越来越窄的脉冲，第一个没有被置位的d 触发器的位置给出 了用t ，一t f 表示的时间间隔。 这种转换器的动态范围非常有限，为达到所需的精度可能需要很长的延迟线。当一个脉 冲在延迟线上