CN204989787U

CN204989787U - 一种基于改进式tac的高精度时间间隔测量仪

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Publication number: CN204989787U
Application number: CN201520742600.5U
Authority: CN
Inventors: 杨鸿武; 张策; 陆晓燕; 郝东亮; 甘振业; 赵高超; 杨静波
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2025-09-23

Abstract

本实用新型公开了一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括探测器start信号输入端、探测器cstop信号输入端、改进式TAC模块、数据采集及传输模块、数据采集控制及存储模块、FPGA、网线接口和网线、TAC控制模块和resetdisch信号输入端；所述探测器start信号输入端和探测器cstop信号输入端接入所述改进式TAC模块前端，所述改进式TAC模块与所述数据采集及传输模块相连接，所述数据采集及传输模块与数据采集控制及存储模块相连接。本实用新型的优点在于：保证了各路门单元在FPGA设计中时序上的稳定性，兼容性好，实现了高精度的时间间隔测量。

Description

一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪

技术领域

本实用新型涉及高精度时间间隔测量技术领域，特别是一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪。

背景技术

时间间隔测量技术在很多领域有着广泛的应用。如在科学仪器、粒子物理研究、深空通讯、激光测距和天文观测等领域的发展都离不开高精度的时间间隔测量技术。在平时生活中，时间的使用常常精确到分钟或秒就足够了，即便在天文卫星测量方面，满足测量需求的时间间隔测量也只精确到纳秒。但是在很多工业生产、国防和粒子加速器物理实验中，时间间隔测量作为一种重要的鉴别和探测手段，对精度要求会比较高，已经达到皮秒量级。因此，提高时间间隔测量的精度成为了很多应用方向的重要目标。

以往的高精度的时间间隔测量技术主要实现方法可以分为以下几类：基于计数方法、标尺方法、脉冲交叠方法和电流积分方法，这些实现高精度时间测量的方法由于没有很好的稳定性，并且精度和集成度过低、功耗大，已经难以满足目前市场的需求。随着集成电路方面的发展，出现了比较好的实现高精度时间测量的技术，可以统称为时间-数字转换技术，即TDC技术，该技术将带有短时时间间隔信息的模拟信号转换成数字信号，实现对高精度短时间信息的测量。美国、日本、欧州等国家均对时间测量技术作了大量研究，他们利用在集成电路领域的高速发展带来的优势，推动精确的时间测量技术的发展，使得精确测量时间间隔的技术越发成熟，并且用集成电路IC实现了时间数字转换技术。目前国外已经有比较成熟的TDC芯片，德国ACMA公司的TDC-GP1能够达到双通道250ps，单通道125ps的分辨率；TDC-GP2单通道典型分辨率可达五十皮秒。法国Dassauh公司的时间测量器的精度也已经达到了几十皮秒。但我国对时间间隔测量技术的研究仍然处于探索和起步阶段。

目前，国内对时间测量分辨率小于1ns的时间间隔测量的研究比较少，仅有少数几所大学从事高精度时间间隔测量的研究工作，并且高分辨率和大测量范围难以同时兼得，大部分的测量精度在百皮秒(ps)量级。国内关于时间间隔测量的研究大都是基于FPGA进行的，而且没有得到成功应用的商业TDC。虽然，使用FPGA可以减小研发周期，使得设计更加的灵活和可靠。但是，在FPGA设计中，通过EDA软件仿真和综合设计实现所有基本电路，时间线延时的不确定性使得FPGA无法保证各路门单元相互之间的延时离散性，更主要的是由于时序上的不确定性使得系统与其它电路不能很好的兼容，因此很难得到高的分辨率，得不到广泛的应用。为了克服FPGA设计的上述缺点，本论文使用基于模拟元件搭建改进的时间-幅度转换电路，结合高精度ADC采集卡，提高了时间间隔测量的分辨率，减小了转换时间。

实用新型内容

为了解决述背景技术中提出的在FPGA设计中时序上的不稳定导致系统无法保证各路门单元相互之间的延时离散性和系统与其他电路不能很好的兼容等问题，本实用新型提供了一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪。

为了实现上述目的，本实用新型所设计的一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括探测器start信号输入端、探测器cstop信号输入端、改进式TAC模块、数据采集及传输模块、数据采集控制及存储模块、FPGA、网线接口和网线、TAC控制模块和resetdisch信号输入端；

