高精度時(shí)間測量電路與實(shí)現(xiàn)

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

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

　　引言

　　時(shí)間作為一個(gè)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(shí)間測量是指對一個(gè)時(shí)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(shí)間間隔測量。通過電子電路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測量的方法有多種，此類電路的名稱也很多，包括時(shí)間間隔表(TIM)、時(shí)間數(shù)字化器(time digitizer)、時(shí)間計(jì)數(shù)器(TC)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)等，目前比較常用的名稱是TDC[1~2]。TDC電路有不同的原理和實(shí)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(shí)鐘脈沖的時(shí)間測量

　　最簡單的TDC電路就是通過時(shí)鐘信號對要計(jì)量的時(shí)間范圍進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值來計(jì)算時(shí)間值，這種方法就是直接計(jì)數(shù)法，其時(shí)間計(jì)量的最小分辨率是用于計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期。為了提高測量分辨率只能提高時(shí)鐘的頻率，但由于超高頻率時(shí)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(shí)現(xiàn)ps級的精密測量，這一弱點(diǎn)使得它無法在需要精密時(shí)間測量的場合使用。但這種方法經(jīng)?？梢院秃竺娼榻B的其他測量方法結(jié)合起來使用，互相取長補(bǔ)短。

　　基于抽頭延遲線法的時(shí)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(shí)間段內(nèi)傳遞到的位置，從而判斷時(shí)間測量的結(jié)果。相鄰抽頭之間的信號延遲時(shí)間就是測量的最小分辨率。在電路中實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(shí)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(gè)延遲時(shí)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(shí)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(jì)型編碼)就可以知道開始信號經(jīng)過被測時(shí)間段傳遞到的位置，由此可以根據(jù)每個(gè)單元的延遲時(shí)間τ計(jì)算出被測的時(shí)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(shí)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(shí)用電路形式。

　　基于游標(biāo)法的時(shí)間測量

　　時(shí)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(shí)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(shí)候重合，通過重合點(diǎn)的位置即可得到開始與結(jié)束之間的時(shí)間差?；镜挠螛?biāo)法時(shí)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(jì)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[3]，根據(jù)這種電路的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)重合的判斷。