CN106055500B - 一种基于tdc-gpx的时间数字转换装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TDC‑GPX的时间数字转换装置及其工作方法。该装置包括依次连接的TDC‑GPX芯片、CYUSB3014芯片和实现人机交互的电脑；CYUSB3014芯片通过GPIFII端口与TDC‑GPX芯片通信。本发明所述基于TDC‑GPX的时间数字转换装置，采用GPIFII端口完成USB3.0与TDC‑GPX芯片之间的通信，简单易行，实现了高速数据传送，同时省去了PFGA做交互介质；简化电路设计，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于TDC-GPX的时间数字转换装置及其工作方法，属于数字信号转换的技术领域。
背景技术
时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)是将脉冲信号的时间间隔转换成以时间表示的数字信号的仪器。时间数字转换器广泛应用于时间相关单光子计数、荧光寿命成像、高能物理、荧光相关光谱、量子信息、精密时间测量、激光雷达、相关测量等领域。
在实际系统应用中，时间数字转换器通常有两种实现方法：采用大规模可编程门阵列(FPGA)配合专用TDC芯片，或完全采用FPGA编程实现。例如，中国专利CN104363021A公开了一种基于FPGA精细延迟单元的TDC方法，该方法是大规模可编程门阵列(FPGA)配合专用TDC芯片的时间数字转换方法。中国专利CN 103472712A公开了一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法。该装置是基于FPGA的高集成度的精密时间数字转换器。
采用FPGA编程方法获取的时间转换结果受环境影响(外界噪声、温度、电压波动)大，多应用于对精度要求低的应用场景。而采用专用TDC芯片目前通常需要FPGA作为数据接受终端(如上位机PC)与TDC芯片的通信桥梁，设计复杂、开发周期长，成本高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于TDC-GPX的时间数字转换装置。
本发明还提供一种上述时间数字转换装置的工作方法。
术语说明：
DAC：数字模拟转换器(英语：Digital to analog converter，英文缩写：DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号(以电流、电压或电荷的形式)的设备。在很多数字系统中(例如计算机)，信号以数字方式存储和传输，而数字模拟转换器可以将这样的信号转换为模拟信号，从而使得它们能够被外界(人或其他非数字系统)识别。
本发明的技术方案为：
一种基于TDC-GPX的时间数字转换装置，包括依次连接的TDC-GPX芯片、CYUSB3014芯片和实现人机交互的电脑；CYUSB3014芯片通过GPIFII端口与TDC-GPX芯片通信。
优选的，TDC-GPX芯片还连接有高速比较器,CYUSB3014芯片通过比较电平调整电路与高速比较器连接。高速比较器用于去除输入信号中的噪声，并使输入信号达到TDC-GPX芯片的电平要求。
进一步优选的，所述比较电平调整电路为设置有IIC接口的12位DAC芯片。比较电平调整电路可采用滑动变阻器或者DAC，滑动变阻器虽然廉价，但调整精度差，且其机械结构决定其噪声偏大。本发明采用带有IIC接口的12位DAC，IIC接口可方便与CYUSB3014芯片通信，进而通过电脑可方便的调整比较电平。同时DAC精度高、漂移小、调整精确，十分适合TDC这种高精度系统。
优选的，TDC-GPX芯片连接有线性稳压器。稳压器用于调整测量核心电压。TDC-GPX芯片的测量精度与其制造工艺、温度以及测量核心的电压的相关。本发明通过调整测量核心电压达到改变TDC-GPX芯片测量精度的目的。
优选的，CYUSB3014芯片的GPIFII端口配置有32位数据总线，其中28位与TDC-GPX芯片的数据总线连接，剩余4位与TDC-GPX芯片的地址总线连接；CYUSB3014芯片的IO端口通过总线控制器与TDC-GPX芯片的地址总线连接。GPIFII端口在总线复用的情况下，无法同时完成输出地址和读取数据。然而，根据TDC-GPX芯片的要求，在读取数字及时间信号的同时又要明确该时间间隔所在的地址。本发明通过采用总线控制器解决了上述冲突。
输入信号通过高速比较器比较后只输出高于比较电平的信号，完成电平转换。高速比较器输出的信号送至TDC-GPX芯片，通过TDC-GPX芯片内部逻辑电路将信号时间差转换为数字信号，CYUSB3014芯片通过通用可编程接口II(GPIFII端口)直接与TDC-GPX芯片通信，将TDC-GPX芯片转化完成的数字信号通过USB 3.0端口传送至电脑。同时CYUSB3014芯片作为数据发送方将TDC-GPX芯片的寄存器配置信息通过GPIFII端口传送至TDC-GPX芯片，将比较电平调整信息通过IIC接口传送至DAC芯片，由DAC芯片完成比较电平调整。
一种上述时间数字转换装置的工作方法，包括步骤如下：
