多通道高精度时间-数字转换器的研制

介绍了一种基于USB2.0接口的多通道高精度时间 数字转换器(time-to-digital converter, TDC)的设计与实现。完成了NIM-LVPECL电平转换电路、高速串并转换电路、基于FPGA的数据处理及相关逻辑控制等单元电路的设计,最后给出了TDC的测试性能指标。结果表明,TDC的最小时间分辨率为403 ps,测量时间范围为0~420 us,测量“死时间”<13 ns。TDC可广泛应用于高精度的时间间隔测量领域,特别是作为飞行时间质谱仪（time-of-flight mass spectrometer, TOF-MS）的数据采集卡。     

利用延时法进行高精度脉冲激光测距

由于激光测距的精度取决于时间测量精度,本文提出了一种提高时间测量精度的方法。该方法在现场可编程门阵列(FPGA)的控制下,将电信号通过延时电路送入到D触发器的输入端CLK;激光器发出的光到目标,经过目标反射后返回进入光电转换器转变为电信号送入到D触发器的输入端D。通过调整延时芯片和机械位移产生的电信号的延时时间,使D触发器输入端的信号同时到达,从而利用延时时间来确定光到达目标所需的时间。用FPGA对100MHz恒温晶振器的脉冲计数,经MC100EP195芯片延时,再通过精密机械定位的方法将时间测量精度提高到0.3ps数量级。实验结果表明:使用该方法,激光测距的误差在1km内能保证在0.1mm数量级,可满足高精度测距的要求。     

脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量

考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法.该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合.采用脉冲计数法对被测时间间隔进行"粗值"测量,保证大的动态测量范围.利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N.利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化.该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率.测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8 μs,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71 ps以内,基本满足实际应用的精度要求.     

脉冲激光测距中高精度时间间隔测量方法的研究

高精度时间间隔测量对脉冲激光测距系统具有重要意义,为此提出了一种新的高精度时间间隔测量方法。该方法在FPGA中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合。采用脉冲计数法对被测时间间隔进行“粗值”测量,保证大的动态测量范围。利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N。利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化。该方法解决了传统多相采样技术中倍频次数高则相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率。测试结果表明,该时间间隔测量模块不但可以实现大的动态测量范围,而且测时过程相对较短,具有较高测时精度。     

基于延迟内插的调制域分析

介绍了调制域分析技术的原理，重点介绍基于FPGA的零空闲（ZDT）计数和测量补偿技术。测量补偿采用延迟内插法，相对于传统的游标内插法和斜坡内插法，此方法电路简单，转换速率高，测时分辨率可以达到ps级。本方案可应用在高精度连续测频、高精度连续测量时间间隔，测ns秒级窄脉冲等各种场合。     

高精度A/D转换器的设计与实现

高精度A/D转换器实际测量中有着广泛的工程应用,其中三斜积分式A/D转换电路具有结构简单、线性度好的优点。为实现高精度设计,对积分过程的精确控制和高位数计数器的设计尤为关键。该设计为16位高分辨率的双积分式直流A/D转换器,积分电路采用普通元器件实现,利用89S51单片机及FPGA器件实现数字计数及显示功能,同时采用89S51单片机编程实现直流电压表量程的自动转换、自动校零和液晶显示等功能。     

利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量

高精度时间间隔测量广泛应用于时间同步、卫星导航、航天测控、激光测距以及核电子等场合.目前主流的时间间隔计数器能达到25 ps分辨率,约100 ps的准确度.本文把被测信号作为采样参考频标信号的触发信号,利用参考频标的相位记录被测信号的触发点,然后利用插值FFT对参考频标信号的采样数据进行相位估计,提出了一种理论上分辨率和精度均优于1 ps的时间间隔测量方法.实验测试结果表明原理样机达到了10 ps的测量精度.进一步改进样机的设计,有望达到1 ps的测量精度.     

基于FPGA的高分辨率时间数位转换器设计

介绍时间间隔的测量原理,分析各种测量方法的优缺点和主要误差来源,并设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时数转换器(TDC).该设计采用高精度计数器和延迟线内插法共同测量时间间隔.该时数转换器的测量范围由计数器决定,而测量分辨率由内插延迟线决定,因此,具有测量范围大,分辨率高的特点.由于测量的利用两种延时单元的微小时间差对时间间隔进行内插,获得了1ns的测量分辨率,具有精度高、功耗小及实现简便等优点.     

超声换能器阵列的多路激发电路设计

设计了一种应用DDS技术的多路超声相控阵列激发电路，该电路可以产生任意波形的激励信号。同时还利用FPGA设计了相控阵的相位延时数字逻辑电路，利用该电路可以方便的实现高精度的相位延时。经实验室验证，该电路成功的达到了设计要求。     

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 p190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65ps.该传感器功耗低,测量精度高.     

