CN114265300A - 一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于开关电容阵列芯片时间修正方法，包括：步骤1，将与待测波形形状一致的标定波形作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到标定波形的过阈时间点；步骤2，持续输入预定数量的标定波形，利用码密度法统计过阈点的码值得出统计结果，根据统计结果计算出开关电容阵列芯片的采样间隔；步骤3，利用得到的采样间隔修正时间测量结果。这种方法具有计算结果不受芯片非线性相位延时影响、精度高且简单的优点；该方法可应用于基于开关电容阵列芯片的高精度时间测量领域，包括核与粒子物理实验中的飞行时间探测系统和医疗成像领域的PET仪器等。

Description

一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法

技术领域

本发明涉及高精度时间测量领域，尤其涉及一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法。

背景技术

高精度时间测量广泛应用于各个领域，例如：核与粒子物理实验中的时间飞行探测器系统和医疗成像领域的正电子发射断层扫描成像(Positron Emission Tomography，PET)系统等。传统的基于定时甄别技术配合时间数字变换器(Time to DigitalConverter，TDC)的方法中，定时电路和TDC电路均会影响最终的时间测量精度。近些年由于采样电路采样率的提升，先通过波形数字化技术采样到完整波形，再用数字甄别等数字信号处理方法获得时间信息，能实现比定时甄别配合TDC更高的时间测量精度。传统的波形数字化方法是基于高速模拟数字变化器(Analogue-to-Digital convertor，ADC)，但有高功耗高成本等问题。近年来，基于开关电容阵列(Switched Capacitor Array，SCA)专用集成电路(Application Specific integrated Circuit，ASIC)的波形数字化技术由于低功耗、低成本和利于多通道集成等优势受到越来越多的关注和研究。

在主流的高速SCA ASIC中，通常使用反相器延时链来产生采样时钟，相邻采样单元之间的采样间隔由相应反相器的延时决定的。实际芯片中各级反相器的延时受到工艺偏差等影响并不相同，导致各采样间隔之间存在不一致性，这种不一致性严重影响时间测量的精度。一些文献针对该问题提出了时间修正方案，其中修正效果最好的方法是基于超定线性方程组的时间修正法。基于超定线性方程组的时间修正法利用输入正弦波的“过零”时间进行超定线性方程组的构建，并求解出采样间隔。

以上的方法虽能明显提升时间测量精度，但这些方法的基本前提是各个采样间隔为固定值，在实际应用由于信号的延时与采样单元有关，且信号的相位延时具有非线性，等效的采样间隔会发生变化，因此目前这类方法对时间测量精度的提升有限，尤其在带宽较低的芯片中，各采样单元相位延时的非线性对时间测量精度影响很大。传统方法(如基于超定线性方程组的时间修正法)修正后，测量两脉冲的时间间隔结果如图1所示，能看出波形的过阈点在不同采样单元时测得的时间间隔有所波动，主要原因是SCA芯片的非线性相移，使得等效采样间隔在不同的输入波形下变化。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，能得到开关电容阵列芯片内各采样单元之间的采样间隔，对时间测量结果进行修正，进而解决非线性相位延时的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种用于开关电容阵列芯片时间修正方法，包括：

步骤1，采用与待测波形形状一致的标定波形作为待修正的开关电容阵列芯片的输入信号，将不少于预定数量的标定波形输入所述开关电容阵列芯片，计算所述开关电容阵列芯片采样到每个标定波形的过阈时间点，并将得到的各过阈时间点进行编码；

步骤2，利用码密度法对所述步骤1得到的全部标定波形过阈时间点的编码进行统计，根据统计结果计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔；

步骤3，利用所述步骤2得到的采样间隔修正所述开关电容阵列芯片的时间测量结果。

与现有技术相比，本发明所提供的用于开关电容阵列芯片时间修正方法，其有益效果包括：

由于以与待测波形形状一致的标定波形作为待修正开关电容阵列芯片的输入信号，直接对标定波形前沿过阈时间点进行统计，根据统计结果修正时间间隔，与现有基于超定线性方程组的时间修正法相比，由于不利用正弦波，不受非线性相移的影响，修正结果更加精确，且该方法便于在硬件上实现。

