测试和测量

具有5ps分辨率的时间数据转换仪(TDC) Acqiris U1050A时间数字转换仪(TDC)产品系列增添一新成员。该新款产品具有优异定时分辨率,适用于通信、核研究及武器物理等应用领域中进行精密定时测量及时间间隔分析。该单次(single-hit)TDC时间数字转换仪(U1050A-002)拥有5ps定时分     

安捷伦Acqiris U1050A时间数字转换仪产品系列增添新成员

安捷伦科技公司日前宣布,其Acqiris U1050A时间数字转换仪（TDC）产品系列增添一新成员。该新款产品具有优异定时分辨率,使TDC成为通信、核研究及武器物理等应用领域中进行精密定时测量及时间间隔分析的最佳选择.     

具有5ps分辨率的时间数据转换仪（TDC）

Acqiris U1050A时间数字转换仪（TDC）产品系列增添一新成员。该新款产品具有优异定时分辨率,适用于通信、核研究及武器物理等应用领域中进行精密定时测量及时间间隔分析。     

一种带有亚稳态消除电路的TDC设计方案

时间间隔测量技术在原子物理、激光测距、定位定时等方面有着重要的应用,因此,高精度的时间数字转换电路(Time-to-Digital Converter,TDC)在科学研究和工程实践中扮演着重要的角色;但是TDC在进行时间间隔测量量化时往往受到亚稳态制约,影响了TDC的分辨率、线性度,甚至会出现错误的输出结果。本文通过加入相位判断逻辑,可以完全消除TDC量化时间间隔时遇到的亚稳态问题。本文提出的TDC设计方案,工作频率512MHz,测量精度250ps,测量范围1μs,功耗400μW。     

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。     

一种通用的时间数字转换器码密度校准信号产生方法及其实现

该文提出一种通用的时间数字转换器(TDC)码密度校准信号产生方法,该方法基于相干采样理论,通过合理设置TDC主时钟和校准信号之间的频率差,结合输出信号保持电路,产生校准用的随机信号,在码密度校准过程中,随机信号均匀分布在TDC的延时路径上,实现对TDC的bin-by-bin校准。基于Xilinx公司的28 nm工艺的Kintex-7 现场可编程门阵列(FPGA)内部的进位链实现一种plain TDC,利用该方法校准plain TDC的码宽(抽头延迟时间),研究校准了2抽头方式下的TDC的性能参数,时间分辨率(对应TDC的最低有效位,Least Significant Bit, LSB)为24.9 ps,微分非线性为(–0.84～3.1)LSB,积分非线性为(–5.0～2.2)LSB。文中所述的校准方法采用时钟逻辑资源实现,多次测试考核结果表明,单个延时单元的标准差优于0.5 ps。该校准方法采用时钟逻辑资源代替组合逻辑资源,重复性、稳定性较好,实现了对plain TDC的高精度自动校准。该方法同样适用于其他类型的TDC的码密度校准。     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

一种0.6 V低压两级时间数字转换器

研究了用于超低功耗全数字锁相环(ADPLL)的时间数字转换器(TDC)在近阈值电源电压下的工作原理,提出了一种近阈值电压时间转换器。采用两级量化的TDC,通过时间放大器对量化余量进行放大,实现二次量化。针对TDC低压下的功耗、速度问题,实现了一种增益可扩展的时间放大器,提高了时间分辨率。基于130 nm CMOS工艺的仿真结果表明,两级量化时间数字转换器的分辨率为2.5 ps,动态范围为640 ps,微分非线性(DNL)最大值为0.9 LSB,积分非线性(INL)最大值为2.3 LSB。4倍时间放大器的增益误差为8.2%。     

基于Pcap01的MEMS电容压力传感器测量电路设计

基于TDC原理文中提出了一种用于MEMS电容式压力传感器的微弱电容测量电路。该电路以微处理器STM32F103为控制核心,通过SPI总线对Pcap01芯片进行时序控制,完成电容数据的采集、分析、处理和显示。该电路具有体积小、抗干扰性强、分辨率高和刷新频率高的特点。通过对10 pF以下的固定电容和MEMS电容式压力传感器测量验证新电路的性能。实验结果表明,电路在10 Hz刷新频率下有效精度位为16位,分辨率可达61 aF。     

基于门延时的数字TDC电路设计

为了扩大时间数字转换(Time to Digital Converter,TDC)的测量范围并提高其分辨率,确保测量结果的正确有效,提出了一种数字TDC电路的设计方法.采用与工艺无关的环形门延时单元的设计方法,缩小了电路规模,且可以方便地移植到其它系统中.通过Verilog HDL语言对该设计进行了RTL级的描述,最后通过了时序仿真和FPGA验证.该设计方法与现有设计方法相比,使用较少的逻辑资源达到了大量程高精度的测量要求,计数结果正确稳定.     

一种用于脉冲延时发生器中消除触发抖动的方法

针对延时脉冲发生器在外触发模式下,触发信号与时钟信号不同步造成的随机抖动问题,提出了一种随机抖动消除方法。该方法在FPGA(Field-Programmable Gate Array, FPGA)内部设计多路并行TDC(Time-to-Digital Converter, TDC)对随机抖动进行实时精确测量,然后通过数字延时和压控模拟延时电路进行相应随机抖动的补偿,从而提高了脉冲延时的分辨率和精度。测试结果表明,测量模块造成脉冲的抖动为18.9 ps,抖动补偿模块的抖动为4.2 ps,最终系统的抖动为19.3 ps。     

光子计数激光雷达时间-数字转换系统

时间测量系统在激光雷达中主要用于激光脉冲飞行时间的测量,其性能直接影响着激光雷达的各项指标.基于FPGA设计了一种应用于光子计数激光雷达的时间-数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)系统,利用延迟线内插在FPGA内部实现了高精度的时间测量,通过实验分析,研究了TDC系统的性能及其应用于光子计数激光雷达后的效果.实验结果表明,TDC系统的时间分辨率达到29 ps,测时精度37 ps,能够实现9通道的高精度事件计时功能,用于光子计数激光雷达后,整个激光雷达系统的测时精度为421 ps,达到6.3 cm的距离测量精度,能够实现高精度高分辨率的激光三维成像.     

