基于时间数字转换技术的超短时间间隔测量

0         引言

当要求脉冲激光在近距离(几米范围内)进行高精度测距时,将会遇到纳秒级时间间隔测量的问题。在两个脉冲的上升沿或下降沿的时间差为几十到几百纳秒的情况下,传统的测量脉冲时间宽度的脉冲计数法已不再适用,这是因为要测的脉冲越窄,所需要的时钟频率就愈高,对芯片的性能要求也越高[1-3]。例如要求1 ns的测量误差时,时钟频率就需要提高到1 GHz,要求50 ps的测量误差时,时钟频率就需要提高到20 GHz,在这样高的工作频率下,一般计数器芯片很难正常工作,同时也会带来电路板的布线、材料选择、加工等诸多问题。为克服上述问题,采用一种时间数字转换技术(以下简称为TDC)来实现超短间隔、皮秒级时间分辨率的时间间隔测量[4-5],TDC测量时间间隔的特点是:1)时间值到数字码的直接转换,不需要D/A转换的过程,单片机与TDC接口,完成TDC的控制和测量结果的读取与处理;2)可实现时间间隔最小到2 ns的超短间隔的时间测量;3)分辨率高达65 ps,换算成距离即单次测量精度为0.98 cm[6]。

1　TDC测量原理概述

TDC利用信号通过逻辑门电路的绝对传输时间提出了一种新的时间间隔测量方法,测量原理如图1所示[7-8]。测量时,将被测短时间间隔的开启信号从非门链中通过,并用被测时间间隔的结束信号将此时刻各延时单元的状态保留到动态存储器中,该状态信息经数据预处理后送入单片机处理得到被测时间间隔。

在具体计算时,被测时间间隔开始信号和停止信号之间的时间间隔由非门的个数来决定,而非门的传输时间可以由集成电路工艺精确地确定。一般地,在3.3 V供电和25℃室温环境条件下,TDC中的非门传输时间是65 ps,则决定了TDC的最小分辨率也是65 ps,此时,时间间隔测量计算方法见式(1)。

式中,RES _ X为TDC计数结果,LSB为最低有效位,即65 ps。

2　TDC的校准测量

但由于门电路的传输时间受温度和电源电压的影响比较大,因而该TDC内部设计了锁相和标定电路,进行校准测量,校准测量的测量原理见图2。为了进行校准,TDC测量1个和2个参考时钟周期,这两个数据作为CAL1和CAL2存储起来。则TDC内的计算单元ALU就会进行完全的校准计算,校准计算方法见式(2)~式(4):

式中,RES _ X为TDC校准计数结果(作为TDC参考时钟周期的倍数因子),ΔHIT为被测时间间隔内门电路计数值(未校准),CAL1为TDC在1个参考时钟周期内门电路计数值,CAL2为TDC在2个参考时钟周期内门电路计数值,Time为被测时间间隔,Tref为参考时钟,ClkDiv为参考时钟Tref的分频因子。

3　TDC测量方法的实现

要使TDC按照一定的测试要求进行工作并输出测量结果的时间值,必须将TDC和单片机进行接口。本文所选的TDC芯片的接口方式为标准SPI接口。单片机通过SPI标准接口给TDC发寄存器配置码,使TDC按照配置码的配置要求进行工作;同时,TDC的测量结果通过SPI标准接口传给单片机,在单片机中完成最终的数据处理[9]。TDC和单片机的接口示意图见图3。在图3中,SPI接口采用四线工作方式,这4条线分别是:SSN为SPI同步传输使能端口;SCK为SPI串口发送接收同步时钟;SO为TDC串口发送端口;SI为TDC串口接收端口。