CN103297054B - 环形时间数字转换器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环形时间数字转换器，包括：一个脉冲整形器，用于对输入的开始脉冲和停止脉冲整形成固定宽度输出；至少两个差分比较单元，用于当匹配使能时，所述差分比较单元中的触发器将置位端置为1；一个圈计数器，用于计算脉冲在环中传播的次数；一个匹配使能逻辑器，用于产生匹配使能信号，并将产生的所述匹配使能信号发送到所述差分比较单元的比较使能端口；至少两个环内位置编码器，用于根据所述差分比较单元送出的匹配信号，找到第一个匹配上的单元的位置；结果记录寄存器，用于当匹配发生时记录圈数和环内位置。本发明提出了一种环形时间数字转换器及其方法，通过使用差分链实现了高分辨率，采用环形设计，节省了晶圆面积。

Description

环形时间数字转换器及其方法
技术领域
本发明涉及时间测量领域，特别涉及一种环形时间数字转换器及其方法。
背景技术
时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)是一种把时间间隔转换成数字信号的计时器。其在时间测量领域中具有广泛的用途，其中包括飞行时间的测量、锁相环中的鉴相器、数据转换器、高速信号捕捉、解调器以及其他测量或仪器应用。设计TDC的主要目标是提高分辨率并且提供较大的动态范围。由于差分链能够实现小于门级延迟的分辨率，且环形TDC占用面积小、动态范围大，所以现有技术使用差分链实现TDC的方法有两种：A、两步法，先实现时间粗量，然后再用差分链测量；B、采用环形差分结构，在测量时记录粗值计数、细值计数、圈内位置等信息，通过运算得到测量结果。
然而对于现有技术中的做法A需要用额外的测量电路，占用面积太大，并且结构也相对复杂；做法B只用环形实现，虽方法巧妙，但是计算复杂，涉及多个参数。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明提出了一种环形时间数字转换器及其方法，目的是为了解决现有技术中时间数字转换器占用面积较大、且计算复杂问题。
(二)技术方案
本发明提出了一种环形时间数字转换器，包括：
一个脉冲整形器，用于对输入的开始脉冲和停止脉冲整形成固定宽度输出；
至少两个差分比较单元，用于当匹配使能时，所述差分比较单元中的触发器将置位端置为1；
一个圈数计数器，用于计算脉冲在环中传播的圈数；
一个匹配使能逻辑器，用于产生匹配使能信号，并将产生的所述匹配使能信号发送到所述差分比较单元的比较使能端口；
至少两个环内位置编码器，用于根据所述差分比较单元送出的匹配信号，确定匹配单元的匹配位置；
结果记录寄存器，用于当匹配发生时，记录脉冲在环中传播的圈数和匹配位置。
优选地，所述差分比较单元由两个缓冲器、一个触发器、一个与门、一个或门组成。
优选地，两个所述缓冲器延迟相差为Tr。
优选地，所述差分比较单元中的所述与门用于将两个所述缓冲器的输出和匹配使能信号做逻辑与后，送入所述触发器的置位端。
优选地，所述触发器为RS触发器。
优选地，所述圈计数器有两个输入端，分别为Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数。
优选地，所述匹配使能逻辑器为一个RS触发器，当Ci端和Cr端的圈计数相等时，所述匹配使能逻辑器产生匹配使能信号。
本发明还提供一种环形时间数字转换方法，所述方法包括：
S1、在脉冲整形器的两个输入端分别输入开始脉冲和停止脉冲，并将所述开始脉冲和所述停止脉冲整形成固定宽度输出；
S2、输出的开始脉冲和输出的停止脉冲分别送到长延迟环和短延迟环中；
S3、当所述开始脉冲的上升沿到达圈计数器的Ci端时，则圈计数器的Ci端加1；
当所述停止脉冲的上升沿到达圈计数器的Cr端时，则圈计数器的Cr端加1；
S4、当圈计数器的Ci端和Cr端相等时，则匹配使能逻辑器产生匹配使能信号，且所述差分比较单元的触发器将置位端置为1，记录匹配单元的匹配位置，并将产生的所述匹配使能信号发送到差分比较单元的比较使能端口；
S5、所述匹配使能信号通过匹配传递链进行传送，结果记录寄存器记录圈计数器中的计数值和环内位置编码值，所述圈计数器有两个输入端，分别为Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数。
优选地，在步骤S1之前还包括将环形时间数字转换器初始化。
优选地，所述将环形时间数字转换器初始化的方法为：
将所述环形时间数字转换器中的触发器复位，并通过长延迟环和短延迟环入口的与门将环切断并清零。
优选地，步骤S5中，圈计数器将计数值发送送到第一结果记录寄存器中；
环内位置编码器根据匹配信号输出编码将环内位置编码值发送到第二结果记录寄存器中。
(三)有益效果
本发明提出了一种环形时间数字转换器及其方法，通过使用差分链实现了高分辨率，采用环形设计，节省了晶圆面积。
附图说明
图1为本发明提出的环形时间数字转换器示意图；
图2为本发明提出的差分比较单元示意图；
图3为本发明提出的环形时间数字转换器方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出了一种环形时间数字转换器，如图1所示，该环形时间转换器主要包括：
一个脉冲整形器，作用是输入任意宽度的脉冲，将该任意宽度的脉冲转换成固定宽度的脉冲输出，用于对输入的开始脉冲和停止脉冲整形成固定宽度输出；
至少两个差分比较单元，如图2所示，差分比较单元是差分链的一节，所述差分比较单元由两个缓冲器、一个触发器、一个与门、一个或门组成，两个所述缓冲器延迟相差为Tr，其中，delay为长延迟单元，buf为短延迟单元，用于当匹配使能时，所述差分比较单元中的触发器将置位端置为1，所述触发器为RS触发器，作为差分比较单元中的结果记录触发器；
