CN110764396B - 一种时间数字转换器和时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电路设计领域，并具体公开了一种时间数字转换器及时间测量方法。所述时间数字转换器包括温校系统以及时间输出系统，温校系统包括测温定序模块、温校启动模块、边沿校正模块、重排序模块以及查找表。所述方法包括：使用当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，判断当前温度下的温度变化趋势，并决定是否触发边沿校正模块，若触发，则对初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，并将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值，并在测量信号输入时根据各个延时单元的时钟状态获取测量信号的时间结果。本发明能够显著提高时间数字转换器的温度稳定性。

Description

一种时间数字转换器和时间测量方法

技术领域

本发明属于电路设计领域，更具体地，涉及一种时间数字转换器和时间测量方法。

背景技术

面向高精度时间测量的时间数字转换器(TDC)，广泛应用于高端医疗器械、高能物理实验、航空航天、自动驾驶等领域。在卫星导航应用方面，时间测量精度达纳秒量级就完全满足导航与控制的需求。然而，在很多高精度物理实验、涉及国家安全领域和精密工业的应用中，时间测量作为关键的鉴别和探测手段之一，亚纳秒量级的时间测量已经十分普遍，在高端医疗器械领域甚至已经到皮秒量级。时间测量精度的高低对设备精度有着举足轻重的影响。

众所周知，延迟链的精度与稳定性是决定TDC时间分辨率的决定性因素。不幸的是延迟链各个延时单元的延时时间并不恒定，极其容易受到FPGA核心电压及温度的影响。在现代FPGA中核心电压很容易稳定在±12mv，即便有电压波动也可通过开关稳压器串联线性稳压器的方式将电源输出的噪声控制在很低的水平。然而，环境温度在某些应用领域却难以达到理想水平，譬如便携式医疗设备、无人驾驶用激光雷达以及高海拔空气簇射观测系统等。

因此，本领域亟待提出一种时间数字转换器和时间测量方法，实现对TDC的温度校正，实现TDC在5℃～80℃的宽温度范围内均维持高精度测量性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种时间数字转换器和时间测量方法，其中结合时间数字转换器自身的特征及其信号测量过程中信号随温度影响的特点，相应设计一种时间数字转换器，并对其关键组件如温校系统和时间输出系统的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决TDC精度受温度影响而严重下降的问题，实现TDC在5℃～80℃的宽温度范围内均维持高精度测量性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种时间数字转换器包括：温校系统以及时间输出系统，其中，所述温校系统包括测温定序模块、温校启动模块、边沿校正模块、重排序模块以及查找表；

所述测温定序模块用于根据测温定序信号，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态；

所述温校启动模块与所述测温定序模块连接，用于根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发所述边沿校正模块；

所述边沿校正模块一端与温校启动模块连接，另一端与查找表连接，其用于在温校启动模块发出触发信号后，对存储于所述查找表中的每个延时单元以及测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值；所述测温定序模块根据该新的解码参考边沿值，更新各测温延时单元的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值；

所述重排序模块用于在所述边沿校正模块温度校正完毕后，接收所述边沿校正模块发送的排序命令，然后将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表；

时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元及测温延时单元的时钟状态以及查找表中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。

作为进一步优选的，所述温校系统还包括定序时钟信号发生器，其用于将时间数字转换器的时钟信号分频成与系统时钟无关联的测温定序信号。

作为进一步优选的，所述温校系统还包括定时器，其用于定期的向所述定序时钟信号发生器发送测温指令，以控制所述测温定序模块的测温频率。

作为进一步优选的，所述温校系统还包括多个测温寄存器，多个测温寄存器分别设置在相应测温延时单元后，当测温定序信号到来时，锁存其相应的测温延时单元的时钟状态；

优选的，所述温校系统仅包括两个测温延时单元和两个测温寄存器。

作为进一步优选的，所述温校启动模块包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块，否则，不触发所述边沿校正模块。

作为进一步优选的，即所述测温定序模块包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块得到各测温延时单元新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元初始状态下的解码参考边沿值。

