工業(yè)的發(fā)展對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的精密時(shí)間測(cè)量技術(shù)大致有以下幾種方法：直接計(jì)數(shù)法、擴(kuò)展法、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法、游標(biāo)法。微電子技術(shù)的發(fā)展，為高集成度、低功耗、高分辨率的TDC提供了可能。
    電子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量的技術(shù)和原理有多種，從測(cè)量范圍和測(cè)量精度上看，可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是高精度的時(shí)間測(cè)量，其測(cè)量分辨率最高可以達(dá)到幾個(gè)皮秒量級(jí)，但該類(lèi)時(shí)間測(cè)量電路其動(dòng)態(tài)范圍一般比較低；另一類(lèi)為大動(dòng)態(tài)范圍高精度時(shí)間測(cè)量電路。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)時(shí)間測(cè)量范圍和測(cè)量精度提出了不同的要求。本文介紹了一種比較折中的方法，即在低動(dòng)態(tài)范圍與大動(dòng)態(tài)范圍均可得到較佳結(jié)果的非門(mén)延遲法，此方法為時(shí)間數(shù)字化(TDC)的一種。
1 非門(mén)延遲的工作原理
1.1 延遲線(xiàn)工作原理
    抽頭延遲線(xiàn)法與差分延遲線(xiàn)法是隨著近年來(lái)大規(guī)模集成電路的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的。抽頭延遲線(xiàn)法，也叫時(shí)延法。從概念上說(shuō)，它比較簡(jiǎn)單。在早期，用同軸線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲線(xiàn)，但是為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，需要數(shù)目眾多的抽頭，因而電路龐大，使得這個(gè)技術(shù)在當(dāng)時(shí)無(wú)法推廣。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這種方法被移植到集成電路上，得到迅速推廣。抽頭延遲線(xiàn)是由一組延遲單元組成的，理論上這組延遲單元傳播時(shí)延相等，都為?子。而時(shí)間間隔的測(cè)量就是通過(guò)關(guān)門(mén)信號(hào)Stop對(duì)開(kāi)門(mén)信號(hào)Start在延遲線(xiàn)中的傳播進(jìn)行采樣實(shí)現(xiàn)的。抽頭延遲線(xiàn)法的結(jié)構(gòu)多種多樣，下面以其中一種為例介紹[1]，[2]。
    圖1是由專(zhuān)用的延遲單元和采樣單元實(shí)現(xiàn)抽頭延線(xiàn)法的電路原理圖。一個(gè)延遲時(shí)間為τ的單元，總是配合一個(gè)觸發(fā)器FF(Flip-Flop)。這里FF是上升沿觸發(fā)而非電平觸發(fā)，時(shí)間間隔T開(kāi)始時(shí)Start的上升沿在延遲線(xiàn)中傳播，結(jié)束時(shí)用Stop的上升沿對(duì)觸發(fā)器進(jìn)行采樣。觸發(fā)器電平為高時(shí)最高位的位置就決定了測(cè)量結(jié)果，通過(guò)譯碼實(shí)現(xiàn)從時(shí)間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。但要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，輸入觸發(fā)器時(shí)鐘端的Stop信號(hào)的時(shí)滯必須很小[4]。

    該方法原理簡(jiǎn)單，但所設(shè)計(jì)傳輸門(mén)的長(zhǎng)度隨測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度的增加而增加，長(zhǎng)延遲線(xiàn)的制作和性能不能得到很好的保證，因此這種技術(shù)常常只是作為內(nèi)插的基礎(chǔ)。在此技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法有鎖相環(huán)(PLL)法[5]、延遲鎖定環(huán)(DLL)法、延遲鎖定環(huán)陣列、進(jìn)位鏈延遲法等，在各種設(shè)計(jì)中都得到一定的應(yīng)用。但此類(lèi)方法設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要仔細(xì)的布局布線(xiàn)以保證所有單元的延遲相同以及每個(gè)單元的輸出互連電容匹配，且應(yīng)充分考慮環(huán)路的穩(wěn)定性。
1.2 延遲方法
    在各種門(mén)電路結(jié)構(gòu)中，非門(mén)是工藝結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種門(mén)電路[3]，在不考慮工藝差別的情況下，電流通過(guò)一個(gè)門(mén)電路所用的時(shí)間應(yīng)為最短，本文選擇非門(mén)電路作為傳輸線(xiàn)的延遲。結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了減少延遲線(xiàn)長(zhǎng)度，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，利用數(shù)字電路中奇數(shù)個(gè)非門(mén)通過(guò)自身延遲則可組成一個(gè)閉環(huán)振蕩器的結(jié)論，在該振蕩器的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)出一個(gè)時(shí)間測(cè)量電路。

