Введение
В электронной аппаратуре и обработке сигналов, время-цифровой преобразователь (TDC) – это устройство для регистрации событий и предоставления цифрового представления момента их возникновения. Например, TDC может выдавать время прихода каждого входящего импульса. В некоторых приложениях требуется измерять интервал времени между двумя событиями, а не абсолютное время. В электронике время-цифровые преобразователи (TDC) или цифровые измерители времени – это устройства, обычно используемые для измерения временного интервала и преобразования его в цифровой (двоичный) выходной сигнал. В отдельных случаях интерполирующие TDC также называют счетчиками времени (TC). TDC используются для определения временного интервала между двумя сигнальными импульсами (известными как импульс старта и импульс стопа). Измерение начинается и останавливается при пересечении нарастающим или спадающим фронтом импульса сигнала заданного порога. Такая схема применяется во многих физических экспериментах, например, в измерениях времени пролета и времени жизни в атомной и высокоэнергетической физике, в экспериментах с лазерной локацией и в электронных исследованиях, связанных с тестированием интегральных схем и высокоскоростной передачей данных. В полностью цифровой фазовой автоподстройке частоты (ADPLL), TDC измеряет фазовый сдвиг, а его результат используется для регулировки цифрового генератора, управляемого напряжением (DCO).
Грубое измерение
Если требуемое временное разрешение невысокое, то для осуществления преобразования можно использовать счетчики.
Основной счетчик
В своей простейшей реализации, TDC представляет собой высокочастотный счетчик, который увеличивается с каждым тактовым циклом. Текущее значение счетчика отражает текущее время. При возникновении события значение счетчика захватывается в выходной регистр. В этом подходе измерение выражается целым числом тактовых циклов, поэтому точность измерения ограничена периодом тактового сигнала. Для достижения более высокого разрешения требуется более быстрый тактовый сигнал. Точность измерения зависит от стабильности частоты тактового сигнала. Как правило, в TDC используется опорная частота кварцевого генератора для обеспечения хорошей долгосрочной стабильности. Высокостабильные кварцевые генераторы обычно имеют относительно низкую частоту, например, 10 МГц (что соответствует разрешению 100 нс). Для повышения разрешения можно использовать умножитель частоты в фазовой петле обратной связи для генерации более быстрого тактового сигнала. Например, можно умножить опорную частоту кварцевого генератора на 100, чтобы получить тактовую частоту 1 ГГц (с разрешением 1 нс).
Технология противодействия
Высокие тактовые частоты накладывают дополнительные ограничения на конструкцию счетчика: если тактовый период короткий, то обновление значения счетчика затруднено. Бинарные счетчики, например, требуют быстрой схемы переноса, поскольку по сути они прибавляют единицу к предыдущему значению счетчика. Решением является использование гибридной архитектуры счетчика. Счетчик Джонсона, например, представляет собой быстрый недвоичный счетчик. Его можно использовать для очень быстрого подсчета младших разрядов, а для накопления старших разрядов можно использовать более традиционный двоичный счетчик. Быстрый счетчик иногда называют делителем частоты (предделителем). Скорость счетчиков, изготовленных по CMOS-технологии, ограничена емкостью между затвором и каналом, а также сопротивлением канала и проводников. Произведение этих величин определяет частоту среза. Современные технологии производства микросхем позволяют внедрять в чип несколько металлических слоев и, следовательно, катушки с большим количеством витков. Это позволяет разработчикам оптимизировать устройство для определенной частоты, которая может быть выше частоты среза исходного транзистора. Оптимизированным вариантом счетчика Джонсона является счетчик бегущей волны, который также обеспечивает субцикловое разрешение. Другие методы достижения субциклового разрешения включают аналого-цифровые преобразователи и счетчики Джонсона с нониусом.
Измерение временного интервала
В большинстве случаев пользователю требуется не просто зафиксировать произвольный момент наступления события, а измерить временной интервал – время между началом и окончанием события. Это можно сделать, измерив произвольный момент времени начала и окончания событий, а затем вычтя одно из другого. Результат измерения может отличаться на два счета. Вычитания можно избежать, если счетчик удерживается в нулевом состоянии до момента начала события, считает в течение интервала и останавливается после окончания события. Грубые счетчики основаны на опорных тактовых генераторах с сигналами, генерируемыми на стабильной частоте. Эти схемы измеряют долю периода тактового сигнала, то есть время между тактовым импульсом и измеряемым событием. Интерполяционным схемам часто требуется значительное время для выполнения своей функции, поэтому для следующего измерения TDC необходим период покоя.
