[發(fā)明專利]一種基于差分充電的高精度大范圍時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310176722.8
• 申請(qǐng)日: 2013-05-14
• 公開（公告）號(hào): CN103634010A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王新剛;王飛;楊海鋼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H03M1/50
• 分類號(hào): H03M1/50
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于時(shí)間測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于差分充電的高精度大范圍時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

高精度大范圍的時(shí)間測(cè)量作為一種關(guān)鍵性的技術(shù)在諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，例如激光測(cè)距(LRF)、導(dǎo)航通信、高能物理實(shí)驗(yàn)、衛(wèi)星監(jiān)控、科學(xué)計(jì)量等領(lǐng)域。精密的時(shí)間測(cè)量無論是在國防還是在民用領(lǐng)域都不可或缺，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間的測(cè)量正朝著高精度大輸入范圍的方向發(fā)展，以滿足眾多應(yīng)用的要求。

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital?Converter，TDC)是一種將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的器件，一定程度上類似于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital?Converter，ADC)，只不過ADC量化的是電壓或者電流，而TDC量化的是時(shí)間間隔。到目前為止，TDC的典型方法可歸納為以下幾種：計(jì)數(shù)法，即用一高頻時(shí)鐘對(duì)輸入的時(shí)間間隔直接進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法測(cè)量精度較低，且需要外部的高頻時(shí)鐘，通常與其他具有高精度的方法配合使用；時(shí)間到電壓及電壓到數(shù)字法，顧名思義，該方法就是先把待測(cè)的時(shí)間間隔(脈沖的形式)借助于記憶元件電容的充電轉(zhuǎn)換為一定的電壓，再通過電容的放電將電壓釋放，電路設(shè)計(jì)使得放電速度要遠(yuǎn)小于充電速度，所以待測(cè)的時(shí)間間隔得到了展寬，用計(jì)數(shù)器對(duì)展寬后的脈沖計(jì)數(shù)就得到了待測(cè)時(shí)間信息；相對(duì)計(jì)數(shù)法，該方法精度高，但是由于是數(shù)模混合電路，有諸多因素影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；抽頭式延遲線法(Tapped?Delay?Line，TDL)，主題思想就是將先到的邊沿信號(hào)每經(jīng)過一定量的延遲(通常就是一個(gè)緩沖器或反相器的延遲)與后到的信號(hào)進(jìn)行一次裁決，以確定兩者裁決時(shí)的先后順序，裁決結(jié)果為11100...序列，從裁決結(jié)果就可得知輸入的時(shí)間信息，該方法精度較高，但是芯片面積開銷大，尤其是當(dāng)輸入的時(shí)間間隔很大時(shí)；差分式延遲線法(Vernier?Delay?Line，VDL)，將待測(cè)的兩個(gè)信號(hào)每經(jīng)過一定量的延遲(兩者的延遲不同，但延遲差為一個(gè)定值)裁決一次，裁決的結(jié)果就是最后的輸出結(jié)果，該方法的精度比TDL還要高，是常用方法里精度最高的，但是芯片面積開銷比TDL的還要大；差分振蕩器法(Vernier?Ring?Oscillator，VRO)，利用兩個(gè)具有微小振蕩頻率差的振蕩器對(duì)輸入的時(shí)間間隔進(jìn)行量化，測(cè)量精度與差分式延遲線法相當(dāng)，電路面積更小，但是在震蕩過程中本身會(huì)有噪聲的積累，也容易受其他噪聲源干擾。因此，一種高精度的、大輸入范圍的、面積開銷小、低功耗的TDC成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種基于差分充電的高精度、大輸入范圍、芯片面積小、低功耗的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以解決現(xiàn)有時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中存在的范圍和精度不易兼顧的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于差分充電的高精度大范圍時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包含時(shí)間分段器101、啟動(dòng)器102、主電荷泵103、脈沖產(chǎn)生器104、從電荷泵105、選擇電路106、比較電路107、與門108、粗測(cè)計(jì)數(shù)器109和細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器110，其中：

所述時(shí)間分段器101具有端口一、端口二和端口三，端口一和端口二分別用于輸入兩個(gè)具有連續(xù)時(shí)間間隔的跳變沿信號(hào)，端口三用于輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘信號(hào)；所述時(shí)間分段器101用于將端口一和端口二輸入的跳變沿信號(hào)的時(shí)間間隔在所述參考時(shí)鐘信號(hào)的作用下分為時(shí)間段一、時(shí)間段二和時(shí)間段三，并將時(shí)間段一經(jīng)與門108輸入到粗測(cè)計(jì)數(shù)器109被量化，時(shí)間段二和時(shí)間段三輸出到主電荷泵103的兩個(gè)輸入端被轉(zhuǎn)化為電壓信息，時(shí)間段三還連接到啟動(dòng)器102的一個(gè)輸入端；

所述與門108與所述時(shí)間分段器101連接，用于將時(shí)間段一和輸入的參考時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行與操作；

所述粗測(cè)計(jì)數(shù)器109與所述與門108連接，用于根據(jù)所述與門108的與操作結(jié)果產(chǎn)生時(shí)間段一內(nèi)所包含的參考時(shí)鐘周期數(shù)并輸出計(jì)數(shù)結(jié)果；

所述主電荷泵103與所述時(shí)間分段器101連接，用于將時(shí)間段二和時(shí)間段三轉(zhuǎn)化為電壓信息，并將所述電壓信息輸出至所述選擇電路106和比較電路107；

所述啟動(dòng)器102的另一個(gè)輸入端連接所述端口三，用于根據(jù)所述參考時(shí)鐘信號(hào)，在時(shí)間段三結(jié)束后，產(chǎn)生并輸出逼近信號(hào)到所述脈沖產(chǎn)生器104和細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器110；

所述脈沖產(chǎn)生器104與所述啟動(dòng)器102連接，用于在每一個(gè)逼近信號(hào)周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)充電脈沖和兩個(gè)放電脈沖，并輸出至所述從電荷泵105；