高精度時間測量電路與實現(xiàn)

李范益 蔣安平

摘要：本文介紹了不同類型的時間測量方法，討論了實現(xiàn)高精度時間測量所采用的電路與實現(xiàn)技術(shù)。通過這些方法可以實現(xiàn)皮秒(ps)級的時間測量，滿足不同應(yīng)用場合的需求。

關(guān)鍵詞：時間測量；TDC；抽頭延遲線法；游標(biāo)法；電容充放電法

引言

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重要的作用。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(jié)束信號stop之間的時間間隔測量。通過電子電路實現(xiàn)高精度時間測量的方法有多種、此類電路的名稱也很多，包括時間間隔表(TIM)、時間數(shù)字化器(timedigitizer)、時間計數(shù)器(TC)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等，目前比較常用的名稱是TDC。TDC電路有不同的原理和實現(xiàn)方法，目前常見的方法包括抽頭延遲線法、游標(biāo)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(jìn)行采樣計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值來計算時間值，這種方法就是直接計數(shù)法，其時間計量的最小分辨率是用于計數(shù)的時鐘周期。為了提高測量分辨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(wěn)定傳輸都比較困難，所以通過這種方法很難實現(xiàn)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。但這種方法經(jīng)常可以和后面介紹的其他測量方法結(jié)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(jìn)行傳輸，通過抽頭信號探測它在被測量時間段內(nèi)傳遞到的位置，從而判斷時間測量的結(jié)果。相鄰抽頭之間的信號延遲時間就是測量的最小分辨率。在電路中實現(xiàn)時，延遲線一般是通過延遲單元構(gòu)成的，測量的分辨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大約10¹～10²ps量級，對于大多數(shù)測量來說，這樣的分辨率已經(jīng)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(jīng)過延遲線傳輸?shù)拈_始信號進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果Q0～Qn(溫度計型編碼)就可以知道開始信號經(jīng)過被測時間段傳遞到的位置，由此可以根據(jù)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(shù)量)決定。這種結(jié)構(gòu)是構(gòu)成很多時間測量電路的基礎(chǔ)，通過與其他技術(shù)結(jié)合可以形成不同的實用電路形式。

基于游標(biāo)法的時間測量

時間測量也可以采用類似機(jī)械游標(biāo)卡尺的方法。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(jié)束信號進(jìn)行傳遞、檢測開始與結(jié)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(jié)束之間的時間差。基本的游標(biāo)法時間測量電路原理如圖2(a)所示，其中通過觸發(fā)器采樣進(jìn)行開始與結(jié)束信號是否重合的比較。另有一些設(shè)計中采用了專門的信號重合檢測電路代替觸發(fā)器，一種信號重合檢測電路形式如圖2(b)所示，根據(jù)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(dá)的先后次序，實現(xiàn)重合的判斷。

在基本的游標(biāo)法時間測量電路中，當(dāng)檢測到經(jīng)過延遲線傳輸后的開始與停止信號在某點發(fā)生重合時，在Tstop－Tstart<τ1的情況下通過計算可以知道：

Tstop－Tstart=(n－1)x(τ1－τ2)其中n是經(jīng)過的比較級數(shù)。

這種測量方法的分辨率是兩條延遲線中延遲單元的時間差，即(τ1－τ2)，在電路設(shè)計時要保證τ1>τ2。其量程由延遲單元數(shù)量和τ1、τ2共同決定。可以看出這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)比抽頭延遲線法更高的測量分辨率，前提是保證用于測量的兩條延遲線中的單元有穩(wěn)定的延遲，為了達(dá)到這一目標(biāo)常常通過PLL或DLL來產(chǎn)生具有穩(wěn)定延遲的延遲線。

基于電容充放電法的時間測量

基于電容充放電法的時間測量是利用恒流源在被測量時間段內(nèi)對一個電容充電，之后的處理方法又分成兩種：一種測量方法是利用兩個恒流源，其中一個用于電容充電，另一個用于電容放電但是比充電恒流源小得多，開始測量時在被測時間段內(nèi)用充電恒流源對電容進(jìn)行充電，然后用放電恒流源對剛進(jìn)行充電的電容進(jìn)行放電，充電電流和放電電流的比值決定了充電時間與放電時間的比值，通過這種方法實現(xiàn)被測時間段的放大。經(jīng)過放大的時間可以采用分辨率更低也更容易實現(xiàn)的方法進(jìn)行計量。這種方法的原理如圖3所示，圖中左上角給出了進(jìn)行充放電的波形。這種方法要求用于充電的恒流源I1遠(yuǎn)大于用于放電的恒流源I2，假定I1與I2的比值為K。可以看出：

Tr／T=(I1-I2)／I2=K-1

所以被測量時間段的放大倍數(shù)是由I1與I2的比值K決定的。這種測量方法的分辨率由充放電恒流源的精度、電流大小的比值和用于放電結(jié)束判斷的電壓比較器精度共同決定。

另一種測量方法是在被測時間段內(nèi)完成電容充電后，直接使用ADC對電容上的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果即可計算出充電的時間。它的原理如圖4所示。與前面通過放電實現(xiàn)時間放大的方法相比，這種方法可以完成更高速的測量。它的測量精度由充電恒流源和ADc的精度決定。

其他類型的時間測量

在時間測量中還有一些其他的電路形式。例如，文獻(xiàn)[6]采用了時間間隔放大電路來完成時間的放大，從而實現(xiàn)精確時間測量。這種時間放大電路形式如圖s所示。通過它的放大可以把一個微小的時間間隔信號放大成一個比較容易測量的信號、從而可以提高測量的精度。按照[6]中的介紹，它具有類似普通放大器對電壓的放大功能，可以實現(xiàn)對時間間隔的放大。

結(jié)語

本文討論了高精度時間測量電路TDC的原理和實現(xiàn)技術(shù)，在實際電路設(shè)計中上述各種方法常常是結(jié)合使用的，目前可以實現(xiàn)Ps級的時間測量，可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同需要采用不同的形式來滿足測量的要求。隨著儀器儀表的更新和電子技術(shù)的發(fā)展，TDC電路也在不斷開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，并將得到更廣泛的應(yīng)用。