CN109212950B - 一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，相关方案中，在时间数字转换器内部设置标定信号产生电路，产生用于标定延时链中各单元延时值的信号，并根据标定信号测量结果自动生成修正参数，实现时间数字转换器的实时修正功能；该方案可使得基于延时链结构的时间数字转换器实现快速、实时修正，对于温度变化较快、事例率较低的场合具有广阔的应用前景。

Description

一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路

技术领域

本发明涉及时间数字化测量技术领域，尤其涉及一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路。

背景技术

目前基于延时链结构的时间数字转换器(TDC:Time-to-Digital Converter)可实现高精度的时间测量，但是由于布局、温度、生产工艺等因素的影响，延时链中各单元延时值并不一致，即延时值存在非线性(表现为微分非线性和积分非线性)，这些非线性会使得TDC测量精度变差。为了减小非线性对测量精度的影响，需要对测量结果进行修正操作。

目前常用的修正方法有两种：一种是进行离线的标定测试生成修正参数，再用于在线(或数据后处理过程中)的修正；另一种是利用外部输入信号生成(或更新)修正参数表，并进行在线修正。离线修正操作过程复杂，实时性差；基于外部输入信号的在线修正虽然具有较好的实时性，但不适用于温度变化快、事例率低的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，可使基于延时链结构的TDC实现快速、实时修正的功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，包括：时间测量电路、时间修正电路、标定信号产生电路和修正参数生成电路；其中：

所述时间测量电路，用于对输入信号到来时刻至随后第一个主时钟上升沿到来时刻之间的时间间隔进行测量，输出时间测量结果，以及输出标定操作后产生的标定信号测量结果；

所述标定信号产生电路，用于在修正参数生成电路的控制下产生标定信号对时间测量电路中的延时链进行标定操作；

所述修正参数生成电路，用于控制标定信号产生电路的启动与停止，以及根据标定信号测量结果生成时间修正参数；

所述时间修正电路，用于根据时间修正参数对时间测量结果进行修正。

由本发明提供的技术方案可以看出，在时间数字转换器内部设计标定信号产生电路，产生用于标定延时链中各单元延时值的信号，并根据对标定信号的测量结果自动生成修正参数，实现时间数字转换器的实时修正功能；该方案可使得基于延时链结构的时间数字转换器实现快速、实时修正的功能，对于温度变化较快、事例率较低的场合具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的时间测量原理示意图；

图3为本发明实施例提供的振荡电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的利用多位计数器实现分频的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的利用双端口RAM实现累加统计的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的停止产生标定信号示意图；

图7为本发明实施例提供的利用双端口RAM实现时间测量结果修正的原理示意图；

图8为本发明实施例提供的计算和配置修正参数原理示意图。

具体实施方式

下面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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

鉴于目前基于延时链的TDC的数据修正过程存在操作复杂、受温度及事例率限制的问题，本发明实施例提供一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，可快速在线生成修正参数，以完成对TDC原始数据的修正操作，保证高精度的实现。如图1所示，其主要包括：时间测量电路、时间修正电路、标定信号产生电路和修正参数生成电路；其中：

所述时间测量电路，用于对输入信号到来时刻至随后第一个主时钟上升沿到来时刻之间的时间间隔进行测量，输出时间测量结果，以及输出标定操作后产生的标定信号测量结果；

所述标定信号产生电路，用于在修正参数生成电路的控制下产生标定信号对时间测量电路中的延时链进行标定操作；

所述修正参数生成电路，用于控制标定信号产生电路的启动与停止，以及根据标定信号测量结果生成时间修正参数；

所述时间修正电路，用于根据时间修正参数对时间测量结果进行修正。

其主要工作流程为：当自修正过程开始后，系统会阻止外来输入(hit)信号进入时间测量电路，同时启动标定信号产生电路。由标定信号产生电路产生的每一个标定信号经过时间测量电路会得到一个测量结果，随后修正参数生成电路会对每种结果出现的次数进行累加，当统计总量达到一定水平后，该电路会发出停止产生标定信号的命令，然后对统计结果进行计算处理，随后计算得到修正参数。最后将得到的修正参数配置到时间修正电路中，用于自动修正。

