三种TDC电路的原理和实现方法

本文介绍了不同类型的时间测量方法，讨论了实现高精度时间测量所采用的电路与实现技术。通过这些方法可以实现皮秒(ps)级的时间测量，满足不同应用场合的需求。时间作为一个基本物理量，在空间探索、高能物理、遥感遥测以及对流量、距离的测量等方面都有着极其重要的作用。本文讨论的时间测量是指对一个时间段的量度，也就是要完成从开始信号start到结束信号stop之间的时间间隔测量。通过电子电路实现高精度时间测量的方法有多种，此类电路的名称也很多，包括时间间隔表(TIM)、时间数字化器(TImedigiTIzer)、时间计数器(TC)、时间数字转换器(TDC)等，目前比较常用的名称是TDC[1~2]。TDC电路有不同的原理和实现方法，目前常见的方法包括抽头延迟线法、游标法及电容充放电法等。

最简单的TDC电路就是通过时钟信号对要计量的时间范围进行采样计数，根据计数值来计算时间值，这种方法就是直接计数法，其时间计量的最小分辨率是用于计数的时钟周期。为了提高测量分辨率只能提高时钟的频率，但由于超高频率时钟信号的生成和稳定传输都比较困难，所以通过这种方法很难实现ps级的精密测量，这一弱点使得它无法在需要精密时间测量的场合使用。但这种方法经常可以和后面介绍的其他测量方法结合起来使用，互相取长补短。

抽头延迟线法的原理是使被测量的开始信号通过延迟线进行传输，通过抽头信号探测它在被测量时间段内传递到的位置，从而判断时间测量的结果。相邻抽头之间的信号延迟时间就是测量的最小分辨率。在电路中实现时，延迟线一般是通过延迟单元构成的，测量的分辨率就是这些单元的延迟时间。在集成电路中，通常采用的电路单元是反相器，目前常用的集成电路工艺条件下这个延迟时间可以做到大约101~102ps量级，对于大多数测量来说，这样的分辨率已经可以满足要求了。

一种基本的抽头延迟线法时间测量电路如图1所示。其中在抽头处使用停止信号对经过延迟线传输的开始信号进行采样，根据采样结果Q0~Qn(温度计型编码)就可以知道开始信号经过被测时间段传递到的位置，由此可以根据每个单元的延迟时间τ计算出被测的时间间隔。抽头延迟线法的量程由延迟线的长度(延迟单元的数量)决定。这种结构是构成很多时间测量电路的基础，通过与其他技术结合可以形成不同的实用电路形式。

时间测量也可以采用类似机械游标卡尺的方法。它使用两条延迟线，其中单元的延迟时间分别为τ1和τ2，τ1和τ2之间有微小但固定的延迟差别，通过这两条延迟线分别对开始信号与结束信号进行传递，检测开始与结束信号在传递过程中什么时候重合，通过重合点的位置即可得到开始与结束之间的时间差。基本的游标法时间测量电路原理如图2(a)所示，其中通过触发器采样进行开始与结束信号是否重合的比较。另有一些设计中采用了专门的信号重合检测电路代替触发器，一种信号重合检测电路形式如图2(b)所示[3]，根据这种电路的两个输出信号输出1和输出2可以判断信号到达的先后次序，实现重合的判断。

在基本的游标法时间测量电路中，当检测到经过延迟线传输后的开始与停止信号在某点发生重合时，在TstopTstart<τ1的情况下通过计算可以知道：

Tstop-Tstart=(n-1)(τ1τ2)

其中n是经过的比较级数。这种测量方法的分辨率是两条延迟线中延迟单元的时间差，即(τ1τ2)，在电路设计时要保证τ1>τ2。其量程由延迟单元数量和τ1、τ2共同决定。可以看出这种方法能够实现比抽头延迟线法更高的测量分辨率，前提是保证用于测量的两条延迟线中的单元有稳定的延迟，为了达到这一目标常常通过pLL或DLL来产生具有稳定延迟的延迟线[4-5]。

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