基于FPGA的高精度時間數(shù)字轉換電路的設計與實現(xiàn)

1．引言

時間數(shù)字轉換電路 TDC (Time to Digital Converter)廣泛應用于高能物理中粒子壽命檢測、自動檢測設備、激光探測、醫(yī)療圖形掃描、相位測量、頻率測量等研究領域[1]。如在醫(yī)療圖象掃描儀 PET中廣泛使用 TDC設備，其原理是檢測人體內(nèi)正電子對消失后產(chǎn)生的一對 gamma射線光子，利用模擬電路將所釋放的 gamma射線光子與閾值比較，并在高于該閾值時產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，數(shù)字 TDC電路測量該觸發(fā)脈沖到達的時間。早期該類設備中的 TDC的分辨率為 2.5ns，目前新型設備中分辨率已達 1.4ns [2]。在激光探測中，TDC電路用來測量 TOF(Time of Flight for Laser)，即分辨從激光源到目標后再返回到激光檢測器的時間[3]。另外，TDC也是間接實現(xiàn) ADC的手段之一。如果在模擬信號前加一個 ATC（Analog to Time Conversion），加上后續(xù)的 TDC部分則可以完成 ADC過程。

早期 TDC電路通常由印刷線路板（PCB）上的分立元件組成，且通常是模擬－數(shù)字混合電路，因此功耗和體積較大、電路的一致性較差。超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝的進步使TDC設計在保持高分辨率的前提下向高集成度、低成本、低功耗方向發(fā)展。同時全數(shù)字集成（All DIGItal Integration）電路設計因工藝簡單、設計成本較低、設計難度較小、流片成功率高等因素而一直是電路設計人員追求的目標，全數(shù)字的 TDC也是研究人員關注的問題。

文獻[4]于 1993年報道了一種基于環(huán)形延時門的全數(shù)字 TDC設計。該設計以 1.5微米 CMOS工藝實現(xiàn)了 13位數(shù)字轉換輸出，芯片面積為 1.1mm 2,分辨率為 0.5ns。之后于 2003年，該作者在文獻[5]報道了一種全數(shù)字化的模數(shù)變換電路，該電路基于環(huán)形延時門的全數(shù)字TDC實現(xiàn)。文獻稱以 0.8微米 CMOS工藝在 0.45mm 2面積上實現(xiàn)了 18位全數(shù)字的 ADC。

隨著集成電路（IC）制造工藝的不斷進步，以FPGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD（ Complex Programmable Logic Device）為代表可編程邏輯器件 PLD產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，逐漸蠶食專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）所占市場份額。這一發(fā)展使得基于PLD的TDC設計成為可能。眾所周知，基于PLD的設計可以有效地縮短研制周期，
提高設計靈活性和可靠性，降低設計成本且無流片風險。成功設計的IP核（Intellectual Property Core ）與工藝相對獨立，可靈活地移植到其他SOC，使設計重用變得十分方便。

本文借鑒文獻[4]和文獻[5]的環(huán)形延時門法提出一種基于 FPGA的高精度 TDC的設計方法，為了適應 FPGA設計，對延時門法做了改造。如果簡單移植延時門設計，在 FPGA中實際是行不通的。因為與 ASIC設計不同，在 FPGA里門電路是由 EDA軟件綜合后實現(xiàn)，首先很難保證各門之間的延時一致性；其次，在時序上也很難保證和其他電路的配合。為了提高分辨率，與單純計數(shù)型 TDC不同，本設計中也采用類似環(huán)形延時門設計的粗計數(shù)和細計數(shù)兩部分電路對給定的時間量進行測量，粗計數(shù)部分控制測量范圍，細計數(shù)部分則由環(huán)形移位寄存器代替環(huán)形延時門實現(xiàn)。本轉換電路以 QuartusII 4.2為軟件平臺在 Altera系列芯品上實現(xiàn)，時序仿真表明昀高分辨率可達 3.3ns。

2．基本工作原理

基于環(huán)形延時門的 TDC系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 所示，PA是起始脈沖，由非門組成的特定結構延時鏈提供脈沖 PA的延時信息。在 PB上升沿，延時信息經(jīng)鎖存編碼電路鎖存并編碼后輸出，脈沖 PB與 PA之間的時間差即由編碼輸出的數(shù)字量表示。實驗結果表明，該方法適用于 ASIC實現(xiàn)，但不適用于 FPGA實現(xiàn)。原因是目前 EDA工具中綜合器的綜合結果是從設計對象的邏輯功能出發(fā)，而不注重設計者所特定的電路結構，而根據(jù) FPGA電路的內(nèi)部電路特點，文獻[2]提供的延時鏈結構并不適于在 FGPA上實現(xiàn)。FPGA內(nèi)部布線延時的不確定性會大大增加各單元延時信息的離散性。文獻[6]介紹了該方法的 CPLD實現(xiàn)，但該法針對具體芯片附加了許多約束條件，延時鏈中每個非門由片內(nèi)的一個邏輯宏單元 LE實現(xiàn)，由于 CPLD容量相對較小，導致芯片資源利率低，芯片間的移植性差,且由于 FPGA與 CPLD結構上的差異暫無法在 FPGA上實現(xiàn)。以下介紹一種全新的基于 FPGA的高精度 TDC設計方法。

