[發明專利]基于反熔絲FPGA的時間數字轉換器及其溫度漂移修正方法

有效

• 申請號: 201210566382.5
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103092059A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 劉樹彬;秦熙;封常青;安琪
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G04F10/00
• 分類號: G04F10/00;H03M1/50
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及高精度時間測量領域，尤其涉及一種基于反熔絲FPGA的時間數字轉換器及其溫度漂移修正方法。

背景技術

隨著近年來航空航天的快速發展，高精度時間測量在航天領域、空間研究領域等輻射較強的場合中得到了廣泛的應用，例如空間高能粒子譜儀和等離子體譜儀的飛行時間測量系統、衛星高度計、空間測距儀、空間遙測、量子通訊領域中的時間定標等等。在這些特殊的應用場合，高精度時間測量器件必須有較強的抗輻照性能，而且對于不同的應用，對時間測量的精度、死時間、時間測量動態范圍等參數都有著不同的要求。在上述的應用領域，一款設計靈活、成本較低、應用范圍廣且具有較強抗輻照特性的高精度時間數字轉換器具有重大的應用價值。

時間測量的方法有很多，例如計數法、內插法、游標卡尺法、時間放大法、時間模擬轉換+模擬數字轉換等等。計數法最為簡單，但是精度很難做到很高；時間放大法和時間模擬轉換+模擬數字轉換法電路復雜且死時間大，調試維護工作量大，高功耗且不易提高集成度，可應用的領域不多；內插法和游標卡尺法是目前使用較多的兩種時間測量方法。游標卡尺法目前主要分兩大實現手段：利用高精度時鐘的周期差實現游標卡尺，以及利用兩種固定延時單元的之間的延時差實現游標卡尺。前者消耗資源少，測量精度略低，后者消耗較多資源但是可以做到很高精度，這兩種方法共同的缺點就是死時間較長。內插法與游標卡尺法相比，其在保證較高測量精度的同時有較低的死時間是一大亮點。

中國專利CN1719353A提出在SRAM型FPGA中利用進位鏈實現高精度時間數字轉換，該方法基本原理：利用內插法進行細時間測量，之后對鎖存數據進行譯碼，另外由正向和反向系統時鐘下兩個高速同步計數器進行粗時間測量，最后將細時間測量單元和粗時間測量單元所測得的數字信息存入數據緩存單元，等待外部器件的讀取。

該專利提出的方法利用進位鏈實現時間內插，可以達到很高的時間測量精度。但是SRAM型FPGA如果在輻射較強的場合中使用，一旦被高能帶電粒子擊中，由于SRAM自身結構的原因很大概率會出現單粒子效應，這會導致最終得出錯誤的測量結果甚至燒毀芯片。同時該方法應用于溫度變化范圍較大的環境中時，測量精度會變差，該專利其并沒有提出解決這一問題的方案。

為高精度時間測量研發的專用ASIC芯片在一些空間環境或者輻射較高的領域已經得到過應用，其利用鎖相環(PLL)抑或延時鎖定環(DLL)技術來提高測量精度，可以做到幾ns到100ps左右的時間分辨。

專用的ASIC芯片若要應用于航天、空間研究領域，需要花費大量的研發經費，還要需要經過大量的輻照測試來驗證其抗輻照性能，研發周期很長。同時作為時間測量專用ASIC芯片，其功能固定，在實際使用時只能根據它的功能做相應設計，且其往往只適用于某些特定的研究任務，因此靈活性較差，并不適用于某些特定場合。

發明內容

本發明的目的在于利用抗輻射性能強的Actel反熔絲FPGA提供一種成本較低、設計靈活性較強的、可應用于航空航天、空間實驗等輻照較強的環境中的高精度時間數字轉換器。本發明在提供高精度時間測量功能的同時，具有較強的設計靈活性，且自身的死時間低，動態范圍大，另外引入溫度漂移修正算法即可將本發明應用于溫度變化劇烈的環境中。

為此，本發明公開了一種基于反熔絲FPGA的時間數字轉換器，其包括：粗時間測量單元、細時間測量單元、譯碼單元和數據緩存單元，上述各個單元在單片反熔絲FPGA上實現；其中所述粗時間測量單元用于測量粗精度時間數據，并輸出至所述數據緩存單元進行存儲；所述細時間測量單元用于測量高精度時間數據，所述譯碼單元用于將所測量的高精度時間數據譯碼后輸出至所述數據緩存單元進行存儲。

本發明還公開了一種對上述基于反熔絲FPGA的時間數字轉換器所測量的時間進行溫度漂移修正的方法，其包括：

從所述數據緩存單元讀取譯碼后的高精度時間數據；

對所述譯碼后的高精度時間數據進行溫度漂移修正：

t_細＝(M1+INL(M1))*LSB

其中t_細表示修正后的高精度細時間，M1為所述譯碼后的高精度時間數據，INL(M1)表示高精度時間數據為M1時的積分非線性，其根據已標定溫度的積分非線性查找表INL獲得，LSB表示當前工作溫度最小測量單元的大小。