一种具有优良分辨力、线性及温度稳定性的量化时延的产生方法

目前的很多仪器设备中需要分辨率优于ns量级的时间量化仪和延迟单元.研究了利用信号在传输时的延迟来进行时间量化的可行性及其特点.实验结果表明基于传输延迟的时间量化技术较国外报道的基于CMOS门延迟的时间量化技术有线性度好、温度稳定性好、结构简单、实现容易等特点.采用导线延迟技术实现了一个分辨率优于300 ps,量化范围优于2 ns的时间量化仪.它的特点是延迟线后级检测电路参数的差异对这种设计有影响,必须经过标定,经过标定之后对某些特殊点的时间量化精度可达12 ps.同时指出了当提高分辨率时面临的问题以及基于ASIC技术的解决方法.     

10 ps resolution, 160 ns full scale range and less than 1.5% differential non-linearity time-to-digital converter module for high performance timing measurements

We present a compact high performance time-to-digital converter (TDC) module that provides 10 ps timing resolution, 160 ns dynamic range and a differential non-linearity better than 1.5% LSB(rms). The TDC can be operated either as a general-purpose time-interval measurement device, when receiving external START and STOP pulses, or in photon-timing mode, when employing the on-chip SPAD (single photon avalanche diode) detector for detecting photons and time-tagging them. The instrument precision is 15 ps(rms) (i.e., 36 ps(FWHM)) and in photon timing mode it is still better than 70 ps(FWHM). The USB link to the remote PC allows the easy setting of measurement parameters, the fast download of acquired data, and their visualization and storing via an user-friendly software interface. The module proves to be the best candidate for a wide variety of applications such as: fluorescence lifetime imaging, time-of-flight ranging measurements, time-resolved positron emission tomography, single-molecule spectroscopy, fluorescence correlation spectroscopy, diffuse optical tomography, optical time-domain reflectometry, quantum optics, etc.     

激光测距仪时序发生器设计

以提高测距精度为目的，研究激光测距仪内部时序模块，对影响激光测距仪测距精度的因素进行分析。使用以外部延迟链芯片作为延迟线的方法，设计并制作了时序发生器的现场可编程门阵列（FPGA）开发板。测试结果表明，所设计的时序发生器能够实现11 ps的时序分辨率与最大600 Mbit/s的数据速率，达到了预期的目的。     

Input/output linearization using time delay control and time delay observer

In this paper, input/output linearization (IOL) method using time delay control (TDC) and time delay observer (TOO) is presented. This method enables the IOL method to be applied to plants even when all the states of plant are not measurable or the measured plant output is very noisy. The designed control system requires neither an accurate plant model nor the real time computation of plant nonlinearity. Consequently, the proposed control algorithm turned out to be computationally efficient and easy to design for nonlinear plants. In a simulation for a second order nonlinear plant, the output followed desired response well and the control performance appeared to be superior to IOL using TDC and numerical differentiation. Finally, in an experiment with a pneumatic servo system, we obtained results consistent with those from the simulation, and it was confirmed that the proposed control algorithm can be effectively used in a real closed-loop system.     

基于DSP和FPGA的电脑绣花机控制系统研究

根据运动控制技术的发展方向开发出一种用于高速加工领域的开放式运动控制器。讨论了该新型运动控制器的开放式体系结构,对它的主要模块进行了详细分析,在该开放式运动控制器中通过DSP完成实时控制,采用FPGA设计编码器的解码器、滤波器、计数器和总线接口的功能,利用双端口RAM解决工业计算机和运动控制器之间的大容量通讯问题,在Libero IDE 6中借助Modelsim5.8对编码器反馈电路进行了仿真,在高速工业电脑绣花机中的实际应用表明该运动控制器可靠并具有先进性。     

用于激光雷达的高精度脉冲延时及脉宽控制研究

针对激光雷达距离选通可实现不同距离雷达回波信号的选通采集,采用AD9501延时芯片和单片机设计了脉冲延时时间和脉宽可调的延时电路。其中,采用LabVIEW编写上位机控制软件,2片延时芯片级联实现了16位精度的延时调节,第3片延时芯片及R-S触发器实现了8位精度的脉宽的调节。实验中,3片AD9501由单片机进行控制,通过调整电路参数和上位机参数,延时范围达到1.8 μs可调,延时精度大约为30 ps,存在固有延时280 ns,完全满足激光雷达距离选通的要求。     

Signal processing circuit of laser gyro based on FPGA and DSP

This is a paper about laser gyro sign a l processing circuit which is designed based on field-programmable gate array(FPGA) and digital signal processor(DSP).Through a pre-amplifier circuit,FPGA and DSP,a weak current signal is converted and transferred,then sent to the computer to display the final results.Through the laser gyro performance te sting,the obtained results coincide with those of the existing methods.Thus th e d esigned circuit realizes the function of laser gyro signal processing.     

基于磁杆直线电机的光学延迟线研究

在太赫兹时域波谱系统中,通过光学延迟线的时间延迟实现对太赫兹时域信号的采集,而传统的光学延迟线存在扫描速度慢、光学延迟分辨率低等问题。为此,提出了一种采用磁杆直线电机作为驱动和传动一体装置,并加入光栅测量系统的光学延迟线改进方案。测试结果表明,该方案可实现长距离内高速、精准往复运动,同时提供高达512 ps的延时范围和0.033 fs(位置定位精度0.01μm)的光学延迟分辨率,显著提高了太赫兹时域波形振幅的稳定性。