作为进一步优选的，所述边沿校正模块还用于读取查找表中的初始状态下的解码参考边沿值，然后将新的解码参考边沿值写回查找表，其中，每个延时单元以及测温延时单元均对应两个解码参考边沿值。

作为进一步优选的，所述重排序模块在所述边沿校正模块温度校正完毕后，接收所述边沿校正模块发送的排序命令,读取查找表中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值

按照本发明的另一个方面，还提供一种时间测量方法，包括以下步骤：

S1测温定序模块接收到测温定序信号后，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态；

S2温校启动模块根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发边沿校正模块，若触发所述边沿校正模块，则进入步骤S3，否则，进入步骤S5；

S3所述边沿校正模块接收到所述温校启动模块发出触发信号后，对存储于查找表中的每个延时单元以及测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值，并写入查找表，所述测温定序模块根据该新的解码参考边沿值，更新储存于所述测温定序模块中的各测温延时单元的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值；

S4重排序模块读取写入查找表的新的解码参考边沿值，并将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表；

S5时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元以及测温延时单元的时钟状态以及查找表中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。

作为进一步优选的，步骤S1中，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元在当前温度下的解码参考边沿值具体包括以下步骤：定序时钟信号发生器产生的测温定序信号同步地送入各个测温寄存器，各个测温寄存器锁存多个与其相对应的测温延时单元的时钟状态；所述测温定序模块计算各个测温寄存器锁存的多个时钟状态与基准时钟信号的相对相位关系的占空比变化，获取多个测温延时单元在当前温度下的解码参考边沿值；其中，该基准时钟信号的占空比为百分之五十，即其上升沿位于时钟周期的起始位置；

优选的，步骤S2中，所述温校启动模块包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块，否则，不触发所述边沿校正模块；

优选的，步骤S3中，所述测温定序模块包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块得到新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值；

优选的，步骤S4中，所述重排序模块读取查找表中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明可对TDC的温度进行校正，从而实现了在5℃～80℃的宽温度范围内均维持高精度测量性能，满足了绝大多数领域对TDC温度稳定性的需求。其使用当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，判断当前温度下的温度变化趋势，并决定是否触发边沿校正模块，若触发，则对初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，并将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值，并在测量信号输入时根据各个延时单元的时钟状态获取测量信号的时间结果,相应的可有效解决TDC精度受温度影响而严重下降的问题。本发明无需温度传感器，采用TDC延迟链本身的边沿值变化量来衡量TDC温度变化，为温度校正提供最真实的校正依据。

2.本发明通过引入经验参数温校阈值，可以防止TDC温度在小范围内波动时温度校正的误触发，从而防止校正累积误差的引入，减少时间测量的死区时间。

3.本发明温校效果好，能够在5℃～80℃的宽温度范围内均维持高精度(双通道14.14ps，单通道10ps以下)测量性能，满足了绝大多数领域对TDC温度稳定性的需求。

4.本发明采用的温度校正方案，无需水冷、风冷等外加设备来控制TDC的环境温度，有效地降低了设备成本

附图说明

图1是本发明实施例涉及的一种时间数字转换器的示意图；

图2是图1中涉及的温校系统的示意图；

图3是图2中涉及的当前温度下某测温延时单元的解码参考边沿值相对于该测温延时单元的初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量示意图；

