Кіріспе

Электрондық аспаптар мен сигналдарды өңдеуде, уақытты-цифрлық түрлендіргіш (TDC) – оқиғаларды анықтап, олардың орын алған уақытын цифрлық түрде көрсетуге арналған құрылғы. Мысалы, TDC әрбір келіп түсетін импульстің уақытын шығаруы мүмкін. Кейбір қолданулар абсолютті уақыт емес, екі оқиға арасындағы уақыт аралығын өлшеуді қажет етеді. Электроникада уақытты-цифрлық түрлендіргіштер (TDC) немесе уақыт цифрлендіргіштері жиі уақыт аралығын өлшеу және оны цифрлық (бинарлық) шығысқа түрлендіру үшін қолданылады. Кейбір жағдайларда интерполяциялық TDC-лер уақыт санауыштары (TC) деп те аталады. TDC-лер екі сигнал импульсі арасындағы уақыт аралығын (басталу және тоқтату импульсі деп аталады) анықтау үшін пайдаланылады. Өлшеу сигнал импульсінің өсу немесе төмендеу жиегі белгілі бір шекті мәннен өткен кезде басталып, тоқтатылады. Бұл үлгі көптеген физикалық тәжірибелерде кездеседі, мысалы, ұшу уақытын және атомдық және жоғары энергиялық физикадағы өмір сүру ұзақтығын өлшеу, лазерлік қашықтық өлшеу және интегралдық схемаларды сынау, сондай-ақ жоғары жылдамдықты деректерді беруді қамтитын электрондық зерттеулер. Толық цифрлық фазалық құлыпталған контурда (ADPLL), TDC фазалық ығысуды өлшейді және оның нәтижесі цифрлық басқарылатын генераторды (DCO) реттеу үшін қолданылады.

Қиын өлшеу

Егер қажетті уақыт шешімі жоғары болмаса, айналдыруды жүзеге асыру үшін тілгіштерді қолдануға болады.

Негізгі санаушы

Ең қарапайым нұсқасында, TDC – әрбір сағат циклі сайын санайтын жоғары жиілікті санаушы. Санаушының ағымдағы мәні – ағымдағы уақытты көрсетеді. Бірдеңе болғанда, санаушының мәні шығыс тіркегіште сақталады. Осы тәсілмен өлшеу сағат циклдарының толық санымен белгіленеді, сондықтан өлшеу сағат периодына қарай дискреттеледі. Жоғарырақ ажыратымдылық алу үшін жылдам сағат керек. Өлшеудің дәлдігі сағат жиілігінің тұрақтылығына байланысты. Әдетте, TDC ұзақ мерзімді тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін кристалл осцилляторының эталондық жиілігін пайдаланады. Жоғары тұрақтылыққа ие кристалл осцилляторлары көбінесе 10 МГц (немесе 100 нс ажыратымдылық) сияқты салыстырмалы түрде төмен жиілікті болады. Жақсырақ ажыратымдылық алу үшін фазалық құлыпталған тізбектің жиілік көбейткіші қолданылуы мүмкін. Мысалы, кристаллдық эталондық осцилляторды 100 есе көбейту арқылы 1 ГГц (1 нс ажыратымдылық) сағат жиілігіне қол жеткізуге болады.

