时间数字转换器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种时间数字转换器，它包括：测量控制电路单元、精细计数接口单元、精细计数单元、粗计数单元、校准单元、内部寄存器单元和后处理单元，精细计数单元包括环形延时链、双边沿计数器、精细计数锁存器和优先级编码器；环形延时链包括位于芯片左边最上方的一组与逻辑门和位于其它位置的至少八组非逻辑门，所述这些逻辑门按口字型摆放并首尾相接。本实用新型专利技术的时间数字转换器，可以精确测量开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔，能够同时满足高精度、大量程的性能要求，并且该时间数字转换器占空间小，偏差小。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种时间精确测量
，尤其涉及一种时间数字转换器。
技术介绍
在许多工程实际应用中，对于速度、距离的测量往往转化为时间的测量，测量时间的精度直接影响工程测量的精度，现在对各种测量仪表精度要求越来越高，一些现代化的高新测量技术如超声波传感技术应用越来越广泛，超声波顺流和逆流的时差十分微小，使得测量时间的精度要求越来越高，因此高精度的时间间隔测量在工程实际测量中占有非常重要的地位，时间数字转换是时间测量的常用电路，目前常用的时间数字转换电路TDC大多是模拟-数字混合电路，模拟电路工作在低压环境下时容易受周围噪音和动态温度的影响，导致工作不稳定。目前时间数字转换电路TDC的实现技术有时间放大技术、计数器技术、游标卡尺技术、电流积分技术、时间内插技术，单纯的使用上面所述的任何一个技术，都难以同时满足高精度、大量程的性能要求。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种时间数字转换器，该时间数字转换器能够同时满足高精度、大量程的性能要求，适合某些对精度、 量程要求高的装置和场合使用。为解决上述技术问题，本技术的技术方案是一种时间数字转换器，包括测量控制电路单元，用于给所述时间数字转换器中的其它模块电路提供控制信号，实现状态转换；精细计数接口单元，用于接收所述测量控制电路发出的脉冲信号，并将所述脉冲信号延长至时钟上升沿到来之后并启动精细计数单元开始计数，所述脉冲信号包括开始脉冲信号和停止脉冲信号，所述开始脉冲信号与停止脉冲信号之间的时间间隔为所测时间间隔；所述精细计数单元包括环形延时链、双边沿计数器、精细计数锁存器和优先级编码器；所述环形延时链包括位于芯片左边最上方的一组与逻辑门和位于其它位置的至少八组非逻辑门，所述这些逻辑门按口字型摆放并首尾相接；所述双边沿计数器，用于计量所述脉冲信号在所述环形延时链中的循环圈数作为精细计数值的高位输出；所述精细计数锁存器，用于锁定所述脉冲信号在所述环形延时链中延迟到达的位置；所述优先级编码器，用于对所述精细计数锁存器的输出信号进行编码并作为精细计数值的低位输出；粗计数单元，用于计量所测时间间隔内的时钟上升沿的数量并作为粗计数值输出；校准单元，用于对所述精细计数单元进行校准，获得一个内部基准参考时钟的校准数据；内部寄存器单元，用于存储所述粗计数单元和精细计数单元的计数结果数据、校准原始数据和后处理单元的运算结果数据；所述后处理单元，用于将所述内部寄存器单元中的数据按照如下公式进行运算 T=T。lk(Nc+(Nfl-Nf2)/Nj)，并将所述运算的结果存入所述内部寄存器单元，其中T为所述的所测时间间隔，Tclk为时钟周期，Nc为所述开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的粗计数值，Nfl为所述开始脉冲信号上升沿到随后到来的第一个时钟上升沿之间的精细计数值，Nf2为所述停止脉冲信号上升沿到随后到来的第一个时钟上升沿之间的精细计数值，Nj为所述的一个内部基准参考时钟的校准数据。作为一优选实施方式，所述的精细计数接口包括一个或门、一个与非门、一个与门、一个T触发器、第一 D触发器、第二 D触发器和第三D触发器；所述第一 D触发器、第二 D触发器和第三D触发器分别具有一个CP端、一个D端、一个Q输出端、一个使能端和一个 CLR端；所述T触发器具有一个输入端，一个时钟输入端，一个输出端；所述第一 D触发器的 Q输出端与所述或门的一个输入端连接；所述第二 D触发器的Q输出端与所述或门的另一个输入端连接；所述第三D触发器的D端与所述或门的输出端连接，所述第三D触发器的Q 输出端与所述与非门的一个输入端连接；所述或门的输出端与所述与非门的另一个输入端连接；所述与非门的输出端与所述与门的一个输入端连接；所述与门的输出端分别与所述第一 D触发器、第二 D触发器和第三D触发器的CLR端连接，所述T触发器的输入端与所述与非门的输出端连接。作为一种改进，所述精细计数单元的输出端设有串联的用于锁存的下降沿触发的第一寄存器组和用于隔离亚稳态的上升沿触发的第二寄存器组。采用了上述技术方案后，本技术的有益效果是1、由于本时间数字转换器采用了基于门延时的精细计数单元与基于时钟的粗计数单元相结合的技术，其中，基于时钟的粗计数单元采用了普通二进制计数法，耗用资源少，量程范围大；基于门延时的精细计数单元是利用非门的传输延迟来量化时间间隔，该精度精确到单个非门的延迟，可实现PS级的测量；因而，本时间数字转换器可以实现高精度， 大量程时间间隔的测量。2、由于本时间数字转换器设置了精细计数接口单元，因为开始脉冲信号、停止脉冲信号可能是尖端脉冲，精细计数接口可以使信号脉冲延长至时钟上升沿到来之后，防止开始脉冲信号、停止脉冲信号采样不到。3、在用FPGA编辑器设计环形延时链时，芯片左边最上方一组逻辑门实现与逻辑， 剩余逻辑门组成至少八个非逻辑，组合逻辑单元按照口字型摆放，环形延时链的首尾相接， 由于采用了这种结构，每组的连线长度基本相同，并且较短，保证了逻辑单元之间互连线的延时大致相等，降低连线延时对整个逻辑单元的的影响，减少由连线不完全相同引起的偏差，同时可以保证每个组合逻辑延时较小，提高测量精度；另外环形延时链的采用能够减少门电路的数量，进而减小门延时带来的时间离散性，节约资源、节省芯片面积。4、通过对精细计数单元的输出插入下降沿触发的寄存器组进行锁存，然后送入上升沿触发的寄存器组，插入的这两级寄存器组除了捕获动态锁存器的数据之外，还起到隔离亚稳态的作用。以下结合附图和实施例对本技术进一步说明。附图说明图1是本技术实施例中时间数字转换器的结构框图；图2是图1中精细计数接口单元电路；图3是图1中精细计数单元的结构图；图4是本技术实施例中时间数字转换器的环形延时链的布局图；图5是本技术实施例中时间数字转换器的测量时序图；图6是图1中测量控制电路单元的状态图；其中，201.第一 D触发器；202.第二 D触发器；203.第二 D触发器；204.或门； 205.与门；206.与非门；207. T触发器；301.与逻辑门组；302.非逻辑门组；303.精计数锁存器；304.双边沿计数器；305.粗计数锁存器；306.优先级编码器；307.第一寄存器组； 308.第二寄存器组；309.环形延时链。具体实施方式如图1所示，一种时间数字转换器，它包括测量控制电路单元、精细计数接口单元、粗计数单元、精细计数单元、校准单元、内部寄存器单元和后处理单元。如图2所示，精细计数接口单元包括一个或门204、一个与非门206、一个与门205、 一个T触发器207、第一 D触发器201、第二 D触发器202和第三D触发器203。所述第一 D触发器201、第二 D触发器202和第三D触发器203分别具有一个CP 端、一个D端、一个Q输出端、一个使能端和一个CLR端；所述T触发器207具有一个输入端，一个时钟输入端，一个输出端；所述第一 D触发器201的Q输出端与所述或门的一个输入端连接；所述第二 D触发器202的Q输出端与所述或门的另一个输入端连接；所述第三D 触发器203的D端与所述或门的输出端连接，所述第三D触发器203的Q输出端与所述与非门的一个输入端连接；所述或门204本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种时间数字转换器，其特征在于，包括：测量控制电路单元，用于给所述时间数字转换器中的其它模块电路提供控制信号，实现状态转换；精细计数接口单元，用于接收所述测量控制电路发出的脉冲信号，并将所述脉冲信号延长至时钟上升沿到来之后并启动精细计数单元开始计数，所述脉冲信号包括开始脉冲信号和停止脉冲信号，所述开始脉冲信号与停止脉冲信号之间的时间间隔为所测时间间隔；所述精细计数单元包括环形延时链、双边沿计数器、精细计数锁存器和优先级编码器；所述环形延时链包括位于芯片左边最上方的一组与逻辑门和位于其它位置的至少八组非逻辑门，所述这些逻辑门按口字型摆放并首尾相接；所述双边沿计数器，用于计量所述脉冲信号在所述环形延时链中的循环圈数作为精细计数值的高位输出；所述精细计数锁存器，用于锁定所述脉冲信号在所述环形延时链中延迟到达的位置；所述优先级编码器，用于对所述精细计数锁存器的输出信号进行编码并作为精细计数值的低位输出；粗计数单元，用于计量所测时间间隔内的时钟上升沿的数量并作为粗计数值输出；校准单元，用于对所述精细计数单元进行校准，获得一个内部基准参考时钟的校准数据；内部寄存器单元，用于存储所述粗计数单元和精细计数单元的计数结果数据、校准原始数据和后处理单元的运算结果数据；所述后处理单元，用于将所述内部寄存器单元中的数据按照如下公式进行运算：Ｔ＝Ｔｃｌｋ（Ｎｃ＋（Ｎｆ１－Ｎｆ２）／Ｎｊ），并将所述运算的结果存入所述内部寄存器单元，其中Ｔ为所述的所测时间间隔，Ｔｃｌｋ为时钟周期，Ｎｃ为所述开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的粗计数值，Ｎｆ１为所述开始脉冲信号上升沿到随后到来的第一个时钟上升沿之间的精细计数值，　Ｎｆ２为所述停止脉冲信号上升沿到随后到来的第一个时钟上升沿之间的精细计数值，Ｎｊ为所述的一个内部基准参考时钟的校准数据。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石成江，颜军，张国庆，李惠军，徐永贵，牛停举，李宝花，谭丽丽，
申请(专利权)人：山东欧龙电子科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：37