基于 FPGA的 TDC電路原理如圖 2所示，該電路包括 16位環(huán)形移位寄存器 (Ring Shift Register)、16位輸入 4位輸出的編碼電路 (Encoder)、時鐘管理模塊(Clockmgr)、8位通用計數(shù)器單元(Counter)、復位邏輯(Reset Logic)和輸出邏輯部分(Out Logic)。其中環(huán)型移位寄存器和編碼器組成該電路的細計數(shù)器部分，用來控制電路測量精度；通用計數(shù)器作為粗計數(shù)部分，決定電路的時間測量范圍；時鐘管理模塊通過調(diào)用 FPGA內(nèi)部 PLL資源用來為移位寄存器提供合適的工作時鐘；復位邏輯控制整個 TDC電路的復位動作；輸出邏輯將轉換數(shù)字量的細計數(shù)和粗計數(shù)部分組合為昀終系統(tǒng)輸出。

16位移位寄存器構成如圖 3，由 16個帶異步復位和置位端的 D觸發(fā)器組成，初始狀態(tài)或復位后電路節(jié)點 p15被置位高電平，其他節(jié)點（p14至 p0）被復位至低電平；正常工作時，在移位脈沖 clk上升沿時高電平在 16個電路節(jié)點中循環(huán)出現(xiàn)，通過檢查某時刻電路節(jié)點的狀態(tài)（高電平的位置）可以判斷系統(tǒng)所經(jīng)歷的移位脈沖 clk的數(shù)量，電路的時間分辨率即為 clk的時鐘周期。編碼器對移位寄存器節(jié)點狀態(tài)編碼并作為測量電路細計數(shù)部分的 4位輸出。通用計數(shù)器工作在移位寄存器節(jié)點 p15的上升沿，其計數(shù)周期為移位脈沖周期的 16倍，完成低位到高位的進位計數(shù)，并作為測量電路的粗計數(shù)部分的 8位輸出。復位邏輯負責環(huán)形移位寄存器和通用計數(shù)器的復位操作。輸出邏輯分別將粗計數(shù)和細計數(shù)輸出的 8位和 4位數(shù)據(jù)組合為測量電路的昀終輸出，并完成數(shù)據(jù)的校驗。

基于 FPGA的單計數(shù)器脈寬測量電路采用在脈沖寬度對應的時間內(nèi)記數(shù)的方法，因高頻工作時計數(shù)器會出現(xiàn)跳碼或漏計現(xiàn)象，造成系統(tǒng)錯誤輸出，所以分辨率很難提高 [7]。與單計數(shù)器脈寬測量電路相比采用結構簡單的細計數(shù)電路能大大提高電路的時間分辨率，并避免了通用計數(shù)器極限工作頻率下的跳碼現(xiàn)象，且細計數(shù)電路占用極少的片上資源。

3系統(tǒng)實現(xiàn)及優(yōu)化

Altera公司提供的 Stratix和 Cyclone系列 FPGA芯片具有嵌入式鎖相環(huán)（ PLL）模塊，該模塊可對外部時鐘進行倍頻分頻及相移操作，可編程占空比和外部時鐘輸出，進行系統(tǒng)級的時鐘管理和偏移控制，常用于同步內(nèi)部器件時鐘和外部時鐘，使內(nèi)部工作的時鐘頻率比外部時鐘更高，時鐘延遲和時鐘偏移昀小，減小或調(diào)整時鐘到輸出（TCO）和建立（TSU）時間，從而提供完整的時鐘管理方案。使用 Altera Quartus? II軟件無需任何外部器件，就可以調(diào)用芯片內(nèi)部的 PLL來實現(xiàn)相應功能。

該系統(tǒng)時鐘管理模塊調(diào)用 FPGA內(nèi)部 PLL實現(xiàn)，通過 QuartusII設置參數(shù)為：Ratio為倍頻/分頻因子(Ratio)為 4，輸出時鐘相移 (Ph) 為 0，輸出時鐘占空比 (DC)為 50%。

