专题---TDC时间转换技术

1、TDC时间数字转换技术及应用华中科大自动化学院测量系张洪1. TDC的概念TDC:Time-to-Digital Converter “时间数字转换技术” or “时间数字转换器” 用于测量两个时间事件间的间隔2.TDC技术应用领域 TDC技术广泛的应用于时频测量、航空航天、卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理和粒子物理探测等领域，并且这些领域的先进水平与时间间隔测量的精度密切相关。 本课程中的科式流量计相位差测量、超声流量计、行程回差式物位计（超声、雷达、激光）等也将应用。2.TDC技术应用领域高精度的时间间隔测量要求达到皮秒（ps）水平ps是什么概念？ 1秒=10-12秒 如果用激光测距

2、光速为： 299792.458Km/s=299792458m/s 要达到1cm的精度，需要时间测量精度为：1100(299792458)=3.3356410-11秒=33.3564皮秒3.TDC原理 传统的时间差测量采用模拟的方法： 时间间隔扩展法、时间-幅度转换法 *需要用ADC把模拟量再转换为数字量 数字法实现TDC也有多种方法： 直接计数法、游标法、抽头延迟线法、差分延迟线法等3.TDC原理 1）直接计数法 待测时间为T，参考时钟周期为T0，计数脉冲个数为M，则： 实际测得时间间隔为： 测量误差为：3.TDC原理 1）直接计数法 基于直接计数法的测量分辨率和测量精度由参考时钟信号的频率和

3、频率稳定度决定 时钟信号的温度漂移、时间漂移影响 时钟频率过高(10GHz)，会引入很大的时钟抖动，增大测量误差3.TDC原理2）游标法 *类似游标卡尺类似游标卡尺 的工作原理的工作原理a）T1和T2是两个周期相差很小的时钟信号：T1T2b）启动信号START启动T1的计数c）停止信号启动T2的计数d）对T1和T2的计数直到T1和T2边沿重合，则有：3.TDC原理2）游标法 测量电路测量电路误差影响：要求T1和T2具有高稳定性与高可靠性； 待测时间较长时，精度难以保证；扩展：增加测量范围的同时提高精度 多层次测量法，多维延时矩阵法，循环游标延迟链法等3.TDC原理2）抽头延迟线法 原理：每个触

4、发器传输延时时间为 ； 启动信号START在触发器间传输时，被STOP信号锁存； Q1QN指示出START信号传输的位置，如1110000，表示 START信号传输了3个触发器 设传输门数量为n，则被测时间间隔为3TnT 3.TDC原理2）抽头延迟线法其他类型的电路 3TnT 3.TDC原理2）抽头延迟线法 nT 影响因素：传输延时时间 是否精确决定了测量的精度和分辨率； 一般触发器的延时时间在纳秒（ns）级 3.TDC原理3）差分延迟链法 原理：START信号延迟链： STOP信号延迟链： 二者需要满足： ？ 设延迟链门电路数量为n，则被测时间间隔为)(12 nT12123.TDC原理3）差

5、分延迟链法 特性：测量的稳定度则由两条延迟链的延迟一致性决定)(12 nT4.TDC实现方法目前TDC实现方法有两种： 专用芯片实现：ASIC-TDC 可编程逻辑：FPGA-TDC基本特点ASIC-TDC设计周期长，成本高，信号延迟固定，可获得较高精度；FPGA-TDC成本低，灵活，延迟一致性难以保证；4.TDC实现方法ASIC-TDC实现 该该TDC实现实现20ps分辨率分辨率4.TDC实现方法ASIC-TDC实现*即使专用芯片延迟单元时间可控，但延迟时间依然收到温度和电压的影响 4.TDC实现方法FPGA-TDC的实现FPGA：可编程门 阵列器件成本低； 开发周期短； 设计灵活性强； 收布

6、线策略影响 延迟时间不容易控制 一致性较差 该该TDC实现了实现了200ps分辨率分辨率FPGA-TDC实现实现50ps以下分辨率就比较难了以下分辨率就比较难了5.TDC芯片及应用实例ACAM公司TDC芯片： TDC-GP1， TDC-GP2(65ps)， TDC-GPX(10ps)， TDC-GP21（热能表） TDC-GP22（超声水表）5.TDC芯片及应用实例 TDC-GP1主要应用于超声波流量仪超声波流量仪、高能物理和核物理、各种手持/机载或固定工的高精度激光测激光测距仪距仪、激光雷达激光雷达、激光扫描仪、CDMA无线蜂窝系统无线定位、超声波密度仪、超声波厚度仪、涡轮增压器的转速测试仪、张力计、磁致伸缩传感器、飞行时间谱仪、天文的时间间隔观测、频频率和相位信号分析率和相位信号分析等高精度测试领域。 TDC-GP22应用于超声水表的样例5.TDC芯片及应用实例 TDC-GP2