Цифро-временной преобразователь - Time-to-digital converter

В электронной аппаратуры и обработки сигналов , А время-цифровой преобразователь ( ВМТ ) представляет собой устройство для распознавания событий и обеспечивая цифровое представление времени они имели место. Например, TDC может выводить время прибытия для каждого входящего импульса. Некоторые приложения хотят измерять временной интервал между двумя событиями, а не какое-то понятие абсолютного времени.

В электронике преобразователи времени в цифровой формат (TDC) или преобразователи времени в цифровую форму - это устройства, обычно используемые для измерения временного интервала и его преобразования в цифровой (двоичный) выходной сигнал. В некоторых случаях интерполирующие TDC также называют счетчиками времени (TC).

ВМТ используются для определения временного интервала между двумя импульсами сигнала (известного как импульс запуска и остановки). Измерение запускается и останавливается, когда нарастающий или спадающий фронт сигнального импульса пересекает установленный порог. Эта закономерность наблюдается во многих физических экспериментах, таких как измерения времени пролета и времени жизни в атомной физике и физике высоких энергий , эксперименты, которые включают лазерную локацию и электронные исследования, включающие тестирование интегральных схем и высокоскоростную передачу данных.

Заявление

ВМТ используются в приложениях, где измерения происходят нечасто, например, в экспериментах по физике высоких энергий , где огромное количество каналов данных в большинстве детекторов гарантирует, что каждый канал будет редко возбуждаться такими частицами, как электроны, фотоны и ионы.

Грубое измерение

КМОП (поворотный) бегущей волны генератора или линии задержки или распределенной усилитель работает на частоте совместимый флип-флоп, но имеет более острые кромки и разрешение суб-края

Если требуемое временное разрешение невелико, для преобразования можно использовать счетчики.

Базовый счетчик

В своей простейшей реализации TDC - это просто высокочастотный счетчик, который увеличивает каждый такт. Текущее содержимое счетчика представляет текущее время. Когда происходит событие, значение счетчика фиксируется в выходном регистре.

В этом подходе измерение представляет собой целое число тактовых циклов, поэтому измерение квантуется по тактовому периоду. Чтобы получить более точное разрешение, необходимы более быстрые часы. Точность измерения зависит от стабильности тактовой частоты.

Обычно в ВМТ используется опорная частота кварцевого генератора для хорошей долгосрочной стабильности. Кварцевые генераторы с высокой стабильностью обычно имеют относительно низкую частоту, такую ​​как 10 МГц (или разрешение 100 нс). Чтобы получить лучшее разрешение, можно использовать умножитель частоты контура фазовой автоподстройки частоты для генерации более быстрых тактовых импульсов. Например, можно умножить кварцевый опорный генератор на 100, чтобы получить тактовую частоту 1 ГГц (разрешение 1 нс).

Счетчик техники

Высокие тактовые частоты накладывают дополнительные конструктивные ограничения на счетчик: если тактовый период короткий, сложно обновить счетчик. Например, двоичные счетчики нуждаются в архитектуре быстрого переноса, потому что они по существу добавляют единицу к предыдущему значению счетчика. Решение использует гибридную архитектуру счетчиков. Например, счетчик Джонсона - это быстрый недвоичный счетчик. Его можно использовать для очень быстрого подсчета количества нижних ордеров; более обычный двоичный счетчик может использоваться для накопления счета высокого порядка. Быстрый счетчик иногда называют предварительным делителем .

Скорость счетчиков, изготовленных по КМОП- технологии, ограничивается емкостью между затвором и каналом, а также сопротивлением канала и дорожек сигнала. Результатом обоих является частота среза. Современная технология изготовления микросхем позволяет вставлять в микросхему несколько металлических слоев и, следовательно, катушки с большим количеством обмоток. Это позволяет разработчикам настроить устройство на определенную частоту , которая может лежать выше граничной частоты исходного транзистора.

Пиковым вариантом счетчика Джонсона является счетчик бегущей волны, который также обеспечивает разрешение субциклов. Другие методы достижения субциклового разрешения включают аналого-цифровые преобразователи и счетчики Верньера Джонсона .