該 TDC電路的時間分辨率取決于環(huán)形移位寄存器和編碼電路組成的細計數(shù)部分，要得到正確的測量數(shù)據(jù)必須保證對移位寄存器輸出狀態(tài)的正確編碼。與 ASIC設計不同，設計者很難預料 EDA軟件布局布線（Layout）后的情況，而且各種不同結構和性能的可編程器件布局布線的結果也不盡相同，而且構成移位寄存器的 D觸發(fā)器的時鐘到輸出時間（TCO）和 D觸發(fā)器輸入在金屬連線上穩(wěn)定建立的時間（TSU）也存在一定離散性，使得高頻移位脈沖（納秒級）工作下的移位寄存器在狀態(tài)轉換時出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，影響編碼正確輸出，同時編碼器的固有延時特性也限制系統(tǒng)的時間分辨率。該脈寬測量電路系統(tǒng)采用的優(yōu)化的編碼算法，使得高頻移位狀態(tài)下編碼輸出能準確反映環(huán)形移位寄存器上各節(jié)點狀態(tài)，從而保證了該系統(tǒng)的測量精度；移位時鐘為 333MHz（周期 3ns）時在 Altera公司 Stratix和 Cyclone系列芯片上實現(xiàn)了編碼器的正常工作。

該系統(tǒng)包含了粗記數(shù)和細記數(shù)兩部分電路，粗記數(shù)電路在細記數(shù)字電路高位輸出（圖 3中 p15）的上升沿工作。但是由于粗記數(shù)電路的延時在被測脈沖（ clks）上升沿時可能會造成對輸出數(shù)據(jù)的誤讀。
為解決誤讀現(xiàn)象，在輸出邏輯模塊里加入糾錯電路。對被測脈沖 clks延時 clk周期后產(chǎn)生新時鐘 clks1，在 clks和 clks1的上升沿同時對 q1和 q0取樣并對取樣數(shù)據(jù)進行處理后作為昀終數(shù)據(jù)輸出，從而有效地解決了誤讀現(xiàn)象。

移位脈沖工作頻率即為該測量電路的時間分辨率，通過時鐘管理單元可采用不高的外部時鐘便可得到很高的測量精度。

3仿真結果和測試數(shù)據(jù)

為測試該系統(tǒng)的時間分辨率，為基本時間數(shù)字轉換電路附加特定功能電路，使其具有連續(xù)測量時鐘脈沖寬度的功能，測試對象是 clks的高電平延續(xù)時間。通過改變時鐘脈沖源的頻率來記錄該電路對應的測量數(shù)據(jù)，從而得到該 TDC電路的時間分辨率。

本文以 QuartusII Web Edition 4.2為軟件平臺，實驗表明，本 TDC設計在 Altera各主流芯品上的時序仿真均能順利通過。適配 Cyclone EP1C3Q240C8芯片的時序仿真表明，移位時鐘為 333M(即分辨率為 3ns)，所得到的測試數(shù)據(jù)輸出正確地反映了被測脈沖的寬度，被測脈沖下降沿到測量數(shù)據(jù)建立的延時為 5ns。

由該 TDC構成的脈寬測量電路在 Cyclone EP1C3Q240C8芯片實現(xiàn)，系統(tǒng)外部時鐘 25Mhz，PLL設置倍頻因子 8，由 SP1641B信號發(fā)生器提供固定的被測脈沖頻率 F，時間分辨率 Res的分布如圖 4所示，測試數(shù)據(jù)表明 Res在 4.9-5.1ns之間，理論值為 5ns。

測量和仿真數(shù)據(jù)表明該電路能達到納秒級時間分辨率，邏輯資源占用少，可在低密度芯片上實現(xiàn)作為專用測量電路使用，或在高密度芯片上作為功能模塊嵌入到特定功能的片上系統(tǒng)（SOC）中；該 TDC電路的轉換速度也在納秒級，使該電路適用于實時數(shù)據(jù)采集及高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。精度可調(diào)也是該設計一大特點，移位脈沖的工作頻率決定了該轉換系統(tǒng)的轉換精度，通過時鐘管理單元可以產(chǎn)生不同頻率的移位時鐘，從而測量精度可以根據(jù)具體需要進行適當調(diào)整。

3結束語

本基于 FPGA的時間數(shù)字轉換電路設計在占用較少芯片資源的前提下，實現(xiàn)了很高的測量精度，工作時數(shù)據(jù)轉換速度也在納秒級；本設計電路接口簡單可作為獨立的功能電路使用，亦可作為功能模塊 IP核[8]方便地嵌入到其他系統(tǒng)實現(xiàn)特定功能?；?Altera芯片的時序仿真和硬件測試表明了該方法的可行性和準確性。