所述FPGA集成所述数据采集控制及存储模块和TAC控制模块，所述FPGA与所述网线接口和网线相连接，所述网线接口和网线与PC相连接；

所述探测器start信号输入端和探测器cstop信号输入端接入所述改进式TAC模块前端，所述改进式TAC模块与所述数据采集及传输模块相连接，所述数据采集及传输模块与数据采集控制及存储模块相连接；

所述TAC控制模块与所述resetdisch信号输入端相连接，所述resetdisch信号输入端与所述改进式TAC模块相连接。

更进一步的，一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括恒流源、积分电路、积分控制电路、放大电路、采样保持电路和采样控制电路；所述恒流源接入所述积分电路，所述积分电路与所述积分控制电路和放大电路相连接，所述放大电路接入采样保持电路，所述采样保持电路与所述采样控制电路相连接；所述恒流源为电压可控恒流源。

本实用新型得到的一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括改进式TAC模块、数据采集及传输模块、TAC控制模块、数据采集控制及存储模块，其中：

改进式TAC模块：TAC即是把所测量的时间间隔的长短转换为电压幅度的大小。TAC模块接收的是前端探测器的NIM信号，然后经过NIM-TTL信号转换处理得到的TTL信号。TAC实现的基本原理是利用恒定的电流源对电容进行充电，完成电容对电流的积分，积分的时间长度也就是所测量的时间间隔的长短。通过这种方法，可以将无法精确测量的时间量转化为能够更加精确测量的电压量。本专利改进式TAC设计采用集成运放设计了TAC中的电流可控的恒流源，比其他恒流源具有更好的灵活性。通过拨码开关改变决定恒流输出电流大小的采样电阻的值，就可以改变系统的测量范围。同时，改进式TAC对积分控制信号加入了宽带直流放大部分，提高时间间隔测量的精确度。

数据采集及传输模块：改进式TAC模块输出电压信号要经过数据采集及传输模块进行数字采集和转换处理。数据采集及传输模块作为本系统的ADC部分，集成为ADC板卡。ADC将电压值转换成16位数字量传输给FPGA进行处理，FPGA将处理后的数据通过网线接口和网线用以太网的传输方式发送PC机。

TAC控制模块：本系统中改进式TAC模块部分硬件设计具有很好的兼容性，但为了使改进式TAC模块和后端ADC部分相连，完成系统功能，就需要在FPGA内部进行软件设计，完成对改进式TAC的控制。其中，FPGA检测改进式TAC电路中的停止信号，当停止信号来临后，直接输出给改进式TAC提供停止脉冲。但此时的电容两端电压仍未变化。数据采集部分将TAC电路中的电容两端的电压转换成的16位数据采集并且存储完毕后，延迟100ns产生resetdisch信号复位改进式TAC电路，同时resetdisch也是电容放电信号，给改进式TAC电路中电容放电。在QuartusII10.1上设计数据产生模块(TAC)的控制程序设计，并对数据产生模块(TAC)的控制程序进行逻辑综合和时序仿真。

数据采集控制及存储模块：在TAC控制模块中的FPGA采集到停止信号后，开启数据采集控制及存储模块中的A/D转换芯片控制模块，将16位采样数据存储，采用LTC2393-16的并行转换模式。在QuartusII10.1上设计A/D转换芯片的控制程序，并对A/D转换芯片的控制程序进行逻辑综合和时序仿真。

所述的四个模块构成了一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪。

本实用新型的优点在于：保证了各路门单元在FPGA设计中时序上的稳定性，兼容性好，实现了高精度的时间测量。

附图说明

图1为本发明一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪框图。

图2为时间-幅度转换(TAC)原理图。

图3为TAC功能流程图。

图4为采用三个运放构成的可调电流源电路结构图。

图5为积分电路结构图。

图6为积分控制电路结构图。

图7为基于AD811两级放大电路宽带直流放大电路结构图。

图8为改进式TAC电路接口图。

图9A为数据采集及传输模块(ADC模块)实现示意图。

图9B为数据采集及传输模块(ADC模块)硬件结构图。

图10为数据采集控制及存储模块的A/D转换时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括探测器start信号输入端1、探测器cstop信号输入端2、改进式TAC模块3、数据采集及传输模块4、数据采集控制及存储模块5、FPGA6、网线接口和网线7、TAC控制模块8和resetdisch信号输入端9；

