一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法技术

本发明专利技术提供一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法。该时间数字转换器包括细时间测量单元，该细时间测量单元由时间交替采样单元、多级采样数据缓冲单元、快拍和编码单元组成；本发明专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的高集成度的精密时间数字转换器。创新点是细时间测量部分采用基于分相时钟交替采样、多级采样数据缓存和多级采样数据缓存数据的锁存快拍、快速编码组合架构的技术。具有结构简单、设计灵活性，可移植性强，测量死时间小，动态范围大、成本低、接口灵活等特点。可应用于航天领域、空间研究领域、通信、生物医药、地球动力学、相对论研究等等诸多领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法。该时间数字转换器包括细时间测量单元，该细时间测量单元由时间交替采样单元、多级采样数据缓冲单元、快拍和编码单元组成；本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的高集成度的精密时间数字转换器。创新点是细时间测量部分采用基于分相时钟交替采样、多级采样数据缓存和多级采样数据缓存数据的锁存快拍、快速编码组合架构的技术。具有结构简单、设计灵活性，可移植性强，测量死时间小，动态范围大、成本低、接口灵活等特点。可应用于航天领域、空间研究领域、通信、生物医药、地球动力学、相对论研究等等诸多领域。【专利说明】—种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法
本专利技术涉及精密时间测量领域，尤其涉及一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器及实现方法，利用现场可编程逻辑器件FPGA来实现的时间数字转换器。
技术介绍
时间是物理学中最基本、最重要的物理量之一。时间涉及到一个事件发生和结束的过程，一个事件的两个或多个发展过程之间的时间关系，或者两个、多个事件之间的时间关系。精密时间测量在航天领域、空间研究领域、通信、生物医药、地球动力学、相对论研究等等诸多领域有着重要的应用。例如空间高能粒子谱仪和等离子体谱仪的飞行时间测量系统、飞行时间质谱仪、卫星高度计、空间测距仪、空间遥测、量子通讯领域中的时间定标等等。精密时间测量技术的应用已经深入到人们社会生活的方方面面。不同的领域、不同的应用对时间测量的精度、死时间、时间测量动态范围等参数都有着不同的要求。本专利技术结合生物医药、高精密仪器、粒子物理实验等应用，设计一种使用灵活、成本较低、应用范围广泛且具有支持重配置功能的精密时间测量方法。时间测量的方法有很多，可分为模拟技术和数字技术两大类，具体实现上又可划分为计数法、内插法、游标卡尺法、时间放大法、时间模拟转换+模拟数字转换器法等等。计数法最为简单，但是精度很难做到很高；时间放大法和时间模拟转换+模拟数字转换器法电路复杂且死时间大，调试维护工作量大，功耗较高且不易提高集成度，可应用的领域不多；内插法和游标卡尺法是目前使用较多的两种时间测量方法。游标卡尺法目前主要分两大实现手段:利用两种高精度时钟的周期时间差值实现游标卡尺测量法，以及利用两种固定延时单元的之间的延时时间差值实现游标卡尺测量法。前者消耗资源少，测量精度略低；后者消耗较多资源，但是可以做到很高精度，这两种方法共同的缺点就是死时间较长。内插法与游标卡尺法相比，其在保证较高测量精度的同时有较低的死时间是一大亮点。定制专用集成电路ASIC实现精密时间测量可以实现高精度和低功耗两个优点，但有着昂贵的开发费用、较长的开发周期以及无法实现灵活变化和更改等缺点，往往是为适应某些特定的应用而研制，在使用中也只能根据其功能设计。因此，其功能固定，使用范围受到限制。中国专利CN1719353A基于进位链技术实现高精度时间数字转换方法。其原理是基于FPGA基本逻辑单元LE间的专用进位链延时单元作为最小时间测量单元LSB，利用时间内插技术进行精细时间测量，之后对锁存数据进行译码，另外引入正向和反向系统时钟下的两个高速同步计数器进行粗时间部分的测量，最后将细时间测量单元、粗时间测量单元、结合通道信息将所得数字信息存入缓冲FIFO，经相应的接口送到计算机中进行后续处理。该专利可以实现高精度时间测量，但依赖于FPGA中特殊的逻辑资源(进位链)，容易受到FPGA不同系列特性及演变发展的限制，且作为最小测量单元的进位链的延时随器件种类、环境温度、工作电压、工作时间等因素变化较大，译码部分也较为复杂，死时间较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的精密时间测量方法，进而以较低的成本完成待测时间间隔的高精度测量。时间数字变换器的功能是实现模拟时间信息到数字时间信息的转换，其种类很多。本专利技术基于FPGA实现一种大动态(测量范围大)、高精度为特征的通用时间数字转换器。该专利技术的实现主要包括粗时间测量和细时间测量两个部分。粗时间测量基于计数器时间测量方法实现的；细时间测量则基于时间内插法进行高精度时间测量。本专利技术的技术关键是利用多相时钟大大提高时间信息的等效采样率进而实现时间内插完成细时间测量，并利用同步计数器完成粗时间测量单元。本专利技术的具体解决方案如下:一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器，该时间数字转换器包括细时间测量单元，该细时间测量单元由时间交替采样单元、多级采样数据缓冲单元、快拍和编码单元组成；其中，时间交替米样单兀利用分相时钟和锁存器对时间信号进行米样；多级采样数据缓冲单元利用多级锁存器级联对采样单元采样数据进行多级缓冲；快拍和编码单元完成粗时间周期内的时间采样信息缓冲并进行编码。进一步的，所述的时间数字转换器的细时间测量单元的时间交替采样单元，是基于分相时钟和锁存器对时间信号交替采样构建的。一个采样周期的数据经锁存器统一时钟域后传给采样数据缓冲单元。进一步的，所述的时间数字转换器细时间测量单元，采用多级移位寄存器组将采样数据缓冲，目的是降低粗时间测量单元时钟频率，扩大时间测量范围。用于采样数据缓冲的移位寄存器组的级数由采样频率和粗时间计数器的频率的倍数关系决定。进一步的，本专利技术提供一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器的实现方法，该方法采用多级移位寄存器将采样数据缓冲后，利用锁存器对缓冲后数据一并进行锁存，即快速拍照，快速拍照时钟为粗时间测量时钟，在粗时间测量时钟周期内完成所有时间信号的查找和编码。本专利技术的原理在于:本专利技术提出的基于FPGA的精密时间数字转换器，主要包括多相时钟单元、细时间采样单元、采样数据缓冲单元、编码单元、粗时间测量单元和缓冲单元，所有单元均在FPGA内部实现。其中细时间测量采样单元基于时间内插原理实现，具体原理如下:利用FPGA内部的锁相环PLL结合反相器生成8个两两相位差为45度的一组时钟，利用该组时钟对同一待测时间信号进行采样，这样等效采样周期为原有时钟的1/8 ;从另一个角度来讲，8个相位差45度的时钟将原有时钟周期分为相等的8个时间片，该时间片即为细时间测量单元的最小量化单位，从而实现对时钟周期进行时间内插。为降低粗时间测量计数器的输入频率，进而提高其线性性和动态范围，缓冲单元对采样单元获取数据按时间先后进行多次缓冲，等效为扩展采样单元的位宽。编码单元实现对细时间测量采样数据进行编码输出细时间数字信息，压缩数据位宽。本部分直接采用二进制编码。粗时间测量单元的输入时钟在IOMHz量级,可以实现很宽范围的时间测量。数据缓冲单元将粗、细时间单元测量的数字时间输出，连同测量通道编号、时间戳信息一并打包成64位信息送入数据缓冲单元FIFO进行数据缓冲，等待计算机将数字时间信息从数据缓冲单元读出。FPGA为现场可编程逻辑器件，本专利技术在Altera和Xilinx的FPGA上均验证过。FPGA完整的开发完程序和流程，厂家均提供了完整的服务。应用上述基于FPGA的时间数字转换器的转换方法主要涵盖以下几个环节:(一)、多相时钟生成本专利技术应用实例采用八相位时钟，其生成过程如下:在Altera的FPGA中都有多个PLL部件，在Xilinx的FPGA中有数字时钟管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的高精度高集成度时间数字转换器，该时间数字转换器包括细时间测量单元，其特征在于，该细时间测量单元由时间交替采样单元、多级采样数据缓冲单元、快拍和编码单元组成；其中，时间交替采样单元利用分相时钟和锁存器对时间信号进行采样；多级采样数据缓冲单元利用多级锁存器级联对采样单元采样数据进行多级缓冲；快拍和编码单元完成粗时间周期内的时间采样信息缓冲并进行编码。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雷，叶春逢，郝新军，刘树彬，安琪，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：