1)CYUSB3014芯片将TDC-GPX芯片的寄存器配置信息通过GPIFII端口传送至TDC-GPX芯片；
2)TDC-GPX芯片将输入信号的信号时间差转换为数字信号；
3)数字信号通过CYUSB3014芯片的USB 3.0端口传送至电脑。
TDC-GPX芯片有多种工作方式，可通过修改TDC-GPX芯片的寄存器配置信息来改变其工作方式。CYUSB3014芯片通过GPIFII接口与TDC-GPX芯片进行通信；GPIFII端口是CYUSB3014芯片的通用可编程接口。
优选的，所述时间数字转换装置的工作方法还包括输入信号预处理的步骤：输入信号通过高速比较器与比较电平进行比较，输出高于比较电平的有效信号，完成电平转换，并将有效信号传送至TDC-GPX芯片；
进一步优选的，所述时间数字转换装置的工作方法还包括比较电平调整的步骤：CYUSB3014芯片将比较电平调整信息通过IIC接口传送至DAC芯片，由DAC芯片完成比较电平调整。
优选的，所述时间数字转换装置的工作方法还包括通过线性稳压器调整测量核心电压的步骤。
优选的，TDC-GPX芯片接收配置信息的具体方法为，将28位数据和4位地址作为一包完整的32位数据同时发送到TDC-GPX芯片。
优选的，CYUSB3014芯片接收数据的具体方法为，通过IO端口配置地址信息，通过总线控制器给地址总线加以有效的地址信息，GPIFII端口连接的32条数据总线配置为输入状态，同时接收TDC-GPX的数据和地址信息。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述基于TDC-GPX的时间数字转换装置，采用GPIFII端口完成USB3.0与TDC-GPX芯片之间的通信，简单易行，实现了高速数据传送，同时省去了PFGA做交互介质；简化电路设计，降低成本；
2.本发明所述基于TDC-GPX的时间数字转换装置，通过提高TDC-GPX芯片的核心电压可减少每个延迟链的时延，调整BIN的大小，从而提高TDC-GPX的精度；
3.本发明所述基于TDC-GPX的时间数字转换装置，使用USB 3.0作为通信接口，极大的提高了数据传输速度，提高了数据采集的可性，保证数据完整性；
4.本发明所述电脑承担着所有芯片发送和数据接收工作，操作简单，借助电脑软件即可完成数据的处理，并灵活的配置TDC-GPX芯片，以达到精度和通道数目的平衡；
5.本发明所述基于TDC-GPX的时间数字转换装置，通过总线控制器来实现地址总线和数据总线的复用，克服GPIFII总线竞争问题。
附图说明
图1为本发明所述基于TDC-GPX的时间数字转换装置的结构框图；
图2为本发明所述高速比较器的电路原理图；
图3为CYUSB3014芯片通过GPIFII端口与TDC-GPX芯片的通信电路图；
图4为本发明所述性稳压器LM1117调整测量核心电压的电路图；
图5为本发明所述比较电平调整电路的电路图；
图6为测量核心电压与延迟链的延迟时间的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1、图3所示。
一种基于TDC-GPX的时间数字转换装置，包括依次连接的TDC-GPX芯片、CYUSB3014芯片和实现人机交互的电脑；CYUSB3014芯片通过GPIFII端口与TDC-GPX芯片通信。
实施例2
如实施例1所述的基于TDC-GPX的时间数字转换装置，其区别在于，TDC-GPX芯片还连接有高速比较器,CYUSB3014芯片通过比较电平调整电路(如图5所示，其中2、3端口与CYUSB3014芯片连接)与高速比较器连接。高速比较器用于去除输入信号中的噪声，并使输入信号达到TDC-GPX芯片的电平要求。
实施例3
如图2所示。
如实施例2所述的基于TDC-GPX的时间数字转换装置，其区别在于，所述比较电平调整电路为设置有IIC接口的12位DAC芯片；在图2中，VTH端口与IIC接口连接，VIN端口为输入端口，Q端口和端口为两个输出端口与TDC-GPX连接。比较电平调整电路可采用滑动变阻器或者DAC，滑动变阻器虽然廉价，但调整精度差，且其机械结构决定其噪声偏大。本发明采用带有IIC接口的12位DAC，IIC接口可方便与CYUSB3014芯片通信，进而通过电脑可方便的调整比较电平。同时DAC精度高、漂移小、调整精确，十分适合TDC这种高精度系统。
实施例4
如图4所示。
如实施例1所述的基于TDC-GPX的时间数字转换装置，其区别在于，TDC-GPX芯片连接有线性稳压器LM1117；在图4中Vdd1端口与TDC-GPX芯片连接；Vdd1端口输出的是调整后的测量核心电压。稳压器用于调整测量核心电压。TDC-GPX芯片的测量精度与其制造工艺、温度以及测量核心的电压的相关。本发明通过调整测量核心电压达到改变TDC-GPX芯片测量精度的目的。
实施例5
如实施例1所述的基于TDC-GPX的时间数字转换装置，其区别在于，CYUSB3014芯片的GPIFII端口配置有32位数据总线，其中28位与TDC-GPX芯片的数据总线连接，剩余4位与TDC-GPX芯片的地址总线连接；CYUSB3014芯片的IO端口通过总线控制器与TDC-GPX芯片的地址总线连接。GPIFII端口在总线复用的情况下，无法同时完成输出地址和读取数据。然而，根据TDC-GPX芯片的要求，在读取数字及时间信号的同时又要明确该时间间隔所在的地址。本发明通过采用总线控制器解决了上述冲突。