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地介绍，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为现有基于超定线性方程组的时间修正法修正后测量500000次两时间间隔为0ns脉冲波形，测量得到的时间间隔在其中一个通道的过阈时间点上的分布；

图2为本发明实施例提供的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的步骤1示意图：

图4为本发明实施例提供的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的步骤2示意图：

图5为本发明实施例提供的时间测量的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的10000次时间测量结果的分布图；其中，(a)为未做时间修正的时间测量结果；(b)为经过基于超定线性方程组的时间修正的时间测量结果；(c)为经过本发明的时间修正的时间测量结果；

图7为本发明实施例提供的时间修正法修正后测量500000次两时间间隔为0ns脉冲波形，测量得到的时间间隔在其中一个通道的过阈时间点上的分布。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；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，这并不构成对本发明的限制。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。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

下面对本发明所提供的用于开关电容阵列芯片时间修正方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图2所示，本发明实施例提供一种用于开关电容阵列芯片时间修正方法，包括：

步骤1，采用与待测波形形状一致的标定波形作为待修正的开关电容阵列芯片的输入信号，将不少于预定数量的标定波形输入所述开关电容阵列芯片，计算所述开关电容阵列芯片采样到每个标定波形的过阈时间点，并将得到的各过阈时间点进行编码；

步骤2，利用码密度法对所述步骤1得到的全部标定波形过阈时间点的编码进行统计，根据统计结果计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔；

步骤3，利用所述步骤2得到的采样间隔修正所述开关电容阵列芯片的时间测量结果。

上述方法的步骤1中，预定数量的标定波形通过以下公式确定，包括：

其中，N_t为所需标定波形的预定数量；N为所述待修正开关电容阵列芯片的采样单元的数量；置信概率为1-α，α在该方法中的取值为0.01～0.1；Z_α/2的取值根据α的取值通过查询标准正态分布表得到，在α取值为0.01时确定Z_α/2取值为2.58，在α取值为0.1时确定Z_α/2取值为1.65；β为置信区间，β在该方法中的取值为0.1～0.01。

上述确定预定数量的标定波形中，如采样单元数量N为128，要在99％(即1-0.01)的置信概率下，通过该修正方法得到的采样间隔与真实的采样间隔相差10％(即β取值为0.1)以内，需要N_t≥85,201.92。满足上述方式确定的标定波形的预定数量，能确保具有足够的采样编码数，进而能准确确定采样间隔，得出更精确的时间修正结果。

上述方法的步骤1中，与待测波形形状一致的标定波形是由任意波形发生器产生与待测波形形状一致的波形。

上述方法的步骤1中，计算所述开关电容阵列芯片采样到每个标定波形的过阈时间点，并将得到的各过阈时间点进行编码包括：

利用所述开关电容阵列芯片对输入的标定波形进行采样，将采样得到的标定波形进行幅度修正，并通过线性拟合结合前沿定时甄别的方法计算出过阈时间点；

按过阈时间点所处采样单元的序号对所述过阈时间点进行编码。例如：过阈时间点在采样单元i和i+1之间，则过阈时间点的编码为i。

上述方法的步骤1中，所述标定波形的输入时刻与所述开关电容阵列芯片的采样时刻非相关。

上述方法的步骤2中，利用码密度法对所述步骤1得到的全部标定波形过阈时间点的编码进行统计，根据统计结果计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔包括：

统计全部标定波形过阈时间点的编码的数量作为统计结果；

根据所述统计结果通过以下公式计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔，所述公式为：

其中，

为所述开关电容阵列芯片的采样单元i与采样单元i+1之间的采样间隔；N_i为编码为i的过阈时间点的数量；N为过阈时间点的总采样数量；T为所述开关电容阵列芯片输入的采样时钟的周期。

上述方法的步骤3的利用步骤2得到的采样间隔修正所述开关电容阵列芯片的时间测量结果中，是利用得到采样间隔修正开关电容阵列芯片采样的波形后计算得到时间测量结果。

综上可见，本发明实施例的时间修正方法，利用与待测波形形状一致的标定波形的前沿过阈点，通过码密度法进行采样间隔的修正，从理论上解决芯片非线性相位延时影响的问题。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法进行详细描述。

实施例

本发明实施例提供一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，包括如下过程：向SCA芯片输入与待测波形形状一致的标定波形作为输入信号，输入信号的输入时刻与采样时刻非相关，对采样得到的波形进行对应的幅度修正，利用线性拟合结合前沿定时甄别得到过阈时间点值，再通过码密度法，采样单元间的采样间隔除以采样周期等于过阈时间点落在两个采样单元间的波形个数除以总采样波形数。该方案的创新点是利用与待测波形形状一致的标定波形，波形输入时刻与采样时刻非相关，通过计算前沿过阈时间点并利用码密度法求解，来获得开关电容阵列芯片实际的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。这种方法具有计算结果不受芯片非线性相位延时影响、精度高且简单的优点；该方法可应用于基于开关电容阵列芯片的高精度时间测量领域，包括核与粒子物理实验中的飞行时间探测系统和医疗成像领域的PET仪器等。

本发明实施例上述用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的流程如图2所示，主要包括如下步骤：

步骤1、用与待测波形形状一致的标定波形作为输入信号，将预定数量的标定波形输入至待修正的开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到各标定波形的过阈时间点，并对各过阈时间点进行编码；

本发明实施例中，利用任意波形发生器产生与待测波形形状一致的脉冲波形作为输入信号，即标定波形，任意波形发生器产生不少于预定数量的周期性的标定波形输入至待修正开关电容阵列芯片；利用开关电容阵列芯片对输入信号进行采样，将采样得到的脉冲波形进行幅度修正，并通过线性拟合结合前沿定时甄别的方法得到过阈时间点，再对得到的过阈时间点进行编码。

示例性的，可以使用核探测与核电子学国家重点实验室自主设计的一款最高采样率为5Gsps的SCA波形数字化芯片，其单通道有128个采样单元，使用的信号源是安捷伦脉冲函数任意波形发生器Keysight 81160A。用任意波形发生器产生信号前沿1ns的脉冲波形作为输入信号，用SCA芯片对输入信号进行采样，将采样得到的波形进行必要的幅度修正，主要修正采样单元固有的直流偏差。在采样得到的波形中，必然会存在位于波形过阈点两侧的采样点，如图3中的采样点A和B，分别对应采样单元i和i+1，为表达简便将过阈时间点编码为i(如果过阈时间点在最后一个采样单元128和第一个采样单元1之间则编码为128)；

优选的，上述修正用的输入信号的输入时刻与采样时刻非相关，这样标定波形的过阈时间点应该是随机分布在各个采样单元之间，能使修正结果更精确。

步骤2、利用码密度法统计步骤1得出的全部过阈时间点的编码，通过统计结果计算出开关电容阵列芯片的采样间隔；

具体的，采样单元i和采样单元i+1之间的采样间隔t_i由下式估计得出：

上式中，N_i是编码为i的过阈时间点数量；N是过阈时间点的总采样数量；T是开关电容阵列芯片输入的采样时钟的周期。

为了便于理解，下面结合附图4所示的示例对上述过程进行介绍。图4中有采样单元i、i+1和i+2，若采样间隔是不均匀的，假设采样单元i和i+1之间的时间间隔大于采样单元i+1和i+2之间的时间间隔，则过阈时间点落在采样单元i和i+1间的数量会大于落在采样单元i+1和i+2之间的数量，且落在采样单元i和i+1之间的数量与落在采样单元i+1和i+2的数量的比值等于采样单元i和i+1之间的采样间隔与采样单元i+1和i+2的采样间隔的比值。由于采样单元间的采样间隔的总和为采样时钟的周期，因此可计算出各采样单元间的采样间隔。

步骤3、利用上述步骤2得到的采样间隔修正开关电容阵列芯片的时间测量结果。

本实施例中使用SCA波形数字化芯片进行时间修正方法如下。

利用安捷伦脉冲函数任意波形发生器Keysight 81160A产生两通道的脉冲信号，信号上升沿1ns脉宽1.5ns下降沿1ns幅度1V，通道2相对通道1延迟5ns。两通道的信号分别输入到芯片的两个通道进行采样。先对采样后的信号进行幅度刻度，再利用步骤2中计算得到的采样间隔对各个采样点的时间进行修正。然后分别对两个修正后的波形前沿进行线性拟合，设定500mV的电压阈值，并计算两个波形的电压阈值点对应的时间值，两个过阈时间点间隔即为信号之间的相对延迟时间。其原理示意图如图5所示，重复该过程10000次，统计的结果均值为4.99ns，均方根值为8.21ps。测量的统计结果如图6所示，经过采样间隔修正，时间测量精度由77.78ps提升到了8.21ps。同时，与已提出的算法进行比较，基于超定线性方程组的时间修正法在传统算法中提升效果最好，精度达到了10.46ps，可知上述的时间修正方法比传统方法具有很大的精度提升。输入两个时间间隔为0ns的脉冲波形，波形的过阈点在不同采样单元时测量两脉冲的时间间隔结果如图7所示，能看出测量结果的波动明显减少，该方法对于非线性相移修正的效果显著。

综上可见，本发明实施例的时间修正方法，与现有基于超定线性方程组的时间修正法相比，不利用正弦波，直接对与待测波形形状一致的标定波形前沿过阈时间点进行统计，根据统计结果确定采样间隔，进而利用采样间隔修正时间间隔。相对于基于超定线性方程组的时间修正法相比，不受非线性相移的影响，修正结果更加精确，且该方法便于在硬件上实现。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。也可以通过使用可编程逻辑器件等在硬件上执行本发明各个实施例所述的方法。

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。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于开关电容阵列芯片时间修正方法，其特征在于，包括：

步骤1，采用与待测波形形状一致的标定波形作为待修正开关电容阵列芯片的输入信号，将不少于预定数量的标定波形输入所述开关电容阵列芯片，计算所述开关电容阵列芯片采样到每个标定波形的过阈时间点，并将得到的各过阈时间点进行编码；

步骤2，利用码密度法对所述步骤1得到的全部标定波形过阈时间点的编码进行统计，根据统计结果计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔；

步骤3，利用所述步骤2得到的采样间隔修正所述开关电容阵列芯片的时间测量结果。

2.根据权利要求1所述的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，所述步骤1中，预定数量的标定波形通过以下公式确定，包括：

其中，N_t为所需标定波形的预定数量；N为所述待修正开关电容阵列芯片的采样单元的数量；置信概率为1-α，α取值为0.01～0.1；在α取值为0.01～0.1时，Z_α/2的取值范围为1.65～2.58；β为置信区间，β取值为0.1～0.01。

3.根据权利要求1所述的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，所述步骤1中，与待测波形形状一致的标定波形是由任意波形发生器产生与待测波形形状一致的波形。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，所述步骤1中，计算所述开关电容阵列芯片采样到每个标定波形的过阈时间点，并将得到的各过阈时间点进行编码包括：

利用所述开关电容阵列芯片对输入的标定波形进行采样，将采样得到的标定波形进行幅度修正，并通过线性拟合结合前沿定时甄别的方法计算出过阈时间点；

按过阈时间点所处采样单元的序号对所述过阈时间点进行编码。

5.根据权利要求1所述的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，所述步骤1中，所述标定波形的输入时刻与所述开关电容阵列芯片的采样时刻非相关。

6.根据权利要求1至3任一项所述的用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，所述步骤2中，利用码密度法对所述步骤1得到的全部标定波形过阈时间点的编码进行统计，根据统计结果计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔包括：

统计全部标定波形过阈时间点的编码的数量作为统计结果；

根据所述统计结果通过以下公式计算出所述开关电容阵列芯片的采样间隔，所述公式为：

其中，

为所述开关电容阵列芯片的采样单元i与采样单元i+1之间的采样间隔；N_i为编码为i的过阈时间点的数量；N为过阈时间点的总采样数量；T为所述开关电容阵列芯片输入的采样时钟的周期。

Images