所述FPGA6集成所述数据采集控制及存储模块5和TAC控制模块8，所述FPGA6与所述网线接口和网线7相连接，所述网线接口和网线7与PC相连接；

所述探测器start信号输入端1和探测器cstop信号输入端2接入所述改进式TAC模块3前端，所述改进式TAC模块3与所述数据采集及传输模块4相连接，所述数据采集及传输模块4与数据采集控制及存储模块5相连接；

所述TAC控制模块8与所述resetdisch信号输入端9相连接，所述resetdisch信号输入端9与所述改进式TAC模块3相连接。

如图3所述，基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，包括恒流源、积分电路、积分控制电路、放大电路、采样保持电路和采样控制电路；所述恒流源接入所述积分电路，所述积分电路与所述积分控制电路和放大电路相连接，所述放大电路接入采样保持电路，所述采样保持电路与所述采样控制电路相连接；所述恒流源为电压可控恒流源。

图1为一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪框图，系统最前端接受的NIM由探测器探测出start和common-stop信号,需要将NIM信号转换成ECL(EmitterCoupleLogic，发射极耦合逻辑)信号，然后转换成后端时间-幅度转换电路所需要的TTL信号。在经过无失真的信号衰减后，起始脉冲信号和多路停止脉冲信号送入信号调理电路中，甄别器将NIM(NuclearInstrumentModule，核仪器插件标准)电平转换，然后输出的TTL(Transistor-TransistorLogic，晶体管-晶体管逻辑电路)信号电平，此电平信号依然是起始和多路停止信号的脉冲信号，甄别后的信号被引入改进式TAC系统，作为input信号。而其与start，cstop，reset等几个电路内部激发的信号相互配合，对信号进行时间-幅度的转换。接着，转换完成的信号进入ADC进行模拟-数字转换。TAC和ADC是时间间隔测量的两个重要的环节。前者保证对输入信号的初步处理，其质量好坏直接影响到后面呈递给ADC系统的信号质量。后者是对信号的进一步转换处理，直接体现在最终输出结果上。ADC与用FPGA数据处理系统连接，最终经过转换处理的信号通过数据线传输被保存在硬盘里，输出在终端PC上，从而达到高精度时间间隔测量的目的。

TAC电路的原理图如图2所示，就是将V1和V2两个信号中的尖脉冲间的时间间隔转换为电压信号，由于采用恒流源对电容进行充电，所以所测的时间间隔与电压值成正比。这个与时间成正比的电压信号被输入ADC，最终计算出时间量。这一过程具体为：当起始信号V1被捕捉到时，电容开始充电。由于使用恒流源对电容充电，故其V-T关系是一条斜线。当捕捉到V2也就是停止信号时，充电停止。在电流大小Ic一定的情况下，电压大小与充电时间成正比，即：Δt＝t₂-t₁，V_C∞Δt。

TAC模块总体功能如图3的TAC功能流程图所示。TAC模块主要由恒流源，积分控制电路，积分电路，放大电路，采样控制电路等组成。现在的TAC都通过ADC板卡与计算机连接，由计算机控制转换进程。大部分后端ADC所要求的采集电压的幅度在0-5V之间，电容的充电容限最大值为供电电压。所以通过改变积分电流(恒流源的输出电流Ic)的值就可以改变系统的测量范围。

改进式TAC模块采用的集成运放设计的可控恒流源如图4所示。采用三个运放构成的可调电流源电路，输出电流可以保持在适当的精度范围内给电容充电。电路使用的有源反馈来使两端压降等于输入端所加的基准电压，因此输出电流等于。为使两端电压保持恒定，由放大器A2通过射随器A3监测两端电压，此电压经A2的输出加到比较器A1的反相输入端，由A1将它与基准电压进行比较，使A1的输出电压增加或减小，直至达到平衡为止，于是。射随器A3具有很高的输入阻抗，不会给流过的电流带来附加的负载电流。由于控制环路的延时较长，故用C1对A3进行频率补偿，只要满足，就会获得很好的性能。若要改变输出电流，可将换成总阻值与之相近的串联固定电阻与可变电阻，调节可变电阻即可改变输出电流。

图5为TAC模块的积分电路结构图。积分电路的功能就是对TAC模块中的恒流源输出的电流进行积分，从而将其转换为电压信号。由模拟电路知识可得到积分公式为：V_O＝-1/C∫Idt，由于I是恒流，故可以去掉积分号，改写为：V_O＝-IΔT/C。