图4是一个实施例中温度校正后，重排序前首末测温延时单元的边沿分布；

图5是另一个实施例中温度校正后，重排序前首末测温延时单元的边沿分布；

图6是本发明一个实施例中，有无温度校正的两种情况，双通道TDC精度(RMS)随着温度变化而变化的比对图；

图7是图6的对比试验中，带温度校正的TDC测量结果的高斯分布图；

图8是本发明一种时间测量方法的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

11-测温定序模块，12-温校启动模块，13-边沿校正模块，14-重排序模块，15-查找表，16-延迟链，111-定序时钟信号发生器，112-测温寄存器，113-1-延时单元,113-2-测温延时单元，114-定时器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为解决TDC精度受温度影响而严重下降的问题，本发明提出一种时间数字转换器，可对TDC的温度进行校正，从而实现了在5℃～80℃的宽温度范围内均维持高精度测量性能，满足了绝大多数领域对TDC温度稳定性的需求。其基于延迟链16的线性温度特性，利用延迟链16中首末延时单元，即测温延时单元的边沿值变化量之差来实时地衡量延迟链16温度变化，当温度变化超过温校阈值时启动温度校正，对初始化定序生成的查找表内解码参考边沿值进行逐个校正的方法。具体而言，本发明在时间测量过程中有两个状态，初始化定序状态和时间测量状态。在初始化定序时：初始化定序模块利用统计法和与系统时钟无关的定序信号，标定出延迟链各个延时单元的时钟边沿相对于基准时钟边沿的分布情况，并根据边沿值的大小对定序结果进行排序，将延时单元序号连同其上升和下降沿的边沿值一同存入查找表，在时间测量状态下供解码模块调用。定序完成后自动切换进入时间测量状态：待测信号输入后去锁存与延迟链匹配的寄存器，得到形如“10，11…01，10”的序列，在解码模块中利用二分法和初始化定序产生的查找表对该序列进行解码，得到具体的细时间测量结果。粗时间测量模块则是基于一个与系统时钟同频的计数器来进行测量的。当解码模块求得细时间值后，连同该计数器所测得的粗时间值一同输出到上位机进行后续处理。

如图1、图2以及图3所示，本发明一种时间数字转换器主要包括温校系统以及时间输出系统，其中，所述温校系统包括测温定序模块11、温校启动模块12、边沿校正模块13、重排序模块14以及查找表15。

所述测温定序模块11用于根据测温定序信号，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态；所述温校启动模块12与所述测温定序模块11连接，用于根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发所述边沿校正模块13；所述边沿校正模块13一端与温校启动模块12连接，另一端与查找表15连接，其用于在温校启动模块12发出触发信号后，对存储于所述查找表15中的每个延时单元113-1以及测温延时单元113-2的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值；所述测温定序模块11根据该新的解码参考边沿值，更新各测温延时单元113-2的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元113-2的初始状态下的解码参考边沿值；所述重排序模块14用于在所述边沿校正模块13温度校正完毕后，接收所述边沿校正模块13发送的排序命令，然后将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表15；时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元113-1及测温延时单元113-2的时钟状态以及查找表15中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。进一步的，所述温校系统还包括定序时钟信号发生器111，其用于将时间数字转换器的时钟信号分频成与系统时钟无关联的测温定序信号。

进一步的，所述温校系统还包括定序时钟信号发生器111，其用于将时间数字转换器的时钟信号分频成与系统时钟无关联的测温定序信号。更具体的，测温定序模块11还用于在每次温度校正完毕后，对当前温度下的解码参考边沿值进行更新，即对初始状态下的解码参考边沿值进行更新，防止同一温度状态下重复触发温度校正过程。若温度上升则用初始状态下的解码参考边沿值加上温校阈值的和作为新的解码参考边沿值，若温度下降则用初始状态下的解码参考边沿值减去温校阈值的差作为新的解码参考边沿值。

进一步的，所述温校系统还包括定时器114，其用于定期的向所述定序时钟信号发生器111发送测温指令，以控制所述测温定序模块11的测温频率。

进一步的，所述温校系统还包括多个测温寄存器112，多个测温寄存器112分别设置在相应测温延时单元113-2后，当测温定序信号到来时，锁存其相应的测温延时单元113-2的时钟状态；优选的，所述温校系统仅包括两个测温延时单元113-2和两个测温寄存器112，两个测温寄存器112分别锁存其相应的测温延时单元113-2的时钟状态。相应的，该时间数字转换器延迟链中还包括多个延时单元113-1。

进一步的，所述温校启动模块12包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块13，否则，不触发所述边沿校正模块13。

进一步的，所述测温定序模块11包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块13得到各测温延时单元113-2新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元113-2初始状态下的解码参考边沿值。