    啟動(dòng)信號(hào)Start高電平觸發(fā)，啟動(dòng)非門(mén)振蕩器振蕩輸出高頻頻率信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)多次分頻后進(jìn)入頻率計(jì)數(shù)器。當(dāng)停止信號(hào)Stop進(jìn)入時(shí)，觸發(fā)停止振蕩器并鎖存振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器結(jié)果信號(hào)。該振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器結(jié)果信號(hào)進(jìn)行合成計(jì)算后即可得到時(shí)間值。
    由于CMOS門(mén)延時(shí)振蕩器與工藝參數(shù)、供電電壓和溫度高度相關(guān)，因此這樣的振蕩器需要經(jīng)常校準(zhǔn)以減小誤差。該電路中設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)電路，校準(zhǔn)電路以精確的32.768 kHz時(shí)鐘作為參照，每次測(cè)量前先測(cè)量精確的32.768 kHz時(shí)鐘。
    將32.768 kHz的時(shí)鐘引入到Start/Stop引腳，啟動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)鐘電路，測(cè)量?jī)蓚€(gè)上升沿之間的時(shí)差，結(jié)果存儲(chǔ)在結(jié)果寄存器中，則單個(gè)門(mén)延遲的平均時(shí)間τ為：
 
    M1：頻率計(jì)數(shù)器值
    M2：分頻值
    M3：振蕩環(huán)所計(jì)值
    X1：分頻次數(shù)
    X2：振蕩環(huán)非門(mén)數(shù)
    通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算即可得到單個(gè)門(mén)延遲的平均時(shí)間。在每次測(cè)量前先測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)鐘，再測(cè)量需測(cè)時(shí)間則可得到較佳的精度，該電路在不同的CPLD芯片中得到的延遲時(shí)間不同，在ALTEAR公司的MAXII系列中的EMP570T-
100C5大約為250 ps。
2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將精確的32.768 kHz基準(zhǔn)時(shí)鐘通過(guò)該電路，仿真結(jié)果如圖3所示。基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿觸發(fā)啟動(dòng)振蕩器，振蕩輸出頻率約為750 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)多次分頻后進(jìn)入頻率計(jì)數(shù)器。頻率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果為(0x057B)，級(jí)聯(lián)分頻器分頻值為(0b1001)，振蕩環(huán)所計(jì)值為(0b101)。理論計(jì)算得出每個(gè)門(mén)延遲為226.480 6 ps。

    用頻率為4 MHz的待測(cè)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)該電路，仿真結(jié)果如圖4所示。頻率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果為(0x000B)，級(jí)聯(lián)分頻器分頻值為(0b0111)，振蕩環(huán)所計(jì)值為(0b101)。兩個(gè)高電平之間的時(shí)間差為T(mén)=(M1×X1×2×X2+M2×2×X2+M3)×τ(ps)；仿真計(jì)算得出兩個(gè)高電平之間的時(shí)間差為249 808.101 8 ps。與理論值的差為－191.898 2 ps。

    仿真實(shí)驗(yàn)顯示，該設(shè)計(jì)的分辨率優(yōu)于250 ps，考慮到干擾、溫度影響和器件差別，其測(cè)量分辨率應(yīng)優(yōu)于300 ps。在大測(cè)量范圍應(yīng)用中只要增加頻率計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度則可，且不影響頻率分辨率。
3 誤差分析
    通過(guò)振蕩環(huán)仿真結(jié)果局部放大圖5可以看出，振蕩環(huán)內(nèi)部非門(mén)的延遲并非為等延遲電路。因?yàn)镃PLD內(nèi)部的邏輯互聯(lián)并非等延遲線(xiàn)，所以非門(mén)串聯(lián)時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度無(wú)法一致，由仿真波形觀(guān)察結(jié)果已說(shuō)明內(nèi)部編譯為非等延遲線(xiàn)，但Quartus II平臺(tái)在CPLD綜合仿真過(guò)程中已經(jīng)充分考慮了門(mén)及互連進(jìn)位鏈間的延遲，該燒寫(xiě)文件下載入CPLD運(yùn)行結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎一樣，故為了提高測(cè)量精度，可將仿真結(jié)果中每個(gè)門(mén)的延時(shí)比例帶入運(yùn)算過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)算。

