一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法技术

本发明专利技术公开了一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，时间数字转换器包括抽头延迟链模块、粗精接口电路模块、游标卡尺型延迟链模块和编码电路模块。抽头延迟链模块和游标卡尺型延迟链模块用于对反馈信号和参考时钟信号的误差进行量化；粗精接口电路模块对抽头延迟链模块的量化结果作出选择，再传输给游标卡尺型延迟链模块，减小由第一级时间数字转换器传递至第二级时间数字转换器的延迟误差，使两级时间数字转换器的量化结果更精确；编码电路模块，通过全数字逻辑电路将延迟链输出转换成为二进制输出。本发明专利技术结构和设计简单，具有抽头延迟链较宽的动态范围和游标卡尺型延迟链较高的分辨率两种优点，且芯片面积较小、速率快。速率快。速率快。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法


[0001]本专利技术涉及集成电路设计，尤其涉及一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法。

技术介绍

[0002]时间数字转换器(Time to Digital Converter，TDC)是一种将时间间隔转换为数字信号的器件，可以用来计量两个输入信号之间的相位差。
[0003]中国专利：CN111313902A，2020.06.19(参考文献1)公开了一种时间数字转换器及其转换方法，该时间数字转换器包括：y个快延迟单元和x个慢延迟单元，用于建立两条延时不一样的延时链路；y个快延时开关和x个慢延时开关，用于控制逐次比较时的接入的延迟单元；一个仲裁器，用于仲裁时间差；一个逐次逼近逻辑电路，用于查找权重映射逻辑表。此结构可以减小仲裁器的数量以减小面积，但是动态范围较小，从输入到输出需要多个周期，效率相对较低，分辨率高需要极长的延时链，面积会更大。
[0004]为了克服这些问题，需要设计出拥有高速率、高分辨率、宽动态范围和量化结果准确的时间数字转换器。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，本专利技术结构和设计简单，高速率，可测动态范围大，高分辨率，实现时芯片面积更小。
[0006]技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术的一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，该两级时间数字转换器包括抽头延迟链模块、粗精接口电路模块、游标卡尺型延迟链模块、编码电路模块；反馈信号和参考时钟信号输入到抽头延迟链模块，抽头延迟链模块通过粗精接口电路模块与游标卡尺型延迟链模块相连，编码电路模块将抽头延迟链模块和游标卡尺型延迟链模块的输出转换成二进制码；
[0007]一种时间数字转换方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、采用抽头延迟链模块对反馈信号和参考时钟信号的时间差进行粗略测量，输出位宽为N1的测量数据Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]和延迟信号E[0],E[1],
…
,E[N1‑
1]；
[0009]步骤2、采用粗精接口电路模块对抽头延迟链模块测量产生的剩余时间差进行处理，得到第一粗精接口输出信号和第二粗精接口输出信号，传递给游标卡尺型延迟链模块；
[0010]步骤3、采用游标卡尺型延迟链模块对第一粗精接口输出信号和第二粗精接口输出信号进行量化，得到位宽为N2的测量数据P[1],P[2],
…
,P[N2]；
[0011]步骤4、将步骤1抽头延迟链模块的测量数据Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]和步骤3的游标卡尺型延迟链模块的测量数据P[1],P[2],
…
,P[N2]输入到编码电路模块，实现将测量数据转换为固定位宽、有权位的二进制输出，此二进制输出作为最终时间数字转换器的输出。
[0012]进一步的，所述抽头延迟链模块即粗量延迟链模块，包括N1级依次连接的延迟单
元和N1+1级D触发器，具体结构为：反馈信号输入到第0级D触发器和第1级延迟单元的输入端，第1级延迟单元后面依次连接到第N1级延迟单元；除第1级延迟单元外其他延迟单元的输入端连接上一级延迟单元的输出端，每个延迟单元的输出端连接到相应的D触发器输入端，所有N1+1级D触发器时钟端输入参考时钟信号；N1+1级D触发器的输出信号Q[0],Q[1],
…
,Q[N1]，输出到粗精接口电路模块中第二粗精接口，其中Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]组成位宽为N1的测量数据作为抽头延迟链模块的输出，并输出给编码电路模块；N1级延迟单元的输出组成位宽为N1的延迟信号E[0],E[1],
…
,E[N1‑
1]，输出到粗精接口电路模块中第一粗精接口。
[0013]进一步的，所述粗精接口电路模块包括第一粗精接口和第二粗精接口，第一粗精接口包括第一延迟单元、第一32选1选择器、第一2选1选择器和第一D触发器；第一粗精接口的输入即第一延迟单元的输入是抽头延迟链模块中延迟单元的输出，第一延迟单元的输出连接到第一32选1选择器，第一32选1选择器的输出连接到第一2选1选择器，第一2选1选择器的另外一个输入端接地电平，第一2选1的选择器的输出连接到第一D触发器的采样端，第一D触发器的数据端连接高电平，第一D触发器输出第一粗精接口输出信号连接到游标卡尺型延迟链模块的慢延迟链输入端；
[0014]第二粗精接口包括第二延迟单元，第二32选1选择器，第二2选1选择器和第三延迟单元，第二粗精接口的输入即第二延迟单元的输入是抽头延迟链模块中N1+1级D触发器的输出，第二延迟单元的输出连接到第二32选1选择器，第二32选1选择器的输出连接到第二2选1选择器，第二2选1选择器的另外一个输入端接地电平，第二2选1选择器的输出连接到第三延迟单元，第三延迟单元输出第二粗精接口输出信号连接到游标卡尺型延迟链模块的快延迟链输入端。