进一步的，所述边沿校正模块13还用于读取查找表15中的初始状态下的解码参考边沿值，然后将新的解码参考边沿值写回查找表15，其中，每个延时单元113-1以及测温延时单元113-2均对应两个解码参考边沿值。

进一步的，所述重排序模块14用于读取查找表15中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表15，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值。

如图8所示，本发明还提供了一种时间测量方法，包括以下步骤：

S1：测温定序模块11接收到测温定序信号后，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态。

具体而言，测温寄存器112的个数和位置可根据需求设定，一般情况下，设置两个测温寄存器112即可，同时，其中一个测温寄存器112设置于延迟链首段部分的一个测温延时单元113-2后，另外一个测温寄存器112设置于延迟链尾段部分的一个测温延时单元113-2后，以此方式，便可根据需要锁存构成延迟链的两个测温延时单元113-2的时钟状态，然后将当前温度下的解码参考边沿值与初始状态下的解码参考边沿值进行比较，得到边沿值变化量，即可获取各延时单元113-1以及测温延时单元113-2边边沿值变化量的线性关系。

其中，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值具体包括以下步骤：定序时钟信号发生器111产生的测温定序信号同步地送入各个测温寄存器112，各个测温寄存器112锁存多个与其相对应的测温延时单元113-2的时钟状态；所述测温定序模块11计算各个测温寄存器112锁存的多个时钟状态与基准时钟信号的相对相位关系的占空比变化，获取多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值。

在此步骤中，所述温校系统还包括定序时钟信号发生器111，其用于将时间数字转换器的时钟信号分频成与系统时钟无关联的测温定序信号。进一步的，所述温校系统还包括定时器114，其用于定期的向所述定序时钟信号发生器111发送测温指令，以控制所述定序时钟信号发生器111发送测温定序信号的频率，从而控制所述测温定序模块11的测温频率。进一步的，所述温校系统还包括多个测温寄存器112，多个测温寄存器112分别设置在相应测温延时单元113-2后，当测温定序信号到来时，锁存其相应的测温延时单元113-2的时钟状态。

获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值具体包括以下步骤：定序时钟信号发生器111产生的测温定序信号同步地送入各个测温寄存器112，各个测温寄存器112锁存多个与其相对应的测温延时单元113-2的时钟状态；所述测温定序模块11计算各个测温寄存器112锁存的多个时钟状态与基准时钟信号的相对相位关系的占空比变化，获取多个测温延时单元113-2在当前温度下的解码参考边沿值；其中，该基准时钟信号的占空比为百分之五十，即其上升沿位于时钟周期的起始位置。

S2：温校启动模块12根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发边沿校正模块13，若触发所述边沿校正模块13，则进入步骤S3，否则，进入步骤S5；。

具体而言，所述温校启动模块12包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块13，否则，不触发所述边沿校正模块13。

更具体的，温校启动模块12还有温校触发判断功能，用于判断是否触发温度校正。其中，温度趋势判断模块还包括两个趋势计数器，当测温定序模块输出的边沿值变化量为正时，升温计数器加一，反之则降温计数器加一，将两计数器的计数值分别做差与求和，在两者之和小于设定值之前，两者之差大于该设定值的一半则认为温度变化趋势明确，显然，较大的一方表示了温度变化趋势。更具体的，温校触发判断模块直至温度趋势判断模块输出明确的温度变化趋势时才进行边沿值变化量的比较，若当前边沿值变化量的绝对值大于温校阈值则触发温度校正，边沿校正模块13和重排序模块14依次运行，并将温度变化趋势输出至边沿校正模块13，反之则不触发。

S3：所述边沿校正模块13接收到所述温校启动模块12发出触发信号后，对存储于查找表15中的每个延时单元113-1以及测温延时单元113-2的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值，并写入查找表15，所述测温定序模块11根据该新的解码参考边沿值，更新储存于所述测温定序模块11中的各测温延时单元113-2的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元113-2的初始状态下的解码参考边沿值。

其中，所述测温定序模块11包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块13得到新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元113-2的初始状态下的解码参考边沿值。

