CN103425043A - 基于usb的高精度时间数字转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于USB的高精度时间数字转换器，包括依次电连接的时间测量电路、FPGA模块、USB接口和终端；终端通过USB接口为时间测量电路和FPGA模块供电；时间测量电路用于根据输入信号来测量时间，FPGA模块将时间测量模块所测量的时间数据通过USB接口传输给终端，终端将接收到的时间数据显示出来。所述FPGA模块通过USB接口接收终端发来的控制命令，FPGA模块根据控制命令设置时间测量电路的工作模式。本发明通过USB直接对系统进行供电，免去了外接电源部分；测量精度高，最小分辨率可以达到10ps；工作模式可以直接通过终端发送命令进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量时间的精密电子设备，主要实现的功能是对高速多脉冲抵达时间的精确测量的基于USB的高精度时间数字转换器。
技术背景
高分辨率时间间隔测量技术在工程实践和科学实验研究中都有着非常广泛的应用。在工程实践中，主要用于时间同步技术、卫星导航定位、激光测距和通信网的同步,量子通信单光子检测。在科学实验方面的应用主要体现在高能物理实验中的应用，例如高能物理实验中的飞行时间(TOF)的测量。另外，在电子测量领域中，很多高精度的测试仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器和半导体器件测试，其核心部分之一就是其中的时间间隔测试装置。例如半导体器件测试仪，其主要测试功能之一就是半导体的延时特性测试，就是要使时间间隔测量装置达到要求。
随着电子技术的发展，人们开始采用电子计数器进行时间间隔的测量。计数器技术的分辨率主要取决于主时钟的频率，也就是说，分辨率等于主时钟的周期。这样，要求的分辨率越高，相对应的主时钟频率也要求越高。当频率进入GHz以后，计数器电路的实现相对困难，且成本很高。人们又提出了多次平均的方法，利用统计规律来减少量化误差的影响，从而提高了测量的分辨率。但是这种多次平均的方法存在一个问题，就是测量的转换时间太长，在需要实时测量的场合下，这种方法显然就不能满足要求。电子计数法具有以下特点：1.测量范围广，容易实现，且能够做到实时处理；2.存在时标误差与原理误差，限制了其测量精度。
于是人们提出了时间插值的方法，并开发了很多插值器来进一步提高时间间隔测量的分辨率。插值方法的核心思想就是将被测时间间隔分为两部分，即与时钟同步的部分和不同步的短时间间隔部分。其中同步部分用计数器来测量，而不同步部分用插值器来测量。插值器根据其工作的方式，主要分为模拟插值器和数字插值器。模拟插值器主要有时间展宽插值器，时间电压转换带高速A/D转换的插值器，数字插值器主要有时间游标插值器和数字延时线插值器。模拟插值器的特点是采用模拟的方法对时间间隔进行测量，它的分辨率高，但是它的非线性大。现在常用的时间电压转换带高速A/D转换的插值器，转换速度较快，精度高，主要缺点是它的非线性很大。模拟内插法的误差来源总结如下：1.原理误差。2.时间扩展的非线性(主要误差来源)。由于时间扩展采用的都是模拟器件，因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。3.随机误差。4.时钟的稳定度带来的误差。
数字插值器的特点实现了数字化。时间游标的方法精度高，但是它的缺点是存在抖动的影响，以及转换时间长，制作工艺复杂，特别是其核心器件冲击振荡器的制作调试技术难度很大，造价高。随着微电子技术的发展，人们提出利用有源器件延时的方法制作时间间隔测量装置。1993年，提出了基于CMOS工艺的各种延时电路，采用延时可调的缓冲器制成延时单元。后来发展的延时锁相环技术被应用到时间间隔测量中，大大提高了有源器件延时的精度，改善了它的非线性。本发明实用单芯片方案就是基于此原理，目前测量精度能到10ps。通用串行总线USB是目前最常见的计算机总线接口，它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。基于USB的时间－数字转换器不仅可以从USB直接供电，而且数据可以从USB接口高速传输至终端。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、成本低、精度高的基于USB的高精度时间数字转换器。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：包括依次电连接的时间测量电路、FPGA模块、USB接口和终端；所述终端通过USB接口为时间测量电路和FPGA模块供电；所述时间测量电路用于根据输入信号来测量时间，所述FPGA 模块将时间测量模块所测量的时间数据通过USB接口传输给终端，终端将接收到的时间数据显示出来。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述FPGA 模块通过USB接口接收终端发来的控制命令，FPGA 模块根据控制命令设置时间测量电路的工作模式。
作为本发明进一步改进的技术方案，时间测量电路自带有第一FIFO，FPGA模块自带有第二FIFO；时间测量电路将测量得到的时间数据存入自带的第一FIFO；FPGA将从时间测量电路读出的时间数据存入第二FIFO，并且通过USB接口将第二FIFO内的时间数据输出至终端。
