[发明专利]一种游标型环形时间数字转换器的延时差测量方法

说明书

本发明涉及一种游标型环形时间数字转换器的延时差测量方法，属于时间数字转换器电路技术领域，该方法包括：对两边沿输入信号进行领先滞后判定，首先开启环形慢延时链，环形慢延时链的其中一位输出SDx被计数圈数；之后开启环形快延时链，环形快延时链的其中一位输出FDx被计数；边沿FDx(k)通过D触发器抓取节点边沿SDx(k)的电压状态Qx(k)；数据读取模块依次循环抓取各节点数据Qx(k)，当Qn(k)不等于Q1(1)时，得到游标残余量(ts‑tf)*n*NFlap+(ts‑tf)*Ddec+(1‑Q1(1))*0.5n*ts；输出STOP信号关断两个环形延时链，圈数计数模块保持此刻的圈数信息NSlap和NFlap；最终延时差结果表达式为：Delta＝ts*n*NSlap+(ts‑tf)*n*NFlap+(ts‑tf)*Ddec+(1‑Q1(1))*0.5n*ts。本发明可以在付出较小的成本和功耗代价的前提下，将游标型环形TDC的传统转换速度提高一倍。

技术领域

本发明属于时间数字转换器电路技术领域，特别涉及一种游标型环形时间数字转换器的延时差测量方法。

背景技术

时间数字转换器，以下简称为TDC(time-to-digital converter)，是近年兴起的一种测量延时差的电路，始于高能离子测量领域。TDC可以将两路信号的边沿(上升沿或下降沿)之间的延时差量化成数字信号。凭借其电路成本低、功耗小、响应速度快的特点广泛应用于锁相环、红外探测系统、激光测距仪、模拟数字转换器、集成电路工艺偏差检测等领域。

TDC中有两种常用的模块：时域比较器和D触发器。

时域比较器(或称仲裁器arbiter)直接比较两路输入边沿PUSA和PUSB(上升沿或下降沿)的到达时间，在两路输入边沿的领先和滞后关系不同的情况下输出的电压值不同。例如，在PUSA领先PUSB时，输出高电平；在PUSA滞后PUSB时，输出低电平。当然，也可以在PUSA领先PUSB时，输出低电平；在PUSA滞后PUSB时，输出高电平。在PUSA领先或滞后PUSB时具体输出什么电平，取决于设计者和系统要求。

D触发器是常用的电路模块，用于抓取信号的状态，在TDC中也可用来比较两个边沿的延时差。D触发器的两路输入分别被称为CK端和D端。两路输入边沿PUSA和PUSB分别连接CK端和D端中的一个。当CK端出现边沿时，D触发器将抓取和保存D端的电压状态直到CK端再次出现边沿。以边沿是上升沿为例。如果CK端的上升沿领先于D端，则CK端上升沿捕捉的是未出现上升沿尚处于低电平的D端，则D触发器输出低电平；如果CK端的上升沿滞后于D端，则CK端上升沿捕捉的是已经出现上升沿也就是处于高电平的D端，则D触发器输出高电平，这就实现了与时域比较器类似的功能，但是，由于D触发器的电路不如时域比较器对称，所以使用D触发器比较两路边沿存在一定的固定误差(offset)。但是，固定误差在TDC中只会引起线性误差，而不是非线性误差，容易通过校准消除这一误差。

游标型线性TDC和环形TDC既可以使用时域比较器，也可以使用D触发器。现主要阐述与本发明有关的基于D触发器的游标型线性TDC和环形TDC。

“游标”概念来自于游标卡尺。普通的直尺或卷尺是利用刻度测量长度或距离，精度无法小于最小刻度。游标卡尺是利用两个刻度的差值来测量长度，精度小于最小刻度。类似的，钟表是利用最小刻度秒来计时，精度不能小于秒。游标型TDC是利用延时的差值进行测量，可达到几个皮秒的时间测量精度，但是刻度却不需要精细到几个皮秒。