所述边沿校正模块13求得新的解码参考边沿值后，还需要对新的解码参考边沿值范围的正确性进行判断，若新的解码参考边沿值位于零到时钟周期的范围内，则不作处理直接存入查找表；若新的解码参考边沿值大于时钟周期，则将新的解码参考边沿值减去时钟周期作为最终边沿值存入查找表；若边沿值小于零，则将新的解码参考边沿值加上时钟周期作为最终边沿值存入查找表。

S4：重排序模块14读取写入查找表15的新的解码参考边沿值，并将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表15。

具体而言，所述重排序模块14读取查找表15中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表15，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值。

更具体的，所述重排序模块还用于从查找表内读取两个边沿值，比较相邻两个边沿值的大小，将较大值保留；每次两两比较都会产生一个较大值，相邻两次的新旧较大值比较后保留更大的一个，将其保留作为本轮比较中最大边沿值的备选；在每轮比较过程中，备选的最大边沿值是在不断更新的；当查找表内的边沿值全部经过比较后，将此时备选的边沿最大值(即本轮比较中的边沿最大值)放在本轮比较中最后一次读出数据的存储位置。作为优选的方案，所述重排序模块为了防止数据丢失，把原本位于最后一次读出数据的存储位置的数据存入本轮比较中最大边沿值所在的位置。以此类推，若有m个边沿值，则需要m-1轮比较。

S5：时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元113-1以及测温延时单元113-2的时钟状态以及查找表15中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。

图6展示了本发明的一个实施例中，在TDC温度从10℃升温至70℃的变化情况。延迟链最后一个测温延时单元的解码参考边沿值从363ps变化到574ps，温度升高导致了211ps边沿值增量，占总时钟周期2500ps的8.44％。可见，由于温度而导致的延时变化相对于时钟周期而言是很小的。

示例性地，边沿校正模块13还用于从查找表15中读出和写回各个边沿值大小信息及产生该边沿值的延时单元序号信息。

示例性地，边沿校正模块13还用于计算校正初始状态下的解码参考边沿值，将温校阈值除以两测温延时单元序号之差的绝对值再乘以延时单元序号则得到该延时单元对应上升沿和下降沿的温校参数，若温校启动模块12输出的温度变化趋势为上升则用当前边沿值加上温校参数作为新的解码参考边沿值，反之则用当前边沿值减去温校参数作为新的解码参考边沿值。

示例性地，边沿校正模块13求得新的解码参考边沿值后还需要对新的解码参考边沿值的范围的正确性进行判断，若新的解码参考边沿值位于零到时钟周期的范围内，则不作处理直接存入查找表15；若新的解码参考边沿值大于时钟周期，则将新的解码参考边沿值减去时钟周期作为最终边沿值存入查找表15；若边沿值小于零，则将新的解码参考边沿值加上时钟周期作为最终边沿值存入查找表15。

当延迟链16长度较长时，对输入的时钟信号会有较大的延时效应，导致跨时钟周期现象发生。因此延迟链16中存在多个相位相近的延时单元，如图4和图5所示。其中，分别展示了初始化定序后及温度升高后各延时单元的边沿值位置分布情况。初始状态下C_N的上升沿值略小于C₂，因此存入查找表之前的排序过程中，C_N上升沿必定会排在C₂上升沿之前。当TDC温度上升后，由于延迟效应的累积，延迟链16末端延时单元的边沿值增量必定大于前端延时单元的边沿值增量。因此执行完边沿校正后，C_N上升沿值已经大于C₂上升沿值。如此一来，打乱了原有查找表15内从小到大的边沿值存储顺序。温度下降的情况类似，不再赘述。因此，需要引入重排序模块，更正边沿校正后的查找表排序。