Интерполятор на рампе
Если подсчет невозможен из-за слишком высокой частоты тактирования, можно использовать аналоговые методы. Аналоговые методы часто применяются для измерения интервалов от 10 до 200 нс. В этих методах обычно используется конденсатор, который заряжается в течение измеряемого интервала. Изначально конденсатор разряжается до нуля вольт. При возникновении события старта конденсатор заряжается постоянным током I1, который вызывает линейное увеличение напряжения v на конденсаторе со временем. Нарастающее напряжение называется быстрым фронтом. При возникновении события остановки зарядный ток прекращается. Напряжение на конденсаторе v прямо пропорционально временному интервалу T и может быть измерено с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Разрешение такой системы составляет от 1 до 10 пс. Хотя можно использовать отдельный АЦП, ступень АЦП часто интегрируется в интерполятор. Второй постоянный ток I2 используется для разряда конденсатора с постоянной, но значительно меньшей скоростью (медленный фронт). Скорость медленного фронта может быть в 1/1000 раза меньше скорости быстрого фронта. Этот разряд эффективно "растягивает" временной интервал, увеличивая время, необходимое для разряда конденсатора до нуля вольт, в 1000 раз. Растянутый интервал можно измерить с помощью счетчика. Измерение аналогично преобразователю двойного наклона. Преобразование двойного наклона может занимать много времени – в описанной схеме около тысячи тактов. Это ограничивает частоту проведения измерений (мертвое время). Для достижения разрешения 1 пс при частоте тактирования 100 МГц (10 нс) требуется коэффициент растяжения 10 000, что подразумевает время преобразования 150 мкс. Кроме того, интерполятор должен калибровать высоту фронта относительно периода тактирования.
Интерполятор Вернье
Метод Вернье более сложный. Он включает в себя запускаемый генератор и схему совпадения. В момент события сохраняется значение счетчика тактов, и запускается генератор. Запущенный генератор имеет немного отличающуюся частоту от тактового генератора. Для примера, предположим, что период запущенного генератора на 1 нс меньше, чем период тактового генератора. Если событие произошло через 67 нс после последнего тактового импульса, то переход запущенного генератора будет смещаться на -1 нс после каждого последующего тактового импульса. Таким образом, запущенный генератор будет находиться на отметке 66 нс после следующего тактового импульса, на 65 нс после второго тактового импульса и так далее. Детектор совпадений определяет момент, когда переходы запущенного генератора и тактового генератора происходят одновременно, и это указывает на дробную часть времени, которую необходимо добавить. Разработка интерполятора более сложна. Запускаемый генератор должен быть откалиброван по тактовому генератору. Он также должен запускаться быстро и четко.
Метод Вернье
Метод Вернье – это цифровая версия метода растяжения времени. Два слегка расстроенных осциллятора (с частотами и ) начинают генерацию сигналов с момента поступления стартового и стоп-сигнала. Как только передние фронты сигналов осцилляторов совпадают, измерение завершается, и количество периодов осцилляторов ( и соответственно) определяет исходный интервал времени :
Поскольку создание высоконадежных осцилляторов со стабильной и точной частотой остается сложной задачей, метод Вернье также реализуется с помощью двух линий задержки с отводами, использующих два немного отличающихся времени задержки ячейки. Такая конфигурация называется дифференциальной линией задержки или линией задержки Вернье. В представленном примере первая линия задержки, связанная со стартовым сигналом, содержит ячейки D-триггеров с задержкой , которые изначально установлены в прозрачное состояние. При прохождении стартового сигнала через одну из этих ячеек сигнал задерживается на , и состояние триггера фиксируется как прозрачное. Вторая линия задержки, относящаяся к стоп-сигналу, состоит из последовательности неинвертирующих буферов с задержкой. Распространяясь по каналу, стоп-сигнал фиксирует состояние триггеров линии задержки стартового сигнала. Как только стоп-сигнал догоняет стартовый сигнал, последний останавливается, и все оставшиеся триггеры фиксируются в непрозрачном состоянии. Аналогично случаю с осцилляторами, требуемый интервал времени определяется как
где n – количество ячеек, находящихся в прозрачном состоянии.
Цифровая TDC на основе линии задержки
В целом, цифровой временной дискриминатор (TDC), основанный на линии задержки, также известный как отводимая линия задержки, содержит цепочку ячеек (например, D-триггеров, как показано на рисунке) с четко определенными временами задержки. Стартовый сигнал распространяется по этой цепочке и последовательно задерживается каждой ячейкой. Количество ячеек, через которые стартовый сигнал успевает пройти к моменту поступления сигнала остановки, будет равно (округленному) интервалу времени между стартовым и стоп-сигналами, деленному на .
Гибридное измерение
Счетчики могут измерять длительные интервалы, но имеют ограниченное разрешение. Интерполяторы обладают высоким разрешением, но не способны измерять длительные интервалы. Гибридный подход позволяет достичь как длительных интервалов, так и высокого разрешения. В данном примере схема точного измерения измеряет время между импульсом старта и импульсом стопа, а также соответствующий ближайший тактовый импульс грубого счетчика (Tstart, Tstop), