[發明專利]一種基于FPGA的高精度高集成度時間數字轉換器及實現方法

有效

• 申請號: 201310446429.9
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103472712A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 趙雷;葉春逢;郝新軍;劉樹彬;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
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發明涉及精密時間測量領域，尤其涉及一種基于FPGA的高精度高集成度時間數字轉換器及實現方法，利用現場可編程邏輯器件FPGA來實現的時間數字轉換器。?

背景技術

時間是物理學中最基本、最重要的物理量之一。時間涉及到一個事件發生和結束的過程，一個事件的兩個或多個發展過程之間的時間關系，或者兩個、多個事件之間的時間關系。精密時間測量在航天領域、空間研究領域、通信、生物醫藥、地球動力學、相對論研究等等諸多領域有著重要的應用。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、飛行時間質譜儀、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。精密時間測量技術的應用已經深入到人們社會生活的方方面面。不同的領域、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。本發明結合生物醫藥、高精密儀器、粒子物理實驗等應用，設計一種使用靈活、成本較低、應用范圍廣泛且具有支持重配置功能的精密時間測量方法。?

時間測量的方法有很多，可分為模擬技術和數字技術兩大類，具體實現上又可劃分為計數法、內插法、游標卡尺法、時間放大法、時間模擬轉換+模擬數字轉換器法等等。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+模擬數字轉換器法電路復雜且死時間大，調試維護工作量大，功耗較高且不易提高集成度，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：利用兩種高精度時鐘的周期時間差值實現游標卡尺測量法，以及利用兩種固定延時單元的之間的延時時間差值實現游標卡尺測量法。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。定制專用集成電路ASIC實現精密時間測量可以實現高精度和低功耗兩個優點，但有著昂貴的開發費用、較長的開發周期以及無法實現靈活變化和更改等缺點，往往是為適應某些特定的應用而研制，在使用中也只能根據其功能設計。因此，其功能固定，使用范圍受到限制。?

中國專利CN1719353A基于進位鏈技術實現高精度時間數字轉換方法。其原理是基于FPGA基本邏輯單元LE間的專用進位鏈延時單元作為最小時間測量單元LSB，利用時間內插技術進行精細時間測量，之后對鎖存數據進行譯碼，另外引入正向和反向系統時鐘下的兩個高速同步計數器進行粗時間部分的測量，最后將細時間測量單元、粗時間測量單元、結合通道信息將所得數字信息存入緩沖FIFO，經相應的接口送到計算機中進行后續處理。該專利可以實現高精度時間測量，但依賴于FPGA中特殊的邏輯資源（進位鏈），容易受到FPGA不同系列特性及演變發展的限制，且作為最小測量單元的進位鏈的延時隨器件種類、環境溫度、工作電壓、工作時間等因素變化較大，譯碼部分也較為復雜，死時間較大。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于FPGA的精密時間測量方法，進而以較低的成本完成待測時間間隔的高精度測量。?

時間數字變換器的功能是實現模擬時間信息到數字時間信息的轉換，其種類很多。本發明基于FPGA實現一種大動態（測量范圍大）、高精度為特征的通用時間數字轉換器。該發明的實現主要包括粗時間測量和細時間測量兩個部分。粗時間測量基于計數器時間測量方法實現的；細時間測量則基于時間內插法進行高精度時間測量。本發明的技術關鍵是利用多相時鐘大大提高時間信息的等效采樣率進而實現時間內插完成細時間測量，并利用同步計數器完成粗時間測量單元。?

本發明的具體解決方案如下：?

一種基于FPGA的高精度高集成度時間數字轉換器，該時間數字轉換器包括細時間測量單元，該細時間測量單元由時間交替采樣單元、多級采樣數據緩沖單元、快拍和編碼單元組成；其中，?

時間交替采樣單元利用分相時鐘和鎖存器對時間信號進行采樣；?

多級采樣數據緩沖單元利用多級鎖存器級聯對采樣單元采樣數據進行多級緩沖；?

快拍和編碼單元完成粗時間周期內的時間采樣信息緩沖并進行編碼。?

進一步的，所述的時間數字轉換器的細時間測量單元的時間交替采樣單元，是基于分相時鐘和鎖存器對時間信號交替采樣構建的。一個采樣周期的數據經鎖存器統一時鐘域后傳給采樣數據緩沖單元。?