[实用新型]基于PCI-E的高速时间-数字转换器

说明书

技术领域

本设计是一种时间测量领域的电子设备，其主要实现的功能是对多个脉冲到达时间进行精确测量。

背景技术

随着科学的发展和测量技术的进步，人类对物理世界的探索越来越深入，在研究微观世界时，某些物理事件发生的时间间隔很短暂，例如说某种粒子的飞行时间，或者是某种光波的传输时间，对于这种极小的物理时间测量精度的要求也越来越高，在这种需求下，一种专门精确测量时间的仪器--时间-数字转换器产生了。

时间-数字转换器(time-to-digital converter，下文简称TDC)在检测系统中的作用是记录信号的到达时刻和数量。此外它还有发出电子引出脉冲和离子引出脉冲的作用。

以下是国外目前时间测量相关产品的现状：

1.单芯片实现方案

单芯片的实现方案主要是由一块专用集成芯片完成时间测量过程中的采样，存储，计算，处理和传输等操作，国外相关产品有德国ACAM公司的TDC-GP1，TDC-GP2等产品，

TDC-GP1的主要指标：最高测量精度125ps，测通道2个，每次测量打击数：4个，最大测量范围：200ms

TDC-GP2的主要指标：最高测量精度50ps，测通道2个，每次测量打击数：4个，最大测量范围：4ms

存在的不足：1每次测量打击数只有4个，无法实现持续打击，2.测量范围只有200ms。

2.多芯片实现方案

多芯片的实现方案主要是把时间测量过程中的采样，存储，计算，处理和传输等操作由不同的芯片完成，通常采用的方法是以板卡的形式将各种芯片集成在一起，国外相关产品有美国ORTEC公司的9353，瑞士Acqiris的TC840，TC890等产品，这些产品的性能如下：

9353：测量精度：100ps，测量通道：1个，持续打击率：10M/s，最大测量范围：6.7ms。

TC890：测量精度：50ps，测量通道：6个，持续打击率：25M/s，最大测量范围：10.48ms。

目前此类产品的最大瓶颈在于测量持续打击率只有25M/s，当外界的打击次数超过这个时，就会出现测量错误。

PCI Express是新一代的计算机总线接口，通常简称为PCIe或者PCI-E，PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。通过PCI-E接口，TDC的传输速度可以大大提升，从而提高其测量速度。

发明内容

本发明介绍了一种基于PCI-E的高速时间-数字转换器的电路设计与实现方法，其主要特点在于：采用多芯片方案，使用集成芯片构成电路实现功能，具有功能灵活强大的特点；基于串并转换原理设计电路，采用FPGA(Field-programmable gate array(现场可编程门阵列))进行高速并行处理；基于PCIE接口，可以高速传输采集数据，不仅保证了高精度，同时保证了高速度。本发明的电路连接是：输入信号连接信号调理1，信号调理1连接串并转换模块，串并转换模块连接数据处理器件，数据处理器件连接PCI-E总线，数据处理器件连接信号调理2，信号调理2输出输出信号，高速时钟与串并转换模块连接，为串并转换模块提供一个高速稳定的时钟。

本发明信号处理过程如下：输入信号(通常为微弱的电信号)经过信号调理电路1转换为CML电平信号，然后输入到串并转换模块，串并转换模块将该信号转换为16路并行LVDS电平信号，送入数据处理器件进行处理，数据处理器件将信号内的脉冲到达时间和次数进行计算，然后将处理后的数据转换为符合PCI-E协议的数据包，经PCI-E总线传输给计算机进行分析，计算机上有相应的专用分析软件，可以实现谱图的显示，保存和打印等功能。同时计算机可以通过软件设定输出信号的频率，脉宽，并且以写寄存器的形式通过PCI-E总线传输给数据处理器件，数据处理器件收到指令后，产生用户所需要的时钟或触发信号，经过信号调理2调理后，产生输出信号。

本发明的有益效果在于：

1.测量精度高，最小分辨率可以达到100ps

2.测量范围大，单次测量最大范围可以达到6s(在100ps分辨率时)

3.持续打击率可以达到100M/s

4.突发打击率可以达到5G/s

5.可多通道同时作

6.功能灵活，可升级

附图说明

图1系统电路结构框图

具体实施方式