示例性地，边沿校正模块13按照此法逐一读取、校正并存放查找表15中所有初始状态下的解码参考边沿值之后，触发重排序模块14。

示例性地，重排序模块14还用于从查找表15中读出和写回新的解码参考边沿值大小信息及产生该新的解码参考边沿值的延时单元的序号信息。

示例性地，重排序模块14还用于从查找表15内读取两个相邻的新的解码参考边沿值，比较其的大小，将较大的新的解码参考边沿值保留；每次两两比较都会产生一个较大的新的解码参考边沿值，相邻两次的新旧较大值比较后保留更大的一个，将其保留作为本轮比较中最大边沿值的备选；在每轮比较过程中，备选的最大边沿值是在不断更新的；当查找表15内的新的解码参考边沿值全部经过比较后，将此时备选的边沿最大值(即本轮比较中的边沿最大值)放在本轮比较中最后一次读出数据的存储位置。

示例性地，重排序模块14为了防止数据丢失，把原本位于最后一次读出数据的存储位置的数据存入本轮比较中最大边沿值所在的位置。至此，本轮比较结束。

总结来说，每轮比较完成后确定出一个最大值，连同其边沿序号信息被一同放在查找表15的末尾，而本身位于查找表15末尾位置的值连同其边沿值序号信息被存入该轮比较中边沿值最大值原本的位置。为了更清楚地说明这一过程，抽取本实施例的查找表15前10个边沿值的相关信息，并将比较过程列于表1。

表1

执行完第一轮比较后，10号位存储的延时单元序号346及其边沿值92仍存放在10号位不发生替换。接下来进行前9号位的排序，即第二轮排序。此时LUT(查找表)的情况如表2所示。

表2

注意到在进行本轮排序的过程中，第五次读取数据时，偶数位置(10号位)数据缺失。此时，读取该奇数位置(9号位)的上一个偶数位置(8号位)的边沿值信息参与比较。那么执行完第二轮比较后，4号位存储的延时单元序号259及其边沿值53与存放在9号位的延时单元序号291及其边沿值36替换。接下来进行前8号位的排序，即第三轮排序。此时查找表15的情况如表3所示。

表3

以此类推，后面的排序过程不再赘述。若有m个边沿值，则需要m-1轮比较。重排序完毕后，TDC重新进入时间测量状态，校正过程完毕。与此同时，温度测量也在进行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时间数字转换器，其特征在于，包括：温校系统以及时间输出系统，其中，所述温校系统包括测温定序模块(11)、温校启动模块(12)、边沿校正模块(13)、重排序模块(14)以及查找表(15)；

所述测温定序模块(11)用于根据测温定序信号，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元(113-2)在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态；

所述温校启动模块(12)与所述测温定序模块(11)连接，用于根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发所述边沿校正模块(13)；

所述边沿校正模块(13)一端与温校启动模块(12)连接，另一端与查找表(15)连接，其用于在温校启动模块(12)发出触发信号后，对存储于所述查找表(15)中的每个延时单元(113-1)以及测温延时单元(113-2)的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值；所述测温定序模块(11)根据该新的解码参考边沿值，更新各测温延时单元(113-2)的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元(113-2)的初始状态下的解码参考边沿值；

所述重排序模块(14)用于在所述边沿校正模块(13)温度校正完毕后，接收所述边沿校正模块(13)发送的排序命令，然后将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表(15)；

时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元(113-1)及测温延时单元(113-2)的时钟状态以及查找表(15)中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。

2.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述温校系统还包括定序时钟信号发生器(111)，其用于将时间数字转换器的时钟信号分频成与系统时钟无关联的测温定序信号。

3.根据权利要求2所述的时间数字转换器，其特征在于，所述温校系统还包括定时器(114)，其用于定期的向所述定序时钟信号发生器(111)发送测温指令，以控制所述测温定序模块(11)的测温频率。

4.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述温校系统还包括多个测温寄存器(112)，多个测温寄存器(112)分别设置在相应测温延时单元(113-2)后，当测温定序信号到来时，锁存其相应的测温延时单元(113-2)的时钟状态；

所述温校系统仅包括两个测温延时单元(113-2)和两个测温寄存器(112)。

5.根据权利要求2所述的时间数字转换器，其特征在于，所述温校启动模块(12)包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块(13)，否则，不触发所述边沿校正模块(13)。

6.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述测温定序模块(11)包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块(13)得到各测温延时单元(113-2)新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元(113-2)初始状态下的解码参考边沿值。