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管（Geiger-mode avalanche photodiode,GM-APD）阵列像素读出电路。基于飞行时间（time-of-flight,TOF）原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路（active quenching circuit,AQC）和时间数字转换器（time-to-digital converter,TDC）。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式,成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术,由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz,分别是常规设计频率的1/20和1/10,大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 m工艺设计,后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率,对应的距离分辨率为3 cm,完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。     

非线性优化的时间数字转换器设计北大核心

在由FPGA超前进位单元级联构成的抽头延时链中，非线性通常较差，是TDC测量系统需要解决的重要问题之一。为了解决该问题，文章在已有的抽头采样序列(“SCSC”)基础上，提出了“混合”抽头采样序列的方法，显著改善了延时单元的非均匀性。所搭建的TDC包含了抽头延时链、采样逻辑电路、编码逻辑电路、码密度校准等模块，并在Xilinx Kintex-7系列芯片上进行验证。测试结果表明，提出的方法相较于“SCSC”序列下的微分非线性降低了32.0%,积分非线性降低了22.8%。通过进一步校准，所实现的TDC分辨率(LSB)为13.51 ps,测量精度为19.17 ps,微分非线性为[-0.45, 0.96] LSB,积分非线性在[-3.27, 1.33] LSB之间。     

应用于全数字锁相环的时间数字转换器设计

本文将会依据全数字锁相环对时间数字转换器进行设计,其中,全数字锁相环具有粗量化和细量化的不同工作模式。本文旨在提升TDC在细量化工作模式中的测量精度,通过新型的比较器以及解除SR触发器对工作状态的制约关系以达到此目的。最后的仿真结果表明,TDC在粗量化工作模式下能对测量单位能够精确到25纳秒,而细量化工作模式下能够将分辨率降为以皮秒为单位的计量精度。     

微微秒定时技术提高激光测距仪的分辨率

已报导一种新型的微微秒定时方法使激光测距仪达到可能测量大陆漂移和地轴上的,摇动的精度。据加利福尼亚州西格多空间公司的设计者引述，该测距仪的分辨率在3000公里距离时可达1至3厘米，目前计划的目标是得到±0.7厘米的分辨率。     

一种基于线性增强TDC的ADPLL设计

锁相环作为片内高速时钟的提供者,在现代电路中至关重要。提出了一种全数字锁相环的设计方案,输出频率为250 MHz,锁定时间为2 μs,峰峰抖动为76 ps,与传统锁相环相比,具有面积小、功耗低、可移植性好、抗干扰能力强等优点。时间数字转换器(TDC)是全数字锁相环的重要组成部分,采用线性增强算法后,与现有TDC相比,具有动态范围大、分辨率高等特点,且大大减小了积分非线性。     

恒定比例鉴别器

美航宇局激光测距系统的位置分辨率基本上取决于光学定时接收机的时间分辨率。光学定时接收机包括快速光电器件(主要有标准的微通道板型光电倍增管或雪崩光电二极管)、定时鉴别器、高精度时间间隔数字转换器和信号处理系统等。接收机时间分辨率取决于光电器件的光电子时间展宽、定时鉴别器的时间漂移和分辨特性,以及时间间隔数字转换器。因此有必要评价一下现有快速光电子器件及它们的时间分辨率、设计极低时间漂移的定时鉴别器和高精度时间数字转换器,以便在激光测距系统接收机中使用。本报告介绍一种改进后的恒定比例鉴别器,它在输入脉冲50毫伏至5伏的动态范围内,与幅度有关的定时误差可减小到±40微微秒。在输入脉冲幅度相同范围内,用上升时间0.4毫微秒、宽1.0毫微秒输入信号得到时间分辨率为30微微秒(最大值1/2时全宽)。这种装置产生800毫伏负输出脉冲,其宽为10毫微秒,并产生3伏正脉冲,其宽15毫微秒。通过鉴别器的时间延迟约32毫微秒。输入信号用衰减-减法技术进行放大、箝位和适当整形,产生一个具有零交叉点的脉冲。所有相应于鉴别器定时精度的基本功能由隧道二极管完成,而反向二极管作为非线性负载。设计鉴别器要便于和普通时间间隔设备或高精度时间间隔数字转换器连接。也介绍了获得最小时间漂移的调节方法。     

用于超快光计时的时间数字转换器

设计了一款基于延迟锁定环(DLL)和同步计数器结构的10位片上时间数字转换电路(TDC).采用两步层级设计方法,利用同步计数器进行粗量化输出6位二进制码,量化时钟周期的整数倍,再利用高性能差分DLL输出16路固定相移的时钟信号采样,精量化不足一个时钟周期的部分,输出4位温度计码.该结构可以提供较好的精度、动态范围以及转换速度,与传统的子门延时TDC相比,该结构TDC占用的芯片面积更少,转换速度更高,受工艺、电压及温度影响更少.仿真结果表明:该TDC具有LSB 62.5 ps和MSB 64 ns的动态范围,满足一般与时间相关的单光子计数需要.     

采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术

红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比，有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35m CMOS工艺，提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构，在170 MHz时钟频率下，实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3s的量程，并在1 kHz的帧率下采用串行模式输出数据，经相关数据处理，最终实现测距轮廓成像的功能。