高精度時(shí)間測(cè)量電路與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：本文介紹了不同類(lèi)型的時(shí)間測(cè)量方法，討論了實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量所采用的電路與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)這些方法可以實(shí)現(xiàn)皮秒(ps)級(jí)的時(shí)間測(cè)量，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)間測(cè)量;TDC;抽頭延遲線(xiàn)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(cè)以及對(duì)流量、距離的測(cè)量等方面都有著極其重要的作用。本文討論的時(shí)間測(cè)量是指對(duì)一個(gè)時(shí)間段的量度，也就是要完成從開(kāi)始信號(hào)start到結(jié)束信號(hào)stop之間的時(shí)間間隔測(cè)量。通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量的方法有多種，此類(lèi)電路的名稱(chēng)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(chēng)是TDC[1~2]。TDC電路有不同的原理和實(shí)現(xiàn)方法，目前常見(jiàn)的方法包括抽頭延遲線(xiàn)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(cè)量

　　最簡(jiǎn)單的TDC電路就是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)對(duì)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(lái)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(cè)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(hào)的生成和穩(wěn)定傳輸都比較困難，所以通過(guò)這種方法很難實(shí)現(xiàn)ps級(jí)的精密測(cè)量，這一弱點(diǎn)使得它無(wú)法在需要精密時(shí)間測(cè)量的場(chǎng)合使用。但這種方法經(jīng)?？梢院秃竺娼榻B的其他測(cè)量方法結(jié)合起來(lái)使用，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。

　　基于抽頭延遲線(xiàn)法的時(shí)間測(cè)量

　　抽頭延遲線(xiàn)法的原理是使被測(cè)量的開(kāi)始信號(hào)通過(guò)延遲線(xiàn)進(jìn)行傳輸，通過(guò)抽頭信號(hào)探測(cè)它在被測(cè)量時(shí)間段內(nèi)傳遞到的位置，從而判斷時(shí)間測(cè)量的結(jié)果。相鄰抽頭之間的信號(hào)延遲時(shí)間就是測(cè)量的最小分辨率。在電路中實(shí)現(xiàn)時(shí)，延遲線(xiàn)一般是通過(guò)延遲單元構(gòu)成的，測(cè)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(jí)，對(duì)于大多數(shù)測(cè)量來(lái)說(shuō)，這樣的分辨率已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求了。

　　一種基本的抽頭延遲線(xiàn)法時(shí)間測(cè)量電路如圖1所示。其中在抽頭處使用停止信號(hào)對(duì)經(jīng)過(guò)延遲線(xiàn)傳輸?shù)拈_(kāi)始信號(hào)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(kāi)始信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)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(cè)的時(shí)間間隔。抽頭延遲線(xiàn)法的量程由延遲線(xiàn)的長(zhǎng)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(cè)量電路的基礎(chǔ)，通過(guò)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(cè)量

　　時(shí)間測(cè)量也可以采用類(lèi)似機(jī)械游標(biāo)卡尺的方法。它使用兩條延遲線(xiàn)，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(guò)這兩條延遲線(xiàn)分別對(duì)開(kāi)始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)進(jìn)行傳遞，檢測(cè)開(kāi)始與結(jié)束信號(hào)在傳遞過(guò)程中什么時(shí)候重合，通過(guò)重合點(diǎn)的位置即可得到開(kāi)始與結(jié)束之間的時(shí)間差。基本的游標(biāo)法時(shí)間測(cè)量電路原理如圖2(a)所示，其中通過(guò)觸發(fā)器采樣進(jìn)行開(kāi)始與結(jié)束信號(hào)是否重合的比較。另有一些設(shè)計(jì)中采用了專(zhuān)門(mén)的信號(hào)重合檢測(cè)電路代替觸發(fā)器，一種信號(hào)重合檢測(cè)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(hào)輸出1和輸出2可以判斷信號(hào)到達(dá)的先后次序，實(shí)現(xiàn)重合的判斷。