Есептеу технологиясы

Сағаттың жоғары жиілігі санауға қосымша конструкциялық шектеулер қояды: егер сағат периоды қысқа болса, санақты жаңарту қиынға түседі. Мысалы, екілік санаушыларға жылдам тасымалдау архитектурасы қажет, себебі олар алдыңғы санаушы мәніне бірді қосады. Шешім – гибридтік санау архитектурасын пайдалану. Мысалы, Джонсон санауы – жылдам екілік емес санау. Оны төменгі разрядты санауды өте жылдам жүзеге асыру үшін қолдануға болады; ал жоғары разрядты санауды жинақтау үшін дәстүрлі екілік санаушыны қолдануға болады. Жылдам санаушы кейде прескалер деп аталады. CMOS технологиясымен жасалған санаушылардың жылдамдығы қақпа мен арна арасындағы сыйымдылықпен және арна мен сигнал жолдарының кедергісімен шектеледі. Екеуінің көбейтіндісі – кесу жиілігі. Қазіргі заманғы чип технологиясы бірнеше металл қабаттарын пайдалануға және де көп орамдары бар катушкаларды чипке енгізуге мүмкіндік береді. Бұл дизайнерлерге құрылғыны нақты жиілікке, бастапқы транзистордың кесу жиілігінен жоғарырақ деңгейге дейін реттеуге мүмкіндік береді. Джонсон санауышының ең жоғары нұсқасы – жылдам толқын санауышы, ол да субциклдік ажыратымдылыққа қол жеткізеді. Субциклдік ажыратымдылыққа қол жеткізудің басқа әдістеріне аналогты-цифрлық түрлендіргіштер және Вернье Джонсон санауыштары жатады.

Уақыт аралығын өлшеу

Көп жағдайда пайдаланушы оқиғаның кездейсоқ уақытын ғана тіркегісі келмейді, ал басталу оқиғасы мен тоқтату оқиғасы арасындағы уақыт аралығын өлшегісі келеді. Бұл басталу және тоқтату оқиғаларының кездейсоқ уақытын өлшеп, оларды бір-бірінен шығару арқылы жасалады. Мұндай өлшем екі санау бірлігіне дейін қате болуы мүмкін. Егер санау тілі басталу оқиғасына дейін нөлде ұсталып, аралықта санап, тоқтату оқиғасы болғаннан кейін тоқтатылса, шығару қажеттілігінен аулақ болуға болады. Жіңішке санау тілдері тұрақты жиілікте сигналдар беретін эталондық сағатқа негізделген. Бұл тізбектер сағат периодының үлесін өлшейді, яғни сағат сигналы мен өлшенетін оқиға арасындағы уақытты. Интерполяция тізбектері өз жұмысын атқару үшін көп уақытты қажет етеді, сондықтан TDC келесі өлшеуден бұрын тыныштық уақытын қажет етеді.

Рэмп интерполяторы

Санау мүмкін болмаған жағдайда, өйткені сағаттық жиілік тым жоғары болса, аналогтық әдістер қолданылуы мүмкін. Аналогтық әдістер көбінесе 10 және 200 нс аралығындағы интервалдарды өлшеу үшін пайдаланылады. Бұл әдістер өлшенетін интервал ішінде зарядталатын конденсаторды қолданады. Алдымен конденсатор нөлдік вольтқа дейін разрядталады. Басталу оқиғасы болғанда конденсатор тұрақты ток I1 арқылы зарядталады; тұрақты ток конденсатордағы кернеу v-тің уақытқа қарай сызықтық түрде өсуіне себеп болады. Кернеудің өсуі жылдам пандус деп аталады. Тоқтау оқиғасы орын алғанда зарядтау тогы тоқтатылады. Конденсатордағы v кернеуі уақыт интервалы T-ге тікелей пропорционалды және оны аналогты-цифрлық түрлендіргіш (ADC) арқылы өлшеуге болады. Мұндай жүйенің ажыратымдылығы 1-ден 10 пс-қа дейін болады. Жеке ADC қолданылуы мүмкін, бірақ ADC қадамы көбінесе интерполяторға енгізіледі. Конденсаторды тұрақты, бірақ әлдеқайда баяу жылдамдықпен (баяу пандус) разрядтау үшін екінші тұрақты ток I2 қолданылады. Баяу пандус жылдам пандустың 1/1000 бөлігін құруы мүмкін. Бұл разряд уақыт интервалын тиімді түрде "созады"; конденсатордың нөлдік вольтқа дейін разрядталуына 1000 есе көп уақыт қажет болады. Созылған интервалды санаушымен өлшеуге болады. Бұл өлшеу екі еңісті аналогты түрлендіргішке ұқсас. Екі еңісті түрлендіру көп уақытты алуы мүмкін: жоғарыда сипатталған схемада мыңға жуық сағаттық циклдар. Бұл өлшеудің жиілігін шектейді (өлі уақыт). 100 МГц (10 нс) сағатта 1 пс ажыратымдылыққа жету үшін 10 000-ға жуық созу коэффициенті қажет, бұл 150 мкс түрлендіру уақытын білдіреді. Сондай-ақ, интерполятор пандустың биіктігін сағат периодына қарай калибрлеуі керек.

Вернье интерполяторы

Вернье әдісі күрделірек. Бұл әдіс іске қосылатын осцилляторды және сәйкестік тізбегін қамтиды. Оқиға кезінде сағаттың толық саны сақталады және осциллятор іске қосылады. Іске қосылған осциллятордың жиілігі сағат осцилляторынан сәл өзгеше. Мысал үшін, іске қосылған осциллятордың периоды сағаттан 1 нс артық десек. Егер оқиға соңғы сағаттан кейін 67 нс-та болса, онда іске қосылған осциллятордың өтуі әрбір келесі сағат импульсінен кейін -1 нс-қа жылжиды. Іске қосылған осциллятор келесі сағаттан кейін 66 нс-та, екінші сағаттан кейін 65 нс-та болады, және т.б. Сәйкестік детекторы іске қосылған осциллятордың және сағаттың бір уақытта өтуін анықтайды, және бұл қосылуы тиіс уақыттың үлесін көрсетеді. Интерполятордың дизайны күрделірек. Іске қосылатын сағатты сағатқа калибрлеу қажет. Ол сондай-ақ жылдам және анық іске қосылуы керек.

Вернье әдісі

Вернье әдісі – уақыт созу әдісінің цифрлық нұсқасы. Екі өте аз ауытқыған осциллятор (жиіліктері – және ) бастау және тоқтату сигналы келген кезде сигналдарын бастайды. Осциллятор сигналдарының бастапқы жиектері сәйкес келгенде өлшеу аяқталады және осцилляторлардың периодтарының саны (сәйкесінше және ) бастапқы уақыт аралығын анықтайды:

Жоғары сенімді және тұрақты жиілігі бар осцилляторларды жасау әлі де қиындық тудырғандықтан, Вернье әдісі екі сәл әртүрлі жасуша кешіктіру уақытын пайдаланатын екі таңылған кідіру желісі арқылы да жүзеге асырылады. Бұл конфигурация дифференциалды кідіру желісі немесе Вернье кідіру желісі деп аталады. Осы мысалда ұсынылғанда, бастау сигналымен байланысты бірінші кідіру желісі бастапқыда мөлдір күйге орнатылған D-флип-флоп жасушаларынан тұрады, олардың әрқайсысы кешіктіруге ие. Бастау сигналы осы жасушалардың бірінен өткенде, сигнал кешіктіріледі және флип-флоптың күйі мөлдір ретінде тіркеледі. Тоқтату сигналына жататын екінші кідіру желісі инверсияланбаған буферлер тізбегінен құралған, олардың әрқайсысы кешіктіруге ие. Оның арнасы арқылы өтетін тоқтату сигналы бастау сигналының кідіру желісіндегі флип-флоптарды бекітеді. Тоқтату сигналы бастау сигналынан өткенде, соңғысы тоқтатылады және қалған барлық флип-флоптардың күйі мөлдір емес ретінде тіркеледі. Жоғарыдағы осцилляторлардың жағдайына ұқсас, ізделінетін уақыт аралығы n мөлдір деп белгіленген жасушалардың санымен анықталады:

Цифрлық кідірту желісіне негізделген TDC

Жалпы, цифрлық кідіру желісіне негіделген TDC, сонымен қатар, дискретті кідіру желісі деп те аталады, жақсы анықталған кідіру уақыттары бар ұяшықтар тізбегін (мысалы, суретте D-триггерлерді пайдалану) қамтиды. Басталу сигналы осы тізбек бойынша таралады және әрбір ұяшықта белгілі бір мөлшерде кідіріледі. Тоқтату сигналы келген кезде басталу сигналы өткен ұяшықтардың саны, басталу және тоқтату сигналдары арасындағы (дөңгеленген) уақыт аралығын көрсетеді.

Гибридті өлшеу

Санағыштар ұзақ интервалдарды өлшеуге қабілді, бірақ олардың ажыратымдылығы шектеулі. Интерполяторлар жоғары ажыратымдылыққа ие, бірақ ұзақ интервалдарды өлшеуге келмейді. Гибридтік тәсіл ұзақ интервалдар мен жоғары ажыратымдылыққа бірдей қол жеткізуге мүмкіндік береді. Осы мысалда, ұсақ өлшеу тізбегі басталу және тоқтату импульсі арасындағы уақытты, сондай-ақ синхронизатор анықтаған ірі санағыштың ең жақын екінші сағат импульсін (Tstart, Tstop) өлшейді (суретті қараңыз). Осылайша, ізделіп отырған уақыт интервалы:

мұнда n – санағыш сағат импульстарының саны, ал T0 – ірі санағыштың периоды.

Тарих

Уақытты өлшеу табиғатты түсінуде ежелгі заманнан бері маңызды рөл атқарды. Күн, құм немесе сумен жұмыс істейтін сағаттардан бастап, қазір біз ең дәл цезий резонаторларына негізделген сағаттарды пайдалана аламыз. ТДК-ның алғашқы тікелей алдыңғы үлгісін 1942 жылы Бруно Росси мюонның өмір сүру мерзімін өлшеу үшін ойлап тапты. Ол уақытты амплитудаға түрлендіретін құрылғы ретінде жасалған, өлшенген уақыт аралығында конденсаторды үнемі зарядтайтын. Сәйкес келетін кернеу зерттеліп отырған уақыт аралығына тікелей пропорционалды. Уақытты өлшеуге болатын интервалдарға бөлудің негізгі принциптері (мысалы, Вернье әдістері (Пьер Вернье 1584-1638) және уақытты созу) әлі де қолданыста болса да, соңғы 50 жылда оның іске асырылуы көп өзгерді. Вакуумдық түтіктер мен ферриттік доңғалақты трансформаторлардан бастап, бүгінде бұл идеялар толықтырылған металл-оксидті жартылай өткізгіш (CMOS) технологиясында жүзеге асырылуда.

Қателер

Біркелкі үлестірілімнен шағын ауытқулар сызықтық емес сипаттарды ашады. Статистикалық код тығыздығы әдісі сыртқы температура өзгерістеріне өте сезімтал. Сондықтан, тұрақтандыру кешіктірімі немесе фазалық құлыпталған контурлар (DLL немесе PLL) схемаларын қолдану ұсынылады. Сол сияқты, смещение қателерін (T = 0 кезінде нөлдік емес көрсеткіштер) жоюға болады. Ұзақ уақыт интервалдары үшін эталондық сағаттың тұрақсыздығынан (житер) туындайтын қате маңызды рөл атқарады. Осылайша, мұндай ТДК-лар үшін жоғары сапалы сағаттар қажет. Бұдан әрі, сыртқы шу көздерін кейін өңдеу кезінде берік бағалау әдістерімен жоюға болады.

Конфигурациялар

Қазіргі уақытта TDC физикалық эксперименттерде дербес өлшеу құрылғылары ретінде немесе PCI карталары сияқты жүйелік компоненттер ретінде құрастырылады. Олар дискретті немесе интегралды тізбектерден жасалуы мүмкін. Тізбек дизайны TDC-нің мақсатына байланысты өзгереді, бұл ұзақ өлі уақыты бар бір реттік өлшемдерге арналған TDC үшін өте жақсы шешім болуы мүмкін, ал көп реттік өлшемдерге арналған TDC үшін өлі уақыт пен ажыратымдылық арасындағы компромисс болуы мүмкін.