7.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述边沿校正模块(13)还用于读取查找表(15)中的初始状态下的解码参考边沿值，然后将新的解码参考边沿值写回查找表(15)，其中，每个延时单元(113-1)以及测温延时单元(113-2)均对应两个解码参考边沿值。

8.根据权利要求1所述的时间数字转换器，其特征在于，所述重排序模块(14)在所述边沿校正模块(13)温度校正完毕后，接收所述边沿校正模块(13)发送的排序命令,读取查找表(15)中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表(15)，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值。

9.一种时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1测温定序模块(11)接收到测温定序信号后，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元(113-2)在当前温度下的解码参考边沿值，并得到当前温度下的解码参考边沿值相对于初始状态下的解码参考边沿值的边沿值变化量，此以衡量时间数字转换器当前的温度状态；

S2温校启动模块(12)根据所述边沿值变化量来判断当前温度下时间数字转换器的温度变化趋势，并决定是否触发边沿校正模块(13)，若触发所述边沿校正模块(13)，则进入步骤S3，否则，进入步骤S5；

S3所述边沿校正模块(13)接收到所述温校启动模块(12)发出触发信号后，对存储于查找表(15)中的每个延时单元(113-1)以及测温延时单元(113-2)的初始状态下的解码参考边沿值进行温度校正，得到新的解码参考边沿值，并写入查找表(15)，所述测温定序模块(11)根据该新的解码参考边沿值，更新储存于所述测温定序模块(11)中的各测温延时单元(113-2)的解码参考边沿值，并将其作为各测温延时单元(113-2)的初始状态下的解码参考边沿值；

S4重排序模块(14)读取写入查找表(15)的新的解码参考边沿值，并将新的解码参考边沿值按照其大小进行排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表(15)；

S5时间输出系统用于在测量信号输入时，根据各个延时单元(113-1)以及测温延时单元(113-2)的时钟状态以及查找表(15)中写入的排序后的新的解码参考边沿值获取测量信号的时间结果。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S1中，获取构成时间数字转换器延迟链的多个测温延时单元(113-2)在当前温度下的解码参考边沿值具体包括以下步骤：

定序时钟信号发生器(111)产生的测温定序信号同步地送入各个测温寄存器(112)，各个测温寄存器(112)锁存多个与其相对应的测温延时单元(113-2)的时钟状态；所述测温定序模块(11)计算各个测温寄存器(112)锁存的多个时钟状态与基准时钟信号的相对相位关系的占空比变化，获取多个测温延时单元(113-2)在当前温度下的解码参考边沿值；其中，该基准时钟信号的占空比为百分之五十，即其上升沿位于时钟周期的起始位置；

步骤S2中，所述温校启动模块(12)包括温度趋势判断单元以及温校触发单元；所述温度趋势判断单元用于判断温度变化趋势，更近一步的，所述温度趋势判断单元还包括升温计数器以及降温计数器，当边沿值变化量为正时，升温计数器计数加1，当边沿值变化量为负时，降温计数器加1，将升温计数器所得的总数与降温计数器所得的总数分别做差和求和，当两者求和后得到的数值小于预设值，且两者做差后得到的数值大于该预设值的一半时，则认为温度趋势变化明显，所述温校触发单元启动，将边沿值变化量与温校阈值进行比较，若边沿值变化量大于温校阈值，触发所述边沿校正模块(13)，否则，不触发所述边沿校正模块(13)；

步骤S3中，所述测温定序模块(11)包括基准边沿值存储器，其用于在所述边沿校正模块(13)得到新的解码参考边沿值后，用该新的解码参考边沿值，代替存储在其中的各测温延时单元(113-2)的初始状态下的解码参考边沿值；

步骤S4中，所述重排序模块(14)读取查找表(15)中的新的解码参考边沿值，然后根据其大小，将新的解码参考边沿值进行重新升序排序，并将排序后的新的解码参考边沿值写入查找表(15)，作为该温度下的初始状态下的解码参考边沿值。

Images