TDC_GP1高精度时间间隔测量芯片及其应用

TDC-GP时间数字转换器及其应用仰爱社;归朋飞【摘要】本文简要介绍了TDC-GP时间数字转换器芯片的测量原理和主要特性，详细论述了其在激光测距、超声波测量金属厚度和电阻等测量中的应用。

采用TDC芯片比采用分立元件有更大的规模、更高的工作速度、更高的时间分辨率、更小的测量误差。

可有效地精减电路规模，对于降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性、适应性，缩短开发周期，具有重大的实际意义。

【期刊名称】《电子制作》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】2页(P57-57,56)【关键词】时间数字转换器;时间测量;测距【作者】仰爱社;归朋飞【作者单位】91388部队95分队广东湛江 524022;91388部队95分队广东湛江 524022【正文语种】中文时间是最基本的物理量之一，也是经常需要高精度测量的物理量。

但要在手持式设备中进行高精度时间间隔测量并不是一件容易的事。

比如，在激光测距中，常用的脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间间隔来计算距离的，因此时间测量对于该测距仪来说是测量的核心。

由于激光的速度约为3.0×108m/s，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。

例如要测量1公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率需要高达67ps。

要在手持式设备中做到如此高精度测量是非常困难的。

随着半导体技术的进步，高精度时间测量芯片已经问世，TDC-GP系列时间数字转换器（Time-to-Digital Converter）的出现，使得这一难题迎刃而解。

该系列时间数字转换器是德国Acam公司生产的，是以CMOS处理器实现传播时间数字化应用为基础的。

该系列芯片与把模拟电压转换为数字值的模数转换器（A/D）有相类似的功能：把时间间隔直接转化为高精度的数字值。

根据采用的半导体工艺，TDC实际达到的分辨率在30ps～300ps之间。

1.1 测量原理数字延迟时间是反映简单数字逻辑电路(比如反相器)的一个基本特征量，它是指数字信号加到输入端后、输出端正确响应的时间延迟。

基于高精度时间测量技术的声速仪设计1 引言传声介质的声速测量在声学检测中具有重要意义。

如何更准确地测量介质的声速在声学技术领域一直是人们比较关心的问题。

超声测距设备的测量精度、无损检测中的材料厚度测量准确度等．都与介质的声速测量准确度有关。

要想比较准确地测量介质的声速，其关键就是准确地测量时间。

因为根据声速计算公式c=L/△t可知，L是已知的，△t的准确程度将直接关系到声速测量的精度。

以ACAM公司推出的TDC-GP1型电路作为测时工具，它能将结果精确到ps，单从时间测量精度来看，该电路可以满足高精度声速测量要求。

2 TDC-GPl的结构特性随着半导体技术的发展，高精度时间间隔测量电路和系统的设计与生产成为可能。

TDC-GPI是德国ACAM公司研发的高精度时间间隔测量电路，可提供双通道250 ps或单通道125 ps分辨率的时间间隔测量。

TDC-GPl采用0.8 μm CMOS工艺，是一种通用高精度时间数字转换器，实际分辨率为30ps～300 ps。

TDC-GPl采用44引脚TQFP型封装，内含寄存器、TDC测量单元、RLC测量单元、16位算术逻辑单元、8位处理器接口单元等主要功能模块。

根据不同的应用需要对寄存器进行设置，使其工作在不同工作模式下。

TDC-GPl的引脚功能见表l。

内部结构框图如图l所示。

TDC-GPI有2个算术逻辑单元（ALU）。

前面的ALU将粗值寄存器中的测量结果转变为无符号整数，以便后面的ALU进行算术运算，这个ALU单元不需要时钟。

后面的16位顺序ALU主要根据寄存器的设置对测量结果进行偏差校正，并对校准值进行乘法运算。

ALU拥有独立的时钟，可以调节时钟发生频率，完成所有上述工作仅需4μs。

TDC-GPl提供了2个量程及精度可调整等3种模式可供用户选择。

在量程l中，可以测量2个通道中每个STOP脉冲与起始脉冲之间的时间间隔及STOP信号之间的时间间隔。

但在量程1的情况下，测量范围只有7.6μs。

基于 FPGA实现 TDC高精度时间间隔测量的研究与设计摘要：TDC(时间数字转换器)作为一种高分辨率时间间隔测量方法，基于FPGA实现TDC，具有设计灵活、成本低等特点，广泛应用于激光测距等领域。

本设计在Quartus II开发平台上，使用verilog语言实现粗细时间测量，其中粗时间在ModelSim实现仿真，最终该设计成功在工程项目中进行应用。

关键词：格雷码计数器；波形联合；TDC；FPGA时间间隔测量技术经过多年的发展，目前在原子物理、天文观测实验、激光测距、卫星定位等领域都有广泛的应用。

TDC实现方法有计数器技术、电流积分技术、时间放大技术、游标卡尺技术、“粗、细”时间测量组合技术等。

1时间间隔测量原理本文采用“粗、细”时间测量组合技术进行时间间隔测量，测量原理如下图所示，其中Tx表示时间间隔测量，其表达式为：，代表粗时间，代表细时间。

2粗时间测量设计2.1格雷码的特点格雷码(Gray Code)是20世纪40年代由贝尔实验室提出。

格雷码计数器每递增一位，只有一bit位发生变化，这样克服了使用传统二进制计数器可能导致数字电路出现尖峰电流脉冲的风险，提高了电路的抗干扰能力，所以格雷码是一种可靠性较高的编码。

另外格雷码是无权码，不能直接进行比较和参与运算。

格雷码编码方式如下表所示。

2.2多位格雷码计数器的实现本设计采用verilog逻辑语言进行设计，其中关键的计数器语言实现部份采用组合逻辑和阻塞来实现，这样电路与电路之间的延时就导致格雷码计数器不能工作在高时钟的环境，本设计的系统时钟为250MHz，从仿真以及应用中观察，没有出现因为电路的延时导致乱码的现象。

将多位格雷码计数器进行拆分，分别拆分为两个4位计数器和1个8位计数器，这样可以组合成任意4的整数倍位的格雷码计数器。

本设计中两个4位的计数器组合成低8位的格雷码计数器，用3个8位的计数器组合成高24位格雷码计数器，这样组合成32位的格雷码计数器。

基于FPGA高精度TDC设计与应用研究时间测量技术在核物理实验、大科学装置以及数字通信、航空航天、导航定位等领域都得到广泛的研究与应用。

经过多年的发展,时间测量技术从最初由分立元件搭建的模拟电路时间测量方式,到使用专用时间间隔测量芯片,以及近些年蓬勃发展的基于FPGA设计的时间数字转换电路,时间测量的精度越来越高,测量方式更加灵活,能够满足各类物理实验以及工程应用的要求。

为实现对次级带电宇宙射线的测量研究,中国科学院近代物理研究所设计了一款小型宇宙线探测仪。

该装置需要精确测量簇射粒子的到达时间,从而获得较好的宇宙线入射角分辨。

同时对粒子脉冲的前沿/后沿时间进行准确鉴别,以获取粒子在灵敏探测体中的能损以及粒子衰变时间。

宇宙线测量实验要求时间测量精度达到500ps以下,并且在一次脉冲事件中同时完成对粒子事件的精确符合以及脉冲过阈时间测量。

使用传统分立元件能够实现较高的时间分辨,但是不能满足事件符合测量的要求,而使用专用时间测量ASIC芯片会导致成本过高,不利于将该探测装置进行大范围推广。

在工程应用方面,兰州重离子加速器国家实验室研究人员在环形加速器间的踢轨控制系统设计中提出Barrier Bucket束流快引出与注入方式。

这种束流注入与引出方式需要严格结合束流引出环BRing的引出相位和束流接收环SRing的注入相位来对束流进行传输,要求双环高频在任意两相位点实现精确符合,且相位符合抖动小于1o。

对踢轨系统Kicker磁铁电源进行时序控制的时间延时精度要求好于1ns。

基于以上物理实验与工程应用的需求,本文研究了基于FPGA的高精度时间数字转换电路(TDC)原理与实现方式,在低成本的Cyclone IV系列FPGA上完成了多通道TDC设计,时间测量精度达到45ps,在FPGA 内部构建了粒子脉冲事件的实时符合与脉冲时间测量系统。

同时使用FPGA-TDC 技术完成对双环高频相位点时间精确测量与亚纳秒精度符合,并完成了步进时间为90ps的高精度延时时序控制。

题目：光电传感器关于激光测距方面应用分析学院：信息工程学院班级：B1409姓名：蔡沛华学号：0915140902光电传感器关于激光测距方面应用分析摘要: 激光传感器已经广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，激光传感器正以自己独特的优势焕发勃勃生机,本文简单介绍了激光测距传感器工作的原理和应用。

关键字：激光测距、发展背景、生活应用、一、激光测距应用发展背景国内外在20世纪70年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术。

世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的，被称作柯丽达1型。

1971年，美国军方率先配置了AN/GVS-3型红宝石激光测距系统。

自此，各国军队逐渐配备了用于侦查的激光测距机，各种型号的激光测距装置相应得到了应用。

20世纪70年代，美国、俄罗斯等国的著名公司开展合作研究，其产品涉及工业、航天、海洋等多个方面。

经过多年不断探索，激光测距机更新了两代，已经研制更新到了第3代。

第1代激光测距系统是光电倍增管探测器和红外宝石激光器构成的。

但是由于占地面积广、重量重、耗费电量多等缺点而被第2代测距系统取代。

第2代激光测距系统采用近红外钕激光器（主要是Nd：YAG激光器）和PIN光电二极管或者雪崩光电二极管。

与第一代相比，第2代激光测距系统的耗电量和体积都小很多，因此得到了迅速发展。

到20世纪70年代，YAG激光器技术趋于成熟，将这种激光器应用于远程、中程、短程的激光测距雷达以成为一种趋势。

但是由于其对全天候测距精度低、兼容性差及损伤人眼的缺点，伴随着激光技术与电子技术的发展，逐渐被第3代激光测距系统所取代。

第3代激光测距系统相较于前两代而言有了十足的发展。

其结构采用对人眼安全的激光器，并用最新电子的技术。

并且体积小、耗电量少而精度更高。

西方国家开发出了用途不同的测距系统，有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等。

其中，一维系统用于测量距离，二维系统用于扫描平面，监控一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等应用领域。