Келесі:

Уақытты цифрлық түрлендіргіш басталу оқиғасы мен тоқтату оқиғасы арасындағы уақытты өлшейді. Сонымен қатар, цифрлық уақытқа түрлендіргіш немесе кешіктіру генераторы да бар. Кешіктіру генераторы санды уақыт кешіктіруіне айналдырады. Егер кешіктіру генераторы кірісінде басталу импульсін алса, онда белгіленген кешіктіруден кейін тоқтату импульсін шығарады. Уақытты цифрлық түрлендіргіш (TDC) және кешіктіру генераторларының архитектурасы ұқсас. Екеуі де ұзақ және тұрақты кешіктірулер үшін есептегіштерді пайдаланады. Екеуі де сағат квантталу қателіктерінің мәселесін қарастыруы керек. Мысалы, Tektronix 7D11 Digital Delay есептегіш архитектурасын қолданады. Цифрлық кешіктіру 100 нс-тан 1 нс-қа дейін 100 нс қадамдармен орнатылуы мүмкін. Аналогтық тізбек 0-ден 100 нс-қа дейінгі қосымша ұсақ кешіктіруді қамтамасыз етеді. 5 МГц эталондық сағат 500 МГц тұрақты сағатты жасау үшін фазалық құлыпталған контурды (PLL) пайдаланады. Осы жылдам сағат (ұсақ кешіктірілген) басталу оқиғасымен кіреберісі бар және негізгі квантталу қатесін анықтайды. Жылдам сағат 10 МГц-қа дейін төмендетіліп, негізгі есептегішке беріледі. Аспаптың квантталу қатесі негізінен 500 МГц сағатына (2 нс қадам) байланысты, бірақ басқа қателер де болады; аспаптың джиттері 2,2 нс құрайды. Қайта өңдеу уақыты 575 нс. TDC бір сағат периодынан жоғары ажыратымдылық алу үшін интерполяцияны қолдана алады, ал кешіктіру генераторы да ұқсас әдістерді қолдана алады. Hewlett Packard 5359A жоғары ажыратымдылықтағы уақыт синтезаторы 0-ден 160 мс-қа дейінгі кешіктіруді қамтамасыз етеді, 1 нс дәлдікке ие және 100 пс-қа жуық джиттерге жетеді. Құрылыста 200 МГц жиілікте жұмыс істейтін фазалық құлыпталған осциллятор қолданылады. Интерполяция тік беткеймен, 8 биттік цифрлық-аналогтық түрлендіргішпен (DAC) және салыстырғышпен жүзеге асырылады. Ажыратымдылығы шамамен 45 пс. Басталу импульсі алынғанда, кері санап, тоқтату импульсін шығарады. Джиттерді азайту үшін синхронды есептегіш ең маңызды биттен ең аз маңызды битке дейін нөлдік флагты жіберуі керек, содан кейін оны Джонсон есептегішінің шығысымен біріктіруі керек. Субциклдік ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін цифрлық-аналогтық түрлендіргіш (DAC) қолданылуы мүмкін, бірақ Вернье Джонсон есептегіштерін немесе толқындық Джонсон есептегіштерін пайдалану оңайырақ. Кешіктіру генераторы импульс енін модуляциялау үшін қолданылуы мүмкін, мысалы, Pockels жасушасын 8 нс ішінде белгілі бір зарядпен жүктеу үшін MOSFET-ті басқару үшін. Бұл аналогтық электроникаға қажетті төмен деңгейлерге, ECL үшін жоғары деңгейлерге және тіпті TTL үшін одан да жоғары деңгейлерге сәйкес келеді. Егер DAC сериясы тізбектеп қосылса, кез келген беру функциясын ескере отырып, айнымалы импульс пішіндерін жасауға болады.