一种FPGA⁃TDC防气泡误差编码器设计

在设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间数字转换器(TDC)时,时钟偏斜等因素产生的气泡误差会造成抽头延迟链(TDL)中的延迟单元失效,导致TDC的分辨率变差。提出了一种防气泡误差编码器,通过统计抽头延迟链中发生变化的抽头个数,该编码器使抽头延迟链跳变顺序按照时间顺序映射,从而消除气泡误差的影响。利用Xilinx Virtex UltraScale+FPGA对该防气泡误差编码器的有效性进行验证,使用该编码器后,基于双端采样法的抽头延迟链TDC分辨率由3.18 ps提升至1.76 ps。实验结果表明,所提出的防气泡误差编码器能够解决气泡误差导致的延迟单元失效的问题,避免分辨率的损失。

超声波液体测温的TDC方法研究

超声波测温采用超声波传播时间作为测量信息,时间测量的误差对测温系统性能有显著影响。针对上述问题,设计了基于时间数字转换器(TDC)方法的超声波水温测量系统。根据传播时间和温度的关系,系统利用FPGA和高精度时间测量芯片TDC-GP22的硬件电路,结合软件程序算法有效降低时间测量误差的影响,并通过合理设计驱动电路和信号处理电路,使得超声波传播时间测量的分辨率能够达到1.0×10-10s,进而系统能够实现温度测量的分辨率达到0.001℃。通过实验证明,该系统具有分辨率高、可重复性高等优点。

一种12 bit 200 MS/s低功耗SAR-TDC ADC

为了满足低电压条件下高速高精度采样需求,设计了一种电压-时域两级混合结构流水线模数转换器(ADC)。该流水线ADC的第一级逐次逼近型(SAR)ADC将电压转换为8 bit数字,残差电压变换为时域延时信息后,第二级4.5 bit时间数字转换器(TDC)将延时转换,最终校准输出,实现12 bit精度转换。通过采用多电压供电、改进残差电压转移和放大器结构,以及优化时间判决器,提升了ADC的动态性能和采样速度,降低了采样功耗。该ADC基于40 nm CMOS工艺设计和仿真。采样率为200 MS/s时,功耗为9.5 mW,动态指标SNDR、SFDR分别达到68.4 dB、83.6 dB,优值为22 pJ·conv^(-1)·step^(-1),能够满足低功耗高速采样的应用需求。

基于FPGA与TDC-GPX2的数字延时发生器设计

传统的用于LIBS检测系统的延时发生器虽然具有较高的延时精度,但是存在体积较大、价格较高的缺陷,设计出一种基于FPGA与TDC-GPX2结合的、成本较低、能够满足LIBS使用的数字延时发生器是十分必要的。该延时器以FPGA为核心处理器,结合了等离子体光电检测电路模块、脉宽检测模块、按键输入模块、高速比较电路,FPGA内部通过计数器延时原理将信号进行延时,用外置键盘设置其延时量,时间测量模块测量延时前后两路信号时间差进行验证。实验测得的数据和结果表明,该数字延时发生器输出信号的上升沿小于4 ns,下降沿小于3 ns,延时精度较高,工作性能稳定,可以满足实际应用需求。

基于时域计算优化TDC的模拟数字转换器设计

提出一种基于时间域计算的模拟数字转换器,将输入的模拟信号经锯齿波与比较器电路转变为时间域信号,并对时间域信号进行高精度采集以完成模数转换;使用数字逻辑电路替换模拟电路完成模数转换功能,以达到在信号采集系统中替代高性能模拟数字转换器(ADC)的优化设计。提出了基于可编程门阵列(FPGA)实现时间触发器(TFF)的设计方案,利用更精细的基础器件对时间域信号进行存储和计算,实现脉宽扩展,以提高时间数字转换器(TDC)的采集精度。使用TFF对时间信号进行处理,减少了使用进位延时链构建的传统TDC在输入待测量信号时因多次采集和控制而带来的误差。实验表明:在Xilinx Artix-7 FPGA平台下,时间测量精度在22 ps以上;当采样频率为50 kHz时,采样精度可达20 bit,稳定工作精度为18 bit。