    改進(jìn)后用4 MHz的待測(cè)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)該電路，仿真計(jì)算得出信號(hào)兩個(gè)高電平之間的時(shí)間差為249 853.397 9 ps。與理論值的差為－146.602 1 ps。可見(jiàn)通過(guò)該方法可在一定程度上提高測(cè)量精度。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、誤差分析與改進(jìn)方法
    將32.768 kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘接入該電路，同時(shí)將待測(cè)信號(hào)接入該電路（以4 MHz的頻率信號(hào)為例），晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定誤差約為±20 ppm，改變測(cè)量基準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)和外部環(huán)境溫度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出，將32.768 kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘接入該電路，與仿真的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在仿真數(shù)據(jù)之間略有波動(dòng)；待測(cè)脈沖、基準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)越多得出單個(gè)門(mén)延遲越精確；隨著溫度升高，單個(gè)門(mén)延遲時(shí)間變短；溫度變化時(shí)，基準(zhǔn)時(shí)鐘與待測(cè)信號(hào)變化趨勢(shì)一致，且存在一定的關(guān)系。
    圖6為不同溫度下的單非門(mén)延時(shí)。由圖6可以看出，溫度越高非門(mén)延遲時(shí)間越短，理論上溫度越高，電子的活躍程度越大，非門(mén)延時(shí)間變短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。不同溫度時(shí)非門(mén)延遲時(shí)間不同，故為了得到穩(wěn)定精確的測(cè)量結(jié)果，不能使用相同的非門(mén)延遲，因此每次測(cè)量待測(cè)信號(hào)時(shí)先測(cè)量32.768 kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)算出單個(gè)非門(mén)的延時(shí)時(shí)間，再測(cè)量待測(cè)信號(hào)，這樣則可消除溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，得到精確的測(cè)量結(jié)果。圖7為不同溫度下先測(cè)基準(zhǔn)時(shí)鐘、再測(cè)待測(cè)信號(hào)所測(cè)得的待測(cè)信號(hào)時(shí)間，通過(guò)此方法可以消除溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。

    圖8為不同測(cè)量脈沖數(shù)下的單非門(mén)延時(shí)，由圖8可以看出，連續(xù)測(cè)量基準(zhǔn)脈沖數(shù)越多，得到的單次非門(mén)延遲越接近于理論值。這是由于在對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行量化的過(guò)程中存在舍掉余數(shù)誤差，通過(guò)測(cè)量多個(gè)時(shí)鐘脈沖的方法減小了舍入誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

    同理，在相同條件下測(cè)量的待測(cè)時(shí)鐘脈沖數(shù)越多，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得出的待測(cè)時(shí)鐘脈沖時(shí)差與理論值越接近。因此，在測(cè)量過(guò)程中可以通過(guò)多次連續(xù)測(cè)量求平均的方法減小誤差。例如，將該設(shè)計(jì)應(yīng)用在超聲波流量計(jì)中，可以連續(xù)測(cè)量8次回波的方法減小測(cè)量誤差，實(shí)際應(yīng)用中該方法效果良好。
    該設(shè)計(jì)在測(cè)量過(guò)程中以精確的32.768 kHz作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，該基準(zhǔn)時(shí)鐘一般采用晶體振蕩器，晶體振蕩器的穩(wěn)定誤差通常約為±20 ppm。因此，可通過(guò)選用頻率穩(wěn)定度更高的晶體振蕩器(如±5 ppm)以提高測(cè)量精度。但該振蕩器的價(jià)格比±20 ppm的高許多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮性?xún)r(jià)比的問(wèn)題。
    本文介紹的微時(shí)間測(cè)量方法，不僅大大節(jié)省了芯片面積，降低了設(shè)計(jì)難度，而且達(dá)到較高的頻率分辨率。這種方法的提出，在低成本且對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量有較高精度要求的場(chǎng)合，有重要的實(shí)際意義。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，選擇更快速度的CPLD，該設(shè)計(jì)可達(dá)到更高的頻率分辨率。如需達(dá)到100 ps以?xún)?nèi)的分辨率，可通過(guò)此方法設(shè)計(jì)定制專(zhuān)用的ASIC電路。該設(shè)計(jì)在一般的應(yīng)用場(chǎng)合如超聲波流量計(jì)、紅外測(cè)距中已經(jīng)得到實(shí)際運(yùn)用，使用效果良好，測(cè)量穩(wěn)定、精確。
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