为了便于理解，下面结合附图对上述各个电路做进一步的介绍。

1、时间测量电路。

如图2所示，所述时间测量电路主要包括：延时链、触发器组以及编码单元。

当外来的hit信号进入时间数字转换器后，会直接进入延时链，第一个主时钟上升沿到来时触发器组对延时链中每个延时单元的输出进行锁存，随后编码单元对锁存结果进行编码并输出时间测量结果，该时间测量结果表示了在时间上hit信号与其后第一个主时钟上升沿之间相差的延时单元个数。

对标定信号获得对应测量结果的过程，与上述获得时间测量结果的过程类似；区别在于，在正常进行时间测量过程中，系统只允许外来的hit信号进行时间测量，禁止标定信号进行测量；而在自修正过程中，系统只允许对标定信号进行时间测量，禁止对外来的hit信号进行测量。

2、标定信号产生电路。

所述标定信号产生电路用于在TDC内部产生与主时钟不相关的标定信号，其主要包括：振荡电路与分频电路；所述振荡电路产生一个原始方波信号，分频电路用来将该原始方波信号进行分频，得到一个降低到一定频率的方波信号，用于对延时链中各延时单元的延时值进行标定操作。

如图3所示，所述振荡电路由一个反相逻辑模块构成，反相逻辑模块的输出反馈至输入端，则输出信号为一个周期性的振荡信号，由于这个振荡电路与主时钟并无直接关系，所以得到的振荡信号与主时钟不相关，该信号可作为标定信号用来对延时链进行标定操作。

由于振荡电路产生的信号频率一般比较高，需要将该方波频率降低至一定水平后再送至TDC作标定操作。如图4所示，所述分频电路由一个多位计数器实现，原始方波信号送至多位计数器的时钟输入端后，将最高位输出作为分频后的信号，即可实现分频功能。

由于振荡电路产生的信号的频率经过分频电路可调节至接近于能够引起TDC响应的最高频率，即该信号的周期可调节至接近于TDC的死时间，因此使用该信号可快速产生大量的统计数据，故而可以快速得到修正参数，实现对TDC的修正操作。

3、修正参数生成电路。

在自修正过程中，修正参数生成电路用来实现启动和停止标定过程、计算和配置修正参数的功能。当系统发出标定使能信号后，修正参数生成电路会启动标定信号产生电路以及自身的统计功能，同时禁止外来hit信号进入系统。

为了得到延时链中每个单元的准确延时值，需要统计标定过程中各种测量值出现的次数，因此需要使用与延时单元个数相同的计数单元来完成该统计。统计时，使用一个双端口RAM存储各种标定测量结果出现的次数，如图5所示，双端口RAM的深度等于延时链中延时单元的个数，宽度取决于标定操作过程设定的统计总量；对于每次接收到的标定信号测量结果，首先从双端口RAM中对应单元读出现有的统计个数，然后对现有的统计个数进行加1操作后再写入对应单元，从而实现在标定过程中对各种测量结果出现次数的统计功能。

如图6所示，当接收到足够统计量的标定信号测量结果时，会停止接收新的标定信号测量结果，同时发出一个控制信号给标定信号产生电路，使之停止产生标定信号。

随后，修正参数生成电路对统计结果进行处理，得到延时链中各延时单元的延时值，生成修正参数，并配置到时间修正电路中。

4、时间修正电路。

所述时间修正电路由一个双端口RAM实现，由于每个延时单元的真实延时值与理论值有偏差，因此直接的时间测量结果(即延时单元个数与单元延时的理论值相乘)并非准确的时间。为了解决这个问题，一个简单的修正方法就是利用查找表，直接根据测量结果查表得到对应的准确延时值。因此，在双端口RAM内部存储了一份用于修正时间测量结果的查找表，如图7所示，时间测量结果作为地址提供给双端口RAM后，配合查找表将对应位置存储的时间修正结果读取出来，完成对时间测量结果的修正。

