基于fpga的高精度、多通道时间数字转换器设计

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1、分类号TM935.15密级公开UDC621.3学位论文编号D-10617-30852-(2016)-04005重庆邮电大学硕士学位论文中文题目基于FPGA的高精度、多通道时间数字转换器设计英文题目Designofahighresolutionandmulti-channelTime-to-DigitalConverterbasedonFPGA学号S130431005姓名董永孟学位类别工程硕士学科专业集成电路工程指导教师王巍教授完成日期2016年4月11日重庆邮电大学硕士学位论文摘要摘要时间数字转换器

2、(Time-to-DigitalConverter，TDC)是一种精密时间间隔测量技术，测量精度通常为亚纳秒级，广泛应用于激光测距、卫星导航、高能物理实验以及医学成像等领域。TDC的测量精度往往与这些领域的技术水平息息相关，有些领域还需要使用多通道TDC来提高测量效率。高精度TDC可以在专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)中实现，也可以在现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)中实现。ASIC-T

3、DC的测量精度和稳定性更高，而FPGA-TDC具有开发周期短、实现成本低、设计更为灵活等优点。随着FPGA器件工艺水平的提高，FPGA-TDC与ASIC-TDC之间的性能差异正在逐步缩小，在FPGA上实现高精度TDC的设计具有重要研究意义。论文通过对TDC的一般设计方法进行分析对比，并结合XilinxVirtex-5FPGA芯片内部资源，选用粗细计数相结合的方式来实现高精度、多通道TDC的设计。“粗”计数功能模块由格雷码计数器实现，“细”计数功能模块由抽头延迟线实现。为了实现高精度TDC测量电路设计

4、，本文使用Virtex-5的专用进位链逻辑单元(CARRY4)构建抽头延迟线。针对由专用进位链固有的超前进位特性引起的温度计码“冒泡”(Bubbleerror)现象对传统温度计码编码电路进行了改进。为了降低工艺、电压、温度以及系统非线性对测量精度的影响，采用码密度测试的方式对测量结果进行校准。同时，本文设计了一块延迟单元延迟时间变化监测电路，以避免不必要的校准来节省测量时间和电路功耗。本文设计的TDC配置了4个测量通道，为减小通道间的测量差异，在设计时使用位置约束和手动调整的方式使4个通道紧密并行排

5、列。为验证TDC的功能正确性并对其性能进行评估，本文做了大量的实验测试和数据分析。最终测试结果表明：4个测量通道在对应位置上延迟单元的延迟时间基本相同，单个通道的平均时间间隔分辨率为14.7ps，微分非线性为5.8LSB，积分非线性为12LSB；经过校准后TDC的RMS测量精度为25.5ps，单通道的RMS测量精度为18ps。关键词：时间数字转换器，FPGA，高精度，多通道，抽头延迟线I重庆邮电大学硕士学位论文AbstractAbstractTime-to-DigitalConverter(TDC)

6、isusedforprecisetimeintervalmeasurement.Usually,itcanachievearesolutionofsub-nanosecond.Itiswidelyusedinscientificexperimentsandengineeringapplications,suchassatellitenavigation,highenergyphysicsexperiments,medicalimagingsystemandsoon.Themeasureprecisi

7、onoftheTDCiscloselyrelatedwiththeadvancedtechnologyleveloftheseapplicationsfield.Someoftheapplicationsneedtousethemulti-channelTDCtoImprovetheefficiencyofmeasurement.TherearemainlytwotypesofTDC.OneisASIC-TDCandtheotherisFPGA-TDC.ThoughASIC-TDChasexcell

8、entperformance,itsdisadvantageislongdesigncycle,high-cost,complexityandpoorflexibility.WiththedevelopmentofFPGAdevice’sprocess,FPGA-TDCcanachieveabetterperformanceaswell,andinthemeantime,ithastheadvantagesuchasshortdesigncycleandgoodfle