Измерение временного интервала

набросок метода грубого счета в ВМТ: показаны измерения T в различных отношениях с тактовыми импульсами

В большинстве ситуаций пользователь не хочет просто фиксировать произвольное время, когда происходит событие, но хочет измерить временной интервал, время между событием запуска и событием остановки.

Это можно сделать, измерив произвольное время событий запуска и остановки и вычтя его. Измерение может быть отклонено на два счета.

Вычитания можно избежать, если счетчик удерживается на нуле до начала события, считает в течение интервала, а затем прекращает счет после события остановки.

Грубые счетчики основаны на эталонных часах с сигналами, генерируемыми на стабильной частоте . При обнаружении сигнала запуска счетчик начинает отсчет тактовых сигналов и прекращает счет после обнаружения сигнала остановки. Тогда интервал времени между запуском и остановкой равен ${\ displaystyle f_ {0}}$${\ displaystyle T}$

${\ Displaystyle Т = п \ cdot T_ {0}}$

с числом отсчетов и периодом эталонных часов . ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle T_ {0} = 1 / f_ {0}}$

Статистический счетчик

Поскольку сигнал пуска, останова и тактовый сигнал являются асинхронными, существует равномерное распределение времени сигнала пуска и останова между двумя последовательными тактовыми импульсами. Эта расстройка сигнала пуска и останова от тактовых импульсов называется ошибкой квантования .

Для серии измерений на одном и том же постоянном и асинхронном временном интервале измеряется два разных количества подсчитанных тактовых импульсов и (см. Рисунок). Это происходит с вероятностями${\ displaystyle n_ {1}}$${\ displaystyle n_ {2}}$

${\ displaystyle p (n_ {1}) = 1-c}$

${\ displaystyle q (n_ {2}) = c}$

с в дробной части из . Затем значение временного интервала получается следующим образом: ${\ displaystyle c = Frc (T / T_ {0})}$${\ displaystyle T / T_ {0}}$

${\ Displaystyle Т = (п \ cdot n_ {1} + q \ cdot n_ {2}) \ cdot T_ {0}}$

Измерение временного интервала с использованием грубого счетчика с помощью метода усреднения, описанного выше, занимает относительно много времени из-за большого количества повторений, которые необходимы для определения вероятностей и . По сравнению с другими методами, описанными ниже, грубый счетчик имеет очень ограниченное разрешение (1 нс в случае опорной частоты 1 ГГц ), но удовлетворяет своим теоретически неограниченным диапазоном измерения. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle q}$

Точное измерение

В отличие от грубого счетчика из предыдущего раздела, здесь представлены методы точного измерения с гораздо большей точностью, но с гораздо меньшим диапазоном измерения. Аналоговые методы, такие как растяжение временного интервала или двойное преобразование, а также цифровые методы, такие как отводные линии задержки и метод Вернье, находятся в стадии изучения. Хотя аналоговые методы по-прежнему обеспечивают лучшую точность, цифровое измерение временного интервала часто является предпочтительным из-за его гибкости в технологии интегральных схем и его устойчивости к внешним возмущениям, таким как изменения температуры.

Точность реализации счетчика ограничена тактовой частотой. Если время измеряется целым отсчетом, то разрешение ограничивается периодом времени. Например, частота 10 МГц имеет разрешение 100 нс. Чтобы получить разрешение более тонкое, чем период тактовой частоты, существуют схемы интерполяции времени. Эти схемы измеряют долю периода часов: то есть время между событием часов и измеряемым событием. Схемы интерполяции часто требуют значительного количества времени для выполнения своей функции; следовательно, ВМТ требует паузы перед следующим измерением.

Интерполятор рампы

Когда подсчет невозможен из-за слишком высокой тактовой частоты, можно использовать аналоговые методы. Аналоговые методы часто используются для измерения интервалов от 10 до 200 нс. В этих методах часто используется конденсатор, который заряжается в течение измеряемого интервала. Изначально конденсатор разряжается до нуля вольт. Когда происходит событие запуска, конденсатор заряжается постоянным током I ₁ ; постоянный ток вызывает линейное возрастание напряжения v на конденсаторе со временем. Повышение напряжения называется быстрым нарастанием. Когда происходит событие остановки, ток зарядки прекращается. Напряжение на конденсаторе v прямо пропорционально интервалу времени T и может быть измерено аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Разрешающая способность такой системы находится в диапазоне от 1 до 10 пс.

Хотя можно использовать отдельный АЦП, шаг АЦП часто интегрируется в интерполятор. Второй постоянный ток I ₂ используется для разряда конденсатора с постоянной, но гораздо более медленной скоростью (медленное нарастание). Медленная рампа может составлять 1/1000 от быстрой рампы. Этот разряд эффективно «растягивает» временной интервал; для разряда конденсатора до нуля вольт потребуется в 1000 раз больше времени. Растянутый интервал можно измерить счетчиком. Измерения аналогичны измерениям в аналоговом преобразователе с двумя наклонами .

Преобразование с двойным наклоном может занять много времени: около тысячи тактов часов в схеме, описанной выше. Это ограничивает частоту проведения измерений (мертвое время). Разрешение 1 пс при тактовой частоте 100 МГц (10 нс) требует коэффициента растяжения 10 000 и подразумевает время преобразования 150 мкс. Чтобы уменьшить время преобразования, схему интерполятора можно использовать дважды в методе остаточного интерполятора . Вначале, как указано выше, используется быстрое линейное изменение для определения времени. Медленная рампа только на 1/100. Медленная рампа пересечет ноль в какой-то момент в течение периода времени. Когда рампа пересекает ноль, снова включается быстрая рампа, чтобы измерить время перехода ( _{остаток} t ). Следовательно, время может быть определено как 1 часть из 10000.

Интерполяторы часто используются со стабильными системными часами. Событие запуска является асинхронным, а событие остановки - это следующие часы. Для удобства представьте, что быстрое линейное нарастание поднимается ровно на 1 вольт за тактовый период 100 нс. Предположим, что стартовое событие происходит через 67,3 нс после тактового импульса; срабатывает интегратор быстрого линейного изменения, и он начинает расти. Событие асинхронного запуска также маршрутизируется через синхронизатор, который принимает не менее двух тактовых импульсов. К следующему тактовому импульсу линейное нарастание возрастает до 0,327 В. Ко второму тактовому импульсу линейное нарастание повышается до 1,327 В, и синхронизатор сообщает, что было обнаружено событие запуска. Быстрая рампа останавливается, и начинается медленная рампа. Выход синхронизатора можно использовать для считывания системного времени со счетчика. После 1327 тактов медленное линейное изменение возвращается к своей начальной точке, и интерполятор знает, что событие произошло за 132,7 нс до того, как синхронизатор сообщил.

Интерполятор на самом деле более сложен, потому что есть проблемы с синхронизатором, и переключение тока не происходит мгновенно. Кроме того, интерполятор должен откалибровать высоту рампы по тактовому периоду.

Верньер

Вернье-интерполятор

Более сложен метод верньера. Метод включает в себя запускаемый генератор и схему совпадений. В этом случае сохраняется целочисленный счетчик тактовых импульсов и запускается осциллятор. Частота срабатывающего генератора немного отличается от частоты тактового генератора. В качестве аргумента предположим, что сработавший осциллятор имеет период, который на 1 нс быстрее, чем часы. Если событие произошло через 67 нс после последнего тактового сигнала, то переход сработавшего генератора будет сдвигаться на -1 нс после каждого последующего тактового импульса. Сработавший генератор будет через 66 нс после следующих тактов, через 65 нс после вторых тактов и так далее. Детектор совпадений отслеживает, когда запускаемый осциллятор и часы переходят одновременно, и это указывает долю времени, которую необходимо добавить.

Конструкция интерполятора более сложна. Запускаемые часы должны быть откалиброваны по часам. Он также должен запускаться быстро и чисто.

Вернье метод

Метод Вернье - это цифровая версия метода растяжения времени. Два лишь слегка расстроенных генератора (с частотами и ) запускают свои сигналы с приходом сигнала запуска и остановки. Как только передние фронты сигналов осцилляторов совпадают, измерения заканчиваются и количество периодов осцилляторов ( и соответственно) приводят к исходному временному интервалу : ${\ displaystyle f_ {1}}$${\ displaystyle f_ {2}}$${\ displaystyle n_ {1}}$${\ displaystyle n_ {2}}$${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle T = {\ frac {n_ {1} -1} {f_ {1}}} - {\ frac {n_ {2} -1} {f_ {2}}}}$

Поскольку высоконадежные генераторы со стабильной и точной частотой по-прежнему представляют собой серьезную проблему, можно также реализовать метод нониуса с помощью двух линий задержки с ответвлениями с использованием двух немного разных времен задержки ячейки . Этот параметр называется линией дифференциальной задержки или линией задержки с нониусом . ${\ Displaystyle \ тау}$

В представленном здесь примере первая линия задержки, связанная с сигналом запуска, содержит ячейки D -триггеров с задержкой, которые изначально установлены на прозрачные. Во время перехода стартового сигнала через одну из этих ячеек сигнал задерживается, и состояние триггера выбирается как прозрачное. Вторая линия задержки, принадлежащая стоп-сигналу, состоит из серии неинвертирующих буферов с задержкой . Распространяясь по своему каналу, стоп-сигнал фиксирует триггеры линии задержки стартового сигнала. Как только сигнал остановки проходит через сигнал запуска, последний останавливается, и все оставшиеся триггеры выбираются непрозрачными. По аналогии с описанным выше случаем осцилляторов желаемый временной интервал тогда равен ${\ Displaystyle \ тау _ {L}}$${\ Displaystyle \ тау _ {L}}$${\ Displaystyle \ тау _ {В} <\ тау _ {L}}$${\ displaystyle T}$

${\ Displaystyle Т = п \ CDOT (\ тау _ {1} - \ тау _ {2})}$

где n - количество ячеек, помеченных как прозрачные.

Линия задержки с отводом

принципиальная схема линии задержки с ответвлениями

Обычно линия задержки с ответвлениями содержит ряд ячеек с четко определенными временами задержки . При распространении по этой линии сигнал пуска задерживается. Состояние линии измеряется в момент поступления сигнала остановки. Это может быть реализовано, например, с помощью линейки ячеек D-триггера с временем задержки . Сигнал запуска распространяется через эту линию прозрачных триггеров и задерживается на определенном их количестве. Выходные данные каждого триггера дискретизируются на лету. Сигнал остановки фиксирует все триггеры при прохождении через свой канал без задержки, и сигнал запуска не может распространяться дальше. Теперь временной интервал между сигналом запуска и остановки пропорционален количеству триггеров, которые были выбраны как прозрачные. ${\ Displaystyle \ тау}$${\ Displaystyle \ тау}$

Гибридное измерение

Набросок метода интерполяции Натта

Счетчики могут измерять длинные интервалы, но имеют ограниченное разрешение. Интерполяторы имеют высокое разрешение, но не могут измерять большие интервалы. Гибридный подход позволяет достичь как больших интервалов, так и высокого разрешения. Длинный интервал можно измерить с помощью счетчика. Информация счетчика дополняется двумя интерполяторами времени: один интерполятор измеряет (короткий) интервал между событием запуска и следующим событием часов, а второй интерполятор измеряет интервал между событием остановки и следующим событием часов. Основная идея имеет некоторые сложности: события запуска и остановки являются асинхронными, и одно или оба могут произойти близко к тактовому импульсу. Счетчик и интерполяторы должны согласовать совпадение событий начала и окончания. Для достижения этой цели используются синхронизаторы.

Распространенным гибридным подходом является метод Натта . В этом примере схема точного измерения измеряет время между пусковым и конечным импульсами и соответствующим вторым ближайшим тактовым импульсом грубого счетчика ( T _start , T _stop ), обнаруженным синхронизатором (см. Рисунок). Таким образом, требуемый интервал времени равен

${\ displaystyle T = nT_ {0} + T _ {\ mathrm {start}} -T _ {\ mathrm {stop}}}$

где n - количество тактовых импульсов счетчика, а T ₀ - период грубого счетчика.

История

Измерение времени с древнейших времен играло решающую роль в понимании природы. Начиная с солнечных, песочных или водных часов, сегодня мы можем использовать часы, основанные на самых точных цезиевых резонаторах.

Первый прямой предшественник ВМТ был изобретен в 1942 году Бруно Росси для измерения времени жизни мюонов . Он был разработан как преобразователь времени в амплитуду , постоянно заряжающий конденсатор в течение измеряемого интервала времени. Соответствующее напряжение прямо пропорционально исследуемому интервалу времени.

Хотя основные концепции (такие как методы Вернье ( Pierre Vernier 1584-1638) и растяжение времени) разделения времени на измеримые интервалы все еще актуальны, их реализация сильно изменилась за последние 50 лет. Начиная с вакуумных ламп и трансформаторов с ферритовым сердечником, эти идеи сегодня воплощаются в конструкциях дополнительных металл-оксид-полупроводник ( КМОП ).

Ошибки

Некоторая информация из

Что касается даже представленных точных методов измерения, все же есть ошибки, которые можно удалить или хотя бы рассмотреть. Нелинейность преобразования времени в цифровое преобразование, например, можно определить, выполнив большое количество измерений пуассоновского распределенного источника (статистический тест плотности кода). Небольшие отклонения от равномерного распределения выявляют нелинейности. Неудобно, что метод статистической плотности кода довольно чувствителен к изменениям внешней температуры. Таким образом , рекомендуется использовать схемы стабилизации задержки или фазовой автоподстройки частоты (DLL или PLL).

Аналогичным образом  могут быть устранены ошибки смещения (ненулевые показания при T = 0).

Для длительных интервалов времени большую роль играет ошибка из-за нестабильности опорных часов ( джиттер ). Таким образом, для таких ВЦП необходимы часы высшего качества.

Кроме того, внешние источники шума могут быть устранены при постобработке с помощью надежных методов оценки .

Конфигурации

ВМТ в настоящее время строятся как автономные измерительные устройства в физических экспериментах или как системные компоненты, такие как карты PCI. Они могут состоять из дискретных или интегральных схем.

Конструкция схемы изменяется в зависимости от цели ВМТ, которая может быть либо очень хорошим решением для одноразовых ВМТ с длинными мертвыми временами, либо некоторым компромиссом между мертвым временем и разрешением для многозадачных ВМТ.

Генератор задержки

Сходство между ВМТ (внизу) и генератором задержки (вверху, но требуется внизу для запуска). Строб стробируется генератором, чтобы избежать гонки с битом переноса.

Преобразователь времени в цифровой измеряет время между событием запуска и событием остановки. Также имеется цифро-временной преобразователь или генератор задержки . Генератор задержки преобразует число во временную задержку. Когда на вход генератора задержки поступает пусковой импульс, он выдает стоп-импульс после заданной задержки. Архитектура TDC и генераторов задержки схожа. Оба используют счетчики для длительных стабильных задержек. Оба должны учитывать проблему ошибок квантования тактовой частоты.

Например, Tektronix 7D11 Digital Delay использует архитектуру счетчика. Цифровая задержка может быть установлена ​​от 100 нс до 1 с с шагом 100 нс. Аналоговая схема обеспечивает дополнительную точную задержку от 0 до 100 нс. Опорная частота 5 МГц управляет контуром фазовой автоподстройки частоты для получения стабильной частоты 500 МГц. Именно эти быстрые часы стробируются стартовым событием (с мелкой задержкой) и определяют основную ошибку квантования. Быстрые часы делятся на 10 МГц и поступают на основной счетчик. Ошибка квантования прибора зависит в первую очередь от тактовой частоты 500 МГц (шаг 2 нс), но могут присутствовать и другие ошибки; прибор должен иметь джиттер 2,2 нс . Время перезарядки 575 нс.

Подобно тому, как TDC может использовать интерполяцию, чтобы получить разрешение более одного периода тактовой частоты, генератор задержки может использовать аналогичные методы. Hewlett-Packard 5359A с высоким разрешением Время задержки обеспечивает синтезатор от 0 до 160 мсов, имеет точность 1 нс, и достигает типичный джиттер 100 пса. В конструкции используется синхронизируемый генератор с фазовой автоподстройкой частоты, работающий на частоте 200 МГц. Интерполяция выполняется с помощью линейного нарастания, 8-битного цифро-аналогового преобразователя и компаратора. Разрешение около 45 пс.

При получении пускового импульса выполняется обратный отсчет и выводится стоп-импульс. Для низкого джиттера синхронного счетчик должен кормить нулевой флаг от самого значимого бита до младшего значащего бита , а затем объединить его с выходными сигнала от счетчика Джонсона.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) может быть использована для достижения разрешения суб-цикла, но проще в использовании либо нониусом счетчиков Джонсона или бегущей волны счетчики Johnson.

Генератор задержки может использоваться для широтно-импульсной модуляции , например, для управления полевым МОП-транзистором для загрузки ячейки Поккельса в течение 8 нс определенным зарядом.

Выходной сигнал генератора задержки может блокировать цифро-аналоговый преобразователь, что позволяет генерировать импульсы переменной высоты. Это позволяет согласовывать низкие уровни, необходимые для аналоговой электроники, более высокие уровни для ECL и даже более высокие уровни для TTL . Если последовательность ЦАП запускается последовательно, могут быть сгенерированы импульсы переменной формы для учета любой передаточной функции.

Смотрите также

• Частота дискретизации
• Мультивибратор
• ЛИДАР
• Время полета

Рекомендации

Внешние ссылки

• US 3983481 , Натт, Рональд; Келли Милам и Чарльз Уильямс, "Цифровой интервалометр", опубликованный 4 августа 1975 г., выпущенный 18 сентября 1976 г. 
• US 3133189 , Бэгли, Алан С. и Меррилл У. Бруксби, «Электронный интерполирующий счетчик для измерения временного интервала и частоты», опубликовано 5 августа 1960 г., выпущено 12 мая 1964 г. 
• US 2665411 , Frady, William E., Jr., «Метод двойной интерполяции и устройство для измерения временных интервалов», опубликовано 15 марта 1951 г., выпущено 5 января 1954 г. 
• US 2665410 , Burbeck, Donald W., «Метод и устройство для автоматического измерения временных интервалов», опубликовано 15 марта 1951 г., выпущено 5 января 1954 г. 
• US 2560124 , Мофенсон, Джек, «Система измерения интервалов», опубликовано 31 марта 1950 г., выпущено 10 июля 1951 г. 
• http://www.freepatentsonline.com/8324952.html
• КМОП бегущей волны
• каскод nFET бегущей волны
• http://www.febo.com/pages/hp5370b/
• http://www.g8wrb.org/useful-stuff/time/HP-5370B/
• http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/timing/artyukh_time_interval_counter.pdf
• http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/time_interval_measurements.pdf
• http://tycho.usno.navy.mil/ptti/1994/Vol%2026_22.pdf
• http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/English/AN002_e.pdf
• Сальваторе, Лоффредо (2010), Проектирование, создание и испытания преобразователя времени в цифровой преобразователь с высоким разрешением и высоким динамическим диапазоном Università degli studi Roma Tre, Scuola Dottorale in Scienze Matematiche e Fisiche
• Калиш, Йозеф; Шплет, Рышард; Пелка, Рышард (август 1997 г.), «Одночиповый счетчик времени интерполяции с разрешением 200 пс и диапазоном 43 с», IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , IEEE, 46 (4): 851–856, doi : 10.1109 / 19.650787 , ISSN  0018-9456
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tdc7200.pdf