基于STR的两级差分的高精度低功耗TDC

随着集成电路工艺的发展和集成度的提高,电路延时显著降低,传统的时间数字转换器(TDC)的研究趋向于兼具高分辨率和高精度的电路设计。近年来,摩尔定律逐渐失效,物联网大背景下轻量化,微型化,低功耗的边缘设备得到了飞速发展,用于片上延时测量的微型化TDC的研究重点逐步转向高精度的低功耗设计。基于Xilinx Virtex-6 XC6VLX240T现场可编程门阵列(FPGA)开发平台,提出了一种以游标自定时环(vernier self timing ring,VSTR)代替直接计数法的粗测结构,和两条对称的延迟链组成的细测结构。通过边沿重合检测单元和锁存单元将粗测结构的游标STR与细测的对称延迟链结合,设计结果表明该结构量程可达到491 ns,分辨率为14.8 ps,最高精度为12.9 ps,功耗为0.068 W,说明了提出的两级差分结构具有高精度低功耗的特点。

基于SMIC 180nm工艺的内插延时链型TDC芯片

在高能同步辐射光源的高分辨谱学线站系统(HEPS-B5)的核共振散射实验中,为满足测试样品对时间数字转换皮秒级的高分辨率时间测量要求,基于SMIC 180 nm工艺设计了一款内插延时链型的四通道时间数字转换器(TDC)芯片。该TDC芯片采用“粗计数”和“细计数”相结合的链状结构,通过内插延时链法来提高测量分辨率,并结合时钟计数器以实现较大的动态测量范围。为了阻止亚稳态的传递,使用两级反相器作为基本延时单元,另外通过异步先进先出(FIFO)缓冲器实现数据在不同时钟域之间的安全传递。实验测试结果表明,该TDC芯片的时间分辨率可达到56.3 ps,动态测量范围为0~262μs,能够满足核共振散射实验的高精度时间测量要求。

Design of transit-time difference ultrasonic heat meter based on TDC-GP21

According to the transit-time difference measurement method,we proposed a design scheme of ultrasonic heat meter based on TDC-GP21.The measurement unit TDC-GP21 mainly completes transit-time measurement and inlet,outlet temperature measurement functions.Control unit and data processing unit based on MSP430F4152 of TI corporation complete functions including peripherals control,data analysis,temperature compensation algorithm,flow pattern compensation algorithm and low power consumption control.The design meets the Town Construction Professional Standard CJ 128-2007,and furthermore,some performances can be improved.

基于FPGA进位链TDC延时模型的建立与性能测试

引入飞行时间信息,可以提高正电子断层显像仪(Positron Emission Tomography,PET)系统的性能。电子学时间数字转换(TDC,Time-to-Digital Convertor)设计是其中一项关键技术。论文针对进位链(Carry Chain)TDC设计,建立了TDC的延时模型,推导了进位链TDC的延时公式。基于模型,通过调整关键信号的参数,比较了调整前后的TDC性能,在EP2C20Q240C8N芯片上实现和提升了进位链TDC的性能,最小测量间隔为69ps,测量误差小于2LSB,能够满足TOF测量时间精度的要求,并验证了模型公式的正确性。对TDC的测试方法选用高精度同轴电缆进行间接测量,解决了在缺乏ps级高精度测试设备情况下的时间精度测试问题。

一种改进型网络时间协议在TDCS/CTC系统的应用研究

由于列车运行速度较高,短时间内列车跨线跨区行驶,铁路信号设备时间统一显得尤为重要,而现有的铁路时间同步方法无法满足目前对于同步精度的要求。为了解决上述问题,采用网络时间协议NTP进行铁路TDCS/CTC系统的时间同步,但网络发生拥挤时,会影响同步精度。为了更精确地同步系统时间,保证行车安全,并使列车在速度进一步提高时,仍能满足时间同步的精度要求,本文提出一种改进型NTP协议,对协议的算法进行仿真分析。仿真结果表明该算法能够有效提高时间同步精度。

基于TDC-GPX2的精密时间间隔测量仪设计

为满足科学研究和工程应用中对多通道、高精度时间间隔测量的需求,基于TDC-GPX2时间数字转换芯片设计了一款四通道精密时间间隔测量仪,根据功能控制模块的设置,仪器可实现对不同通道输入信号时间间隔的高精度测量。详细论述了系统的测量原理,硬件组成和软件设计,并搭建实验平台对仪器的性能进行测试与分析。实验结果表明:设计的时间间隔测量仪测量精度优于20 ps,并具有良好的准确性,接入5 MHz的时钟参考其量程可达3.34 s,基本满足大多数时间频率应用领域对测量设备的性能需求。

