[實用新型]一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀

有效

• 申請號: 201520742600.5
• 申請日: 2015-09-23
• 公開（公告）號: CN204989787U
• 公開（公告）日: 2016-01-20
• 發明（設計）人: 楊鴻武;張策;陸曉燕;郝東亮;甘振業;趙高超;楊靜波
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: G04F10/00
• 分類號: G04F10/00
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務所(普通合伙) 11368
• 代理人: 孫國棟

技術領域

本實用新型涉及高精度時間間隔測量技術領域，特別是一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀。

背景技術

時間間隔測量技術在很多領域有著廣泛的應用。如在科學儀器、粒子物理研究、深空通訊、激光測距和天文觀測等領域的發展都離不開高精度的時間間隔測量技術。在平時生活中，時間的使用常常精確到分鐘或秒就足夠了，即便在天文衛星測量方面，滿足測量需求的時間間隔測量也只精確到納秒。但是在很多工業生產、國防和粒子加速器物理實驗中，時間間隔測量作為一種重要的鑒別和探測手段，對精度要求會比較高，已經達到皮秒量級。因此，提高時間間隔測量的精度成為了很多應用方向的重要目標。

以往的高精度的時間間隔測量技術主要實現方法可以分為以下幾類：基于計數方法、標尺方法、脈沖交疊方法和電流積分方法，這些實現高精度時間測量的方法由于沒有很好的穩定性，并且精度和集成度過低、功耗大，已經難以滿足目前市場的需求。隨著集成電路方面的發展，出現了比較好的實現高精度時間測量的技術，可以統稱為時間-數字轉換技術，即TDC技術，該技術將帶有短時時間間隔信息的模擬信號轉換成數字信號，實現對高精度短時間信息的測量。美國、日本、歐州等國家均對時間測量技術作了大量研究，他們利用在集成電路領域的高速發展帶來的優勢，推動精確的時間測量技術的發展，使得精確測量時間間隔的技術越發成熟，并且用集成電路IC實現了時間數字轉換技術。目前國外已經有比較成熟的TDC芯片，德國ACMA公司的TDC-GP1能夠達到雙通道250ps，單通道125ps的分辨率；TDC-GP2單通道典型分辨率可達五十皮秒。法國Dassauh公司的時間測量器的精度也已經達到了幾十皮秒。但我國對時間間隔測量技術的研究仍然處于探索和起步階段。

目前，國內對時間測量分辨率小于1ns的時間間隔測量的研究比較少，僅有少數幾所大學從事高精度時間間隔測量的研究工作，并且高分辨率和大測量范圍難以同時兼得，大部分的測量精度在百皮秒(ps)量級。國內關于時間間隔測量的研究大都是基于FPGA進行的，而且沒有得到成功應用的商業TDC。雖然，使用FPGA可以減小研發周期，使得設計更加的靈活和可靠。但是，在FPGA設計中，通過EDA軟件仿真和綜合設計實現所有基本電路，時間線延時的不確定性使得FPGA無法保證各路門單元相互之間的延時離散性，更主要的是由于時序上的不確定性使得系統與其它電路不能很好的兼容，因此很難得到高的分辨率，得不到廣泛的應用。為了克服FPGA設計的上述缺點，本論文使用基于模擬元件搭建改進的時間-幅度轉換電路，結合高精度ADC采集卡，提高了時間間隔測量的分辨率，減小了轉換時間。

實用新型內容

為了解決述背景技術中提出的在FPGA設計中時序上的不穩定導致系統無法保證各路門單元相互之間的延時離散性和系統與其他電路不能很好的兼容等問題，本實用新型提供了一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀。

為了實現上述目的，本實用新型所設計的一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀，包括探測器start信號輸入端、探測器cstop信號輸入端、改進式TAC模塊、數據采集及傳輸模塊、數據采集控制及存儲模塊、FPGA、網線接口和網線、TAC控制模塊和resetdisch信號輸入端；

所述FPGA集成所述數據采集控制及存儲模塊和TAC控制模塊，所述FPGA與所述網線接口和網線相連接，所述網線接口和網線與PC相連接；

所述探測器start信號輸入端和探測器cstop信號輸入端接入所述改進式TAC模塊前端，所述改進式TAC模塊與所述數據采集及傳輸模塊相連接，所述數據采集及傳輸模塊與數據采集控制及存儲模塊相連接；

所述TAC控制模塊與所述resetdisch信號輸入端相連接，所述resetdisch信號輸入端與所述改進式TAC模塊相連接。

更進一步的，一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀，包括恒流源、積分電路、積分控制電路、放大電路、采樣保持電路和采樣控制電路；所述恒流源接入所述積分電路，所述積分電路與所述積分控制電路和放大電路相連接，所述放大電路接入采樣保持電路，所述采樣保持電路與所述采樣控制電路相連接；所述恒流源為電壓可控恒流源。

本實用新型得到的一種基于改進式TAC的高精度時間間隔測量儀，包括改進式TAC模塊、數據采集及傳輸模塊、TAC控制模塊、數據采集控制及存儲模塊，其中：