图6为改进式TAC模块的积分控制电路。积分控制电路的功能就是对图5的积分电路进行控制。控制过程具体为：当前端NIM信号转换成两路TTL信号(start和stop尖脉冲信号)后，需要将两路TTL信号转换成可以控制恒流源对后端电容充电和停止充电的开关门信号。为了能使连接恒流源和积分电路的开关场效应管有更高的电压导通，并且使TAC的输出有足够的电压满足后面ADC采集数据标准，本发明在积分控制信号电路末端加入宽带直流放大电路，对控制信号进行放大。图7为本发明采用AD811来设计宽带直流放大电路。

经过上述部分完成了改进式TAC模块的内部设计，图8的改进式TAC电路接口图解决了该模块在前后模块的连接方式。从图1可以看出改进式TAC模块的输出信号需接入图9的ADC模块进行处理。电路接口连接的具体方式为：TAC_VOUT是时间-幅度转换电路的输出电压，供ADC进行采集，进而转换成数字量。start是NIM电平开始信号，输入到TAC中，转换成相应的TTL电平尖脉冲，启动集成运放恒流源对电容的充电。stop信号是NIM电平停止信号，输入到TAC中，转换成相应的TTL电平尖脉冲，关闭集成运放恒流源，使电容停止充电。stop信号转换成相应的TTL电平尖脉冲cstop信号输出连接FPGA，当FPGA检测到cstop信号后，根据TAC电路的时序要求，产生TAC电路的复位信号和电容放电信号resetdich。

图9A和图9B分别为数据采集及传输模块(ADC模块)实现示意图和硬件结构图。ADC模块实现的功能是将改进式TAC模块处理之后输出的电压信号进行数字采集和转换。ADC模块将电压值转换成16位数字量传输给FPGA进行处理，FPGA将处理后的数据通过网线接口和网线用以太网的传输方式发送PC机。ADC模块的硬件主要由FPGA、ARM及A/D转换组成。其中，A/D转换电路主要由LT6350和LTC2393-16两个芯片构成，LTC2393-16为A/D转换芯片，而LT6350为LTC2393-16的驱动芯片。LT6350连接了TAC电路的输出和LTC2393-16的输入。FPGA负责控制前端TAC和ADC的时序，并将得到的数据传递给ARM。ARM负责将得到的数据使用TCP/IP协议传递给后台计算机进行处理，在计算机上由ADC板卡所独用的VC编程的数据接收处理软件显示采集来的数据。图10为数据采集控制及存储模块的A/D转换时序示意图。FPGA检测到停止信号(cstop)后，FPGA启动转换信号(ADC1_CNVST)，A/D转换芯片开始采集TAC输出电压。同时，FPGA检测A/D转换芯片的工作状态信号(ADC1_BUSY)，即当前采集结果输出的使能信号。当ADC1_BUSY信号低电平时，FPGA将16位数据存储。

本实施例得到的一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪,优点在于：保证了各路门单元在FPGA设计中时序上的稳定性，兼容性好，实现了高精度的时间测量。

对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims

1.一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，其特征在于：包括探测器start信号输入端(1)、探测器cstop信号输入端(2)、改进式TAC模块(3)、数据采集及传输模块(4)、数据采集控制及存储模块(5)、FPGA(6)、网线接口和网线(7)、TAC控制模块(8)和resetdisch信号输入端(9)；

所述FPGA(6)集成所述数据采集控制及存储模块(5)和TAC控制模块(8)，所述FPGA(6)与所述网线接口和网线(7)相连接，所述网线接口和网线(7)与PC相连接；

所述探测器start信号输入端(1)和探测器cstop信号输入端(2)接入所述改进式TAC模块(3)前端，所述改进式TAC模块(3)与所述数据采集及传输模块(4)相连接，所述数据采集及传输模块(4)与数据采集控制及存储模块(5)相连接；

所述TAC控制模块(8)与所述resetdisch信号输入端(9)相连接，所述resetdisch信号输入端(9)与所述改进式TAC模块(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进式TAC的高精度时间间隔测量仪，其特征在于：包括恒流源、积分电路、积分控制电路、放大电路、采样保持电路和采样控制电路；所述恒流源接入所述积分电路，所述积分电路与所述积分控制电路和放大电路相连接，所述放大电路接入采样保持电路，所述采样保持电路与所述采样控制电路相连接；所述恒流源为电压可控恒流源。