[0015]进一步的，所述游标卡尺型延迟链模块即精量延时链模块包括慢延迟链和快延迟链，具体结构为：慢延迟链中N2级慢延迟单元相连，第1级慢延迟单元的输入端连接第一粗精接口的输出端，快延迟链中有N2级快延迟单元相连，第1级快延迟单元的输入端连接第二粗精接口的输出端，每个慢延迟单元输出端和快延迟单元输出端分别连接到相应D触发器的输入端和时钟端；N2级D触发器的输出P[1],P[2],
…
,P[N2]组成位宽为N2的数据作为游标卡尺型延迟链模块的输出，输出给编码电路模块。
[0016]进一步的，所述编码电路模块即温度码编码电路，其中包括M级依次连接的全加器电路模块。
[0017]进一步的，所述步骤2具体包括：
[0018]步骤2.1、第一粗精接口中的第一32选1选择器对经过第一延迟单元后的延迟信号进行选择，第一32选1选择器的选择使能信号来自编码电路模块的二进制输出；
[0019]步骤2.2、根据步骤2.1中第一32选1选择器输出结果，第一2选1选择器在Q[0]的使能下选择是否将第一32选1选择器的选择结果进行输出：在Q[0]为0时，输出结果为0；在Q[0]为1时，输出第一32选1选择器的输出结果；
[0020]步骤2.3、第一2选1选择器输出结果输出到第一D触发器的采样端，去采样高电平信号，第一D触发器输出即第一粗精接口输出信号作为游标卡尺型延迟链模块中慢延迟链的输入信号；
[0021]步骤2.4、第二粗精接口中的第二32选1选择器对经过第二延迟单元的信号进行选
择，第二32选1选择器的选择使能信号来自编码电路模块的二进制输出；
[0022]步骤2.5、根据步骤2.4第二32选1选择器输出结果，第二2选1选择器在Q[0]的使能下选择是否将第二32选1选择器的选择结果进行输出：在Q[0]为0时，输出结果为0；在Q[0]为1时，输出第二32选1选择器的输出结果；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，其特征在于，该两级时间数字转换器包括抽头延迟链模块(100)、粗精接口电路模块(300)、游标卡尺型延迟链模块(200)、编码电路模块(101)；反馈信号和参考时钟信号输入到抽头延迟链模块(100)，抽头延迟链模块(100)通过粗精接口电路模块(300)与游标卡尺型延迟链模块(200)相连，编码电路模块(101)将抽头延迟链模块(100)和游标卡尺型延迟链模块(200)的输出转换成二进制码；一种时间数字转换方法包括以下步骤：步骤1、采用抽头延迟链模块(100)对反馈信号和参考时钟信号的时间差进行粗略测量，输出位宽为N1的测量数据Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]和延迟信号E[0],E[1],
…
,E[N1‑
1]；步骤2、采用粗精接口电路模块(300)对抽头延迟链模块(100)测量产生的剩余时间差进行处理，得到第一粗精接口输出信号(clk1)和第二粗精接口输出信号(clk2)，传递给游标卡尺型延迟链模块(200)；步骤3、采用游标卡尺型延迟链模块(200)对第一粗精接口输出信号(clk1)和第二粗精接口输出信号(clk2)进行量化，得到位宽为N2的测量数据P[1],P[2],
…
,P[N2]；步骤4、将步骤1抽头延迟链模块(100)的测量数据Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]和步骤3的游标卡尺型延迟链模块(200)的测量数据P[1],P[2],
…
,P[N2]输入到编码电路模块(101)，实现将测量数据转换为固定位宽、有权位的二进制输出，此二进制输出作为最终时间数字转换器的输出。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，其特征在于，所述抽头延迟链模块(100)即粗量延迟链模块，包括N1级依次连接的延迟单元和N1+1级D触发器，具体结构为：反馈信号输入到第0级D触发器和第1级延迟单元的输入端，第1级延迟单元后面依次连接到第N1级延迟单元；除第1级延迟单元外其他延迟单元的输入端连接上一级延迟单元的输出端，每个延迟单元的输出端连接到相应的D触发器输入端，所有N1+1级D触发器时钟端输入参考时钟信号；N1+1级D触发器的输出信号Q[0],Q[1],
…
,Q[N1]，输出到粗精接口电路模块(300)中第二粗精接口，其中Q[1],Q[2],
…
,Q[N1]组成位宽为N1的测量数据作为抽头延迟链模块(100)的输出，并输出给编码电路模块(101)；N1级延迟单元的输出组成位宽为N1的延迟信号E[0],E[1],
…
,E[N1‑
1]，输出到粗精接口电路模块(300)中第一粗精接口。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率的两级时间数字转换器及转换方法，其特征在于，所述粗精接口电路模块(300)包括第一粗精接口和第二粗精接口，第一粗精接口包括第一延迟单元(102)、第一32选1选择器(103)、第一2选1选择器(104)和第一D触发器(105)；第一粗精接口的输入即第一延迟单元(102)的输入是抽头延迟链模块(100)中延迟单元的输出，第一延迟单元(102)的输出连接到第一32选1选择器(103)，第一32选1选择器(103)的输出连接到第一2选1选择器(104)，第一2选1选择器(104)的另外一个输入端接地电平(GND1)，第一2选1的选择器(104)的输出连接到第一D触发器(105)的采样端，第一D触发器(105)的数据端连接高电平(VDD)，第一D触发器(105)输出第一粗精接口输出信号(clk1)连接到游标卡尺型延迟链模块(200)的慢延迟链输入端；第二粗精接口包括第二延迟单元(106)，第二32选1选择器(107)，第二2选1选择器(108)和第三延迟单元(109)，第二粗精接口的输入即第二延迟单元(106)的输入是抽头延迟链...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐路，陈小云，张芳浪，张有明，唐旭升，李伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：