基于TDC-GP2的激光测距飞行时间测量系统

在激光盘煤测量系统中,激光飞行时间的测量是影响整个系统精度的关键因素。文章基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2设计了一种用于激光盘煤测量系统中的激光飞行时间间隔测量系统,介绍了TDC-GP2激光测距原理,给出了系统硬件及软件设计。试验结果表明,该系统结构简单、测量精度高,具有较高的可行性。

基于FPGA与TDC的GPS-铷钟时间同步系统

描述了一种高精度的GPS-铷钟时间频率同步系统,系统输出标准10MHz频率,同时输出高精度的1PPS同步时间信号,在GPS信号驯服下系统同步精度可达到7.2ns,输出频率准确度优于1E-12。论文阐述了系统的原理,给出了测试数据,结果表明,系统指标满足工程应用要求。

基于数字延迟线的高分辨率TDC系统

介绍了采用数字延迟线集成电路芯片和微控制器结合组成的高性价比的时间数字化测量系统。在单通道工作模式下,系统的分辨率达到 125 ps,动态量程达到 7.2 μs。该系统被用于浅水环境的机载激光测深系统。

TDC-GP2在激光测距传感器中的应用

激光测距传感器可以测量激光脉冲飞行时间来获得传感器和探测目标之间距离。设计的脉冲激光测距传感器采用Spl pl90半导体激光器,PerkinElmer C30737型APD作为接收的光电转换器,Msp430f449单片机作为系统控制核心。为了提高激光飞行时间间隔的测量精度,采用了一种专用的时间数字转换芯片(TDC-GP2),设计了时间间隔测量模块,采用延迟线插入法技术,测试分辨率可高达65 ps.该传感器功耗低,测量精度高。

基于TDC的无死区频率测量技术研究

在精密时频测控领域中,高分辨率、无死区的时间间隔和频率测量非常关键,而时间数字转换器(Time to Digital Converter,TDC)是时间频率测量的常用手段。该文研制了基于ACAM公司生产的时间数字转换芯片TDC-GP21和Altera公司FPGA芯片EP4CE6E22C8N的时间频率测量设备,实现了高分辨率的时间间隔测量,测量分辨率达到13ps。同时采用时间间隔测量模块两两组合的方式实现了无死区频率测量,创新性地采用每组3个TDC芯片,共4组搭建了时间频率测量系统,并对组内3个TDC芯片测量结果采用平均值滤波法,使频率测量稳定度达到1.1 ×10^(-11)@1 s,5.6 × 10^(-15)@10000 s,与商用K+K FXE频率计数器指标相当。本设备具有体积小、无需校准、成本低等优点,能够广泛应用到高精度时间间隔和精密频率测量领域中。

基于TDC-GP_2的高精度时差测量系统设计

通过对时间数字转换法进行时间间隔测量分析,设计出一款基于通用型TDC测量模块TDC-GP2的高精度时差测量系统。该系统测量范围为0～1.8μs,精度可达到70ps,有效地解决了激光测距、激光雷达等应用中高精度时差测量的问题。

基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计

为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路。电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量。根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求。实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1 ns以内,对应的距离小于0.15 m。

基于TDC的电缆长度测试系统

基于脉冲信号在电缆中传输的时域反射(TDR)原理,利用时间数字转换(TDC)技术,以C8051F系列单片机作主控制芯片,以图形化液晶和触摸屏作为测试系统的输出与输入,设计并实现了一种电缆长度测试系统。测试结果表明,该测试系统具有较高的测试准确度,可用于准确测量同轴电缆长度。

TDC-GP21在时差法超声波流量计中的应用

为了实现高精度的流量测量,设计了一种基于TDC-GP21的时差法超声波流量计.系统以MSP430单片机为核心,选用高精度时间间隔测量芯片TDC-GP21,有效的解决了时差法超声波流量计中高精度时差测量的问题.文中详细介绍了时间间隔测量芯片TDC-GP21的功能模块及工作流程,设计了一种超声波回波信号处理电路,并对超声波流量计系统硬件电路与软件方案进行了阐述.实验表明,系统的最大测量误差在±1%以内,达到了准确度等级为1级的要求.