[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。 

背景技术

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。本发明结合生物医药、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。 

发明内容

本发明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。本发明基于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。该发明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。本发明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。 

本发明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。 

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。