作为本发明进一步改进的技术方案，还包括与时间测量电路电连接的用于为时间测量电路提供参考时钟的高速时钟。
作为本发明进一步改进的技术方案，输入信号包括开始信号和终止信号。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述时间测量电路用于测量开始信号边沿变化到终止信号边沿变化之间的时间。
本发明采用FPGA对时间测量电路和USB传输进行运行模式控制，时间测量芯片对输入信号测量出结果后通过FPGA传输至终端显示或处理；工作时输入信号进入时间测量电路，输入信号包括开始信号和终止信号，并且输入信号可以是LVTTL信号，也可以是差动LVPECL信号，时间测量电路根据已设定工作模式将结果存入自带FIFO；然后FPGA从时间测量电路将数据读出，再将数据从USB接口输出至终端。时间－数字转换器的工作模式和工作状态是由终端设定后通过USB将命令传送给FPGA，然后由FPGA设定和控制的。本发明的时间测量电路、FPGA模块、USB接口和终端均采用现有技术，其中时间测量电路采用TDC-GPX芯片，FPGA模块采用常用的电路，如altera的cyclone系列和xilinx的spartan系列；本发明采用的是单芯片方案，使用具有多种工作模式的集成电路芯片，通过FPGA控制其工作来实现高精度的时间－数字转换。总之，本发明的有益效果是：1.通过USB直接对系统进行供电，免去了外接电源部分；2.测量精度高，最小分辨率可以达到10ps；3.其工作模式可以直接通过终端发送命令进行控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：包括依次电连接的时间测量电路、FPGA模块、USB接口和终端；所述终端通过USB接口为时间测量电路和FPGA模块供电；所述时间测量电路用于根据输入信号来测量时间，所述FPGA 模块将时间测量模块所测量的时间数据通过USB接口传输给终端，终端将接收到的时间数据显示出来。
作为优选方案，所述FPGA 模块通过USB接口接收终端发来的控制命令，FPGA 模块根据控制命令设置时间测量电路的工作模式。时间测量电路自带有第一FIFO，FPGA模块自带有第二FIFO；时间测量电路将测量得到的时间数据存入自带的第一FIFO；FPGA将从时间测量电路读出的时间数据存入第二FIFO，并且通过USB接口将第二FIFO内的时间数据输出至终端，还包括与时间测量电路电连接的高速时钟，高速时钟用于为内部时间测量电路提供参考时钟。输入信号包括开始信号和终止信号；所述时间测量电路用于测量开始信号边沿变化到终止信号边沿变化之间的时间。
本发明的工作过程是：
a.时间－数字转换器通过USB连接至终端，其工作电源从USB接口获取，FPGA上电后对USB电路初始化，进入等待命令状态；
b.终端设定时间－数字转换器工作模式，通过USB将命令传输给FPGA；
c.FPGA设定时间测量芯片工作模式；
d.输入信号进入时间测量芯片输入管脚，这里输入信号可以是LVTTL信号，也可以是差动LVPECL信号；
e. 时间测量芯片处理结果保存在自带FIFO里，自带FIFO优点是短期内可以提高峰值采样处理能力；
f.FPGA控制时间测量芯片将数据读出，存入自带FIFO；
g.FPGA控制USB电路将FIFO里的数据送至终端；
h.结束接收时也是终端通过USB将命令传输给FPGA，通过FPGA对各个电路进行控制。
Claims (6)
1.一种基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：包括依次电连接的时间测量电路、FPGA模块、USB接口和终端；所述终端通过USB接口为时间测量电路和FPGA模块供电；所述时间测量电路用于根据输入信号来测量时间，所述FPGA 模块将时间测量模块所测量的时间数据通过USB接口传输给终端，终端将接收到的时间数据显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：所述FPGA 模块通过USB接口接收终端发来的控制命令，FPGA 模块根据控制命令设置时间测量电路的工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：时间测量电路自带有第一FIFO，FPGA模块自带有第二FIFO；时间测量电路将测量得到的时间数据存入自带的第一FIFO；FPGA将从时间测量电路读出的时间数据存入第二FIFO，并且通过USB接口将第二FIFO内的时间数据输出至终端。
4.根据权利要求3所述的基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：还包括与时间测量电路电连接的用于为时间测量电路提供参考时钟的高速时钟。
5.根据权利要求4所述的基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：输入信号包括开始信号和终止信号。
6.根据权利要求5所述的基于USB的高精度时间数字转换器，其特征在于：所述时间测量电路用于测量开始信号边沿变化到终止信号边沿变化之间的时间。
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