实施例6
一种实施例1-5所述时间数字转换装置的工作方法，包括步骤如下：
1)CYUSB3014芯片将TDC-GPX芯片的寄存器配置信息通过GPIFII端口传送至TDC-GPX芯片；
2)TDC-GPX芯片将输入信号的信号时间差转换为数字信号；
3)数字信号通过CYUSB3014芯片的USB 3.0端口传送至电脑。
TDC-GPX芯片有多种工作方式，可通过修改TDC-GPX芯片的寄存器配置信息来改变其工作方式。CYUSB3014芯片通过GPIFII接口与TDC-GPX芯片进行通信；GPIFII端口是CYUSB3014芯片的通用可编程接口。
实施例7
如实施例6所述时间数字转换装置的工作方法，其区别在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括输入信号预处理的步骤：输入信号通过高速比较器与比较电平进行比较，只输出高于比较电平的有效信号，完成电平转换，并将有效信号传送至TDC-GPX芯片。
实施例8
如实施例7所述时间数字转换装置的工作方法，其区别在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括比较电平调整的步骤：CYUSB3014芯片将比较电平调整信息通过IIC接口传送至DAC芯片，由DAC芯片完成比较电平调整。
实施例9
如实施例6所述时间数字转换装置的工作方法，其区别在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括通过线性稳压器调整测量核心电压进而调整TDC-GPX芯片测量精度的步骤。通过调整测量核心电压会改变δt(延迟链的延迟时间)的大小进而调整TDC-GPX芯片的测量精度。测量核心电压Vddc与延迟链的延迟时间δt的关系图如图6所示。
实施例10
如实施例6所述时间数字转换装置的工作方法，其区别在于，TDC-GPX芯片接收配置信息的具体方法为，将28位数据和4位地址作为一包完整的32位数据同时发送到TDC-GPX芯片。CYUSB3014芯片接收数据的具体方法为，通过IO端口配置地址信息，通过总线控制器给地址总线加以有效的地址信息，GPIFII端口连接的32条数据总线配置为输入状态，同时接收TDC-GPX的数据和地址信息。
Claims (6)
1.一种基于TDC-GPX的时间数字转换装置，其特征在于，包括依次连接的TDC-GPX芯片、CYUSB3014芯片和实现人机交互的电脑；CYUSB3014芯片通过GPIFII端口与TDC-GPX芯片通信；TDC-GPX芯片还连接有高速比较器,CYUSB3014芯片通过比较电平调整电路与高速比较器连接；所述比较电平调整电路为设置有IIC接口的12位DAC芯片；TDC-GPX芯片连接有线性稳压器；CYUSB3014芯片的GPIFII端口配置有32位数据总线，其中28位与TDC-GPX芯片的数据总线连接，剩余4位与TDC-GPX芯片的地址总线连接；CYUSB3014芯片的IO端口通过总线控制器与TDC-GPX芯片的地址总线连接。
2.如权利要求1所述时间数字转换装置的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)CYUSB3014芯片将TDC-GPX芯片的寄存器配置信息通过GPIFII端口传送至TDC-GPX芯片；
2)TDC-GPX芯片将输入信号的信号时间差转换为数字信号；
3)数字信号通过CYUSB3014芯片的USB 3.0端口传送至电脑。
3.如权利要求1所述时间数字转换装置的工作方法，其特征在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括输入信号预处理的步骤：输入信号通过高速比较器与比较电平进行比较，只输出高于比较电平的有效信号，完成电平转换，并将有效信号传送至TDC-GPX芯片。
4.如权利要求2所述时间数字转换装置的工作方法，其特征在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括比较电平调整的步骤：CYUSB3014芯片将比较电平调整信息通过IIC接口传送至DAC芯片，由DAC芯片完成比较电平调整。
5.如权利要求1所述时间数字转换装置的工作方法，其特征在于，所述时间数字转换装置的工作方法还包括通过线性稳压器调整测量核心电压的步骤。
6.如权利要求1所述时间数字转换装置的工作方法，其特征在于，TDC-GPX芯片接收配置信息的具体方法为，将28位数据和4位地址作为一包完整的32位数据同时发送到 TDC-GPX芯片；CYUSB3014芯片接收数据的具体方法为，通过IO端口配置地址信息，通过总线控制器给地址总线加以有效的地址信息，GPIFII端口连接的32条数据总线配置为输入状态，同时接收TDC-GPX的数据和地址信息。
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