为了得到修正RAM中需要存储的数据，需要对延时链进行标定操作，即对延时链中每个单元的延时进行测定，标定的方法为码密度测试法。如之前介绍的，向TDC注入大量脉冲信号(在本发明中，即前述的标定信号)，当测量数据达到一定统计量后，对所有标定信号测量结果进行处理得到每个延时单元的准确延时。该过程要求注入的信号与主时钟不相关，即在时间上二者呈随机关系。

如图8所示，修正参数生成电路配置时间修正参数时，首先要对得到的统计结果中前i个单元的数据进行求和，然后计算该求和结果占统计总量的比例，该比例表示了对应前i个单元总延时值与系统主时钟周期的比值，因此将该比例与系统主时钟周期相乘，将得到的数据配置到修正RAM的对应位置即第i个单元中。图8中左侧所示的“用于结果统计的RAM”是指修正参数生成电路中的双端口RAM，右侧所示的“用于数据修正的RAM”是指时间修正电路的双端口RAM。

由上述方案可以看出，其可用于对基于延时链的TDC进行快速、实时标定操作，在温度变化较快、事例率较低的场合中具有重要的应用价值，并且该方案提出的逻辑电路可以很容易地与TDC核心电路集成到同一个芯片中，例如既可集成到ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)也可集成到FPGA(Field-ProgrammableGate Array)中，因此该方案具有很强的实用性。目前我们已经利用该方案在FPGA内部完成对TDC的在线修正操作，在设定约65.5k统计总量的前提下，完成一次修正参数生成的时间约为几百毫秒，利用该修正参数进行数据修正的效果与离线修正效果完全一致。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，其特征在于，包括：时间测量电路、时间修正电路、标定信号产生电路和修正参数生成电路；其中：

所述时间测量电路，用于对输入信号到来时刻至随后第一个主时钟上升沿到来时刻之间的时间间隔进行测量，输出时间测量结果，以及输出标定操作后产生的标定信号测量结果；

所述标定信号产生电路，用于在修正参数生成电路的控制下产生与主时钟不相关的标定信号对时间测量电路中的延时链进行标定操作；其包括：振荡电路与分频电路；所述振荡电路产生一个原始方波信号；分频电路用于将该原始方波信号进行分频，得到一个降低到一定频率的方波信号，用于对延时链中各延时单元的延时值进行标定操作；

所述修正参数生成电路，用于控制标定信号产生电路的启动与停止，以及根据标定信号测量结果生成时间修正参数；

所述时间修正电路，用于根据时间修正参数对时间测量结果进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，其特征在于，所述振荡电路由一个反相逻辑模块构成，反相逻辑模块的输出反馈至输入端，输出信号为一个振荡信号。

3.根据权利要求1所述的一种高精度时间数字转换器的实时自修正电路，其特征在于，所述修正参数生成电路，用于控制标定信号产生电路的启动与停止，当系统发出标定使能信号后，修正参数生成电路，会启动标定信号产生电路以及自身的统计功能，同时禁止外来hit信号进入系统；

统计时，使用一个双端口RAM存储标定信号各种测量结果出现的次数，双端口RAM的深度等于延时链中延时单元的个数，宽度取决于标定操作过程设定的统计总量；对于每次接收到的标定信号测量结果，首先从双端口RAM中对应单元读出现有的统计个数，然后对现有的统计个数进行加1操作后再写入对应单元，从而实现在标定过程中对各种标定信号测量结果出现次数的统计功能；

当接收到足够数量的标定信号测量结果时，会停止接收新的时间测量结果，同时发出一个停止产生标定信号的使能给标定信号产生电路；

随后，修正参数生成电路对统计结果进行处理，得到延时链中各延时单元的延时值并配置到时间修正电路中。