一个圈计数器，用于计算脉冲在环中传播的次数，所述圈计数器有两个输入端Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数；
一个匹配使能逻辑器，用于产生匹配使能信号，并将产生的所述匹配使能信号发送到所述差分比较单元的比较使能端口；
至少两个环内位置编码器，用于根据所述差分比较单元送出的匹配信号，确定匹配单元的匹配位置；
结果记录寄存器，用于当匹配发生时，记录脉冲在环中传播的圈数和匹配位置。
所述差分比较单元中的所述与门用于将两个所述缓冲器的输出和比较使能信号做逻辑与后，送入所述触发器的置位端。
所述匹配使能逻辑器为一个RS触发器，当Ci端和Cr端的圈计数相等时，所述匹配使能逻辑器产生匹配使能信号。
本发明还提出了一种环形时间数字转换方法，该方法流程图如图3所示，所述方法包括：
S1、在脉冲整形器的两个输入端分别输入开始脉冲和停止脉冲，并将所述开始脉冲和所述停止脉冲整形成固定宽度输出；
S2、输出的开始脉冲和输出的停止脉冲分别送到长延迟环和短延迟环中；
S3、当所述开始脉冲的上升沿到达圈计数器的Ci端时，则圈计数器的Ci端加1；
当所述停止脉冲的上升沿到达圈计数器的Cr端时，则圈计数器的Cr端加1；
S4、当圈计数器的Ci端和Cr端相等时，则匹配使能逻辑器产生匹配使能信号，且所述差分比较单元的触发器将置位端置为1，记录匹配单元的匹配位置，并将产生的所述匹配使能信号发送到差分比较单元的比较使能端口；
S5、所述匹配使能信号通过匹配传递链进行传送，结果记录寄存器记录圈计数器中的计数值和环内位置编码值，所述圈计数器有两个输入端，分别为Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数。
在步骤S1之前还包括将环形时间数字转换器初始化，所述将环形时间数字转换器初始化的方法为：
将所述环形时间数字转换器中的触发器复位，并通过长延迟环和短延迟环入口的与门将环切断并清零。
圈计数器将计数值发送到第一结果记录寄存器Y中记录；
环内位置编码器根据匹配信号输出编码将环内位置编码值发送到第二结果记录寄存器X中记录。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种环形时间数字转换器，其特征在于，包括：
一个脉冲整形器，用于对输入的开始脉冲和停止脉冲整形成固定宽度输出；
至少两个差分比较单元，用于当匹配使能时，所述差分比较单元中的触发器将置位端置为1；
一个圈数计数器，用于计算脉冲在环中传播的圈数；
一个匹配使能逻辑器，用于产生匹配使能信号，并将产生的所述匹配使能信号发送到所述差分比较单元的比较使能端口；
至少两个环内位置编码器，用于根据所述差分比较单元送出的匹配信号，确定匹配单元的匹配位置；
结果记录寄存器，用于当匹配发生时，记录脉冲在环中传播的圈数和匹配位置。
2.根据权利要求1所述的环形时间数字转换器，其特征在于，所述差分比较单元由两个缓冲器、一个触发器、一个与门、一个或门组成。
3.根据权利要求2所述的环形时间数字转换器，其特征在于，两个所述缓冲器延迟相差为Tr。
4.根据权利要求2所述的环形时间数字转换器，其特征在于，所述差分比较单元中的所述与门用于将两个所述缓冲器的输出和匹配使能信号做逻辑与后，送入所述触发器的置位端。
5.根据权利要求2所述的环形时间数字转换器，其特征在于，所述触发器为RS触发器。
6.根据权利要求1所述的环形时间数字转换器，其特征在于，所述圈数计数器有两个输入端，分别为Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数。
7.根据权利要求6所述的环形时间数字转换器，其特征在于，所述匹配使能逻辑器为一个RS触发器，当Ci端和Cr端的圈计数相等时，所述匹配使能逻辑器产生匹配使能信号。
8.一种环形时间数字转换方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、在脉冲整形器的两个输入端分别输入开始脉冲和停止脉冲，并将所述开始脉冲和所述停止脉冲整形成固定宽度输出；
S2、输出的开始脉冲和输出的停止脉冲分别送到长延迟环和短延迟环中；
S3、当所述开始脉冲的上升沿到达圈计数器的Ci端时，则圈计数器的Ci端加1；
当所述停止脉冲的上升沿到达圈计数器的Cr端时，则圈计数器的Cr端加1；
S4、当圈计数器的Ci端和Cr端相等时，则匹配使能逻辑器产生匹配使能信号，且差分比较单元的触发器将置位端置为1，记录匹配单元的匹配位置，并将产生的所述匹配使能信号发送到差分比较单元的比较使能端口；
S5、所述匹配使能信号通过匹配传递链进行传送，结果记录寄存器记录圈计数器中的计数值和环内位置编码值，所述圈计数器有两个输入端，分别为Ci端和Cr端，其中，Ci端为长延迟环的圈计数，Cr端为短延迟环的圈计数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括将环形时间数字转换器初始化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将环形时间数字转换器初始化的方法为：
将所述环形时间数字转换器中的触发器复位，并通过长延迟环和短延迟环入口的与门将环切断并清零。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S5中，圈计数器将计数值发送送到第一结果记录寄存器中；
环内位置编码器根据匹配信号输出编码将环内位置编码值发送到第二结果记录寄存器中。
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