第十七讲 时间测量方法

第十七讲时间测量方法第1页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

2时间应用基础研究原子核和粒子物理研究、地球动力学研究、相对论研究应用研究、国防、国民经济建设航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等第2页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

3固定靶实验中的时间测量高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一加速的脉冲束流轰击固定靶，产生的次级粒子被固定靶后面的探测器“墙”检测对每个事例，束流探测器探测到每个束流作为每个事例的“起始”信号，所有探测器的输出经甄别后接到时间测量电路中作为“停止”信号第3页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

4对撞实验中的时间测量高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一两束粒子被加速后相撞，对撞后产生的次级粒子从对撞点向四周飞行，围绕着对撞点放置大量探测器通过测量带电粒子的飞行时间△t，结合径迹探测器测量同一粒子的动量p和飞行径迹长度l，得到粒子的本征质量m0，鉴别出带电粒子的种类第4页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

5粒子物理实验中的时间测量TOF:TimeofFlight第5页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

6飞行时间质谱仪中的时间测量1/2mv2=eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/2第6页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

7激光测距中的时间测量由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管雪崩光电二极管：内部具有放大功能的光学传感器，能检测极其微弱的光信号记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的往返时间tD=ct/2要想使分辨率达到10cm，则传输时间的测量分辨率好于600ps第7页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

8子弹速度测量中的时间测量第8页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

9超声波流量测试里的时间测量第9页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

10超声波厚度、密度检测中的时间测量厚度检测密度检测第10页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

11时间测量电路的性能参数动态范围（measurementrange,MR）分辨率（resolution/leastsignificantbit/quantizationstep,LSB/Bin）精度（standardmeausrementuncertainty/randomerror,RMS）非线性（DNL、INL）死时间（deadtime）读出速度……第11页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

12基本的时间测量方法波形数字化甄别与数字变换定时甄别：将一个物理事例的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号前沿定时过零定时恒比定时……时间数字变换（TDC）第12页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

13TDC的分类按实现手段分类模拟式（TAC+ADC……）数字式（计数器型……）按测量对象分类起停型（Start-StopType）TDC时间戳型（TimeStampType）TDC流水线型（Pipeline）TDC事例驱动型（DataDriven）TDC如何得到高的时间分辨？第13页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

14TAC时间测量（起停型）较小的死时间取决于ADC转换时间可达到较高分辨率目前LSB：1ps~20ps容易受环境温度和外界干扰影响影响时间测量精度的主要因素：恒流源的稳定性、充电电容的线性、电路噪声（特别是积分环节上的噪声），及后续ADC电路的特性第14页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

15简单起停型TAC工作波形图（1）正常工作第15页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

16起停型TAC工作波形图（2）有起无停/超出动态范围先停后起第16页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

17差分电流积分TAC工作原理第17页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

18差分电流积分TAC工作波形第18页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

19时幅变换的性能指标及测量时间测量精度积分非线性微分非线性第19页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

20Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）第20页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

21直接时间数字变换（计数器型）易于实现异步计数器同步计数器格雷码计数器容易得到大的动态范围增加一个触发器即扩大一倍动态范围精度不易提高1GHz时钟频率LSB=1ns与信号异步，最大误差±LSB可通过多次测量求平均提高精度第21页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

22起停计数型TDC工作原理CounterClockStartStopStart-stoptype第22页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

23起停计数型TDC工作波形第23页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

24起停计数型TDC最好使用格雷码计数器自激振荡时钟和他激振荡时钟提高分辨率依赖于时钟速度的提高，困难可以利用时间内插方法提高分辨率第24页，共31页，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

25自激时钟造成计数误差第25页，共31页，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

26电路构成：

门电路A、B和延迟器构成一个多谐振荡器

D型触发器为多谐振荡器的控制电路初始状态：

/Q=H，封锁门A

门A的输出=H

门B的互补输出=L工作状态：

/Q：HL，解除封锁

门A的输出：HL

门B的互补输出：LH

然后循环跳变他激振荡——门控多谐振荡器第26页，共31页，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

27门控多谐振荡器电路设计考虑两个基本的设计考虑，确保门控多谐振荡器的性能：采用速度最快的ECLinPS电路ECLinPS电路最小传输延迟时间为300ps，上升、下降沿不超过500psECLinPS电路的亚毫微秒传输延迟时间和上升、下降沿确保了多谐振荡器状态的快速翻转，最大限度地消除了时钟抖动起振时间仅仅取决于D型触发器和门A的传输延迟时间，其数值大约为数百ps，而且ECLinPS电路传输延迟时间的不确定性非常小，因而其同步误差极少使用ECL的有源延迟线作为定时电路采用高速ECL有源延迟线来取代RC定时电路，产生必需的延迟时间，这样就有效地消除了由RC定时电路带来的时钟抖动第27页，共31页，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

28门控多谐振荡器的特点同步性能好同步误差可以小到几十ps的数量级起振快仅仅取决于D型触发器和门A的传输延迟时间，其数值大约为数百ps频率范围大，调节方便调节定时电路的延迟时间，可以很方便地调节输出时钟信号的频率频率稳定性较好ECL电路的温度补偿电路和稳定的工作电流特点，使其传输延迟时间随温度和工作电压的影响较小，因而，相对TTL和CMOS电路有较好的频率稳定性ECL电路的快速前、后沿，使得信号抖动较小第28页，共31页，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

29起停型和时间戳型TDCCounterClockStartStopStart-stoptypeCounterClockRegisterHitResetTimeStamptype第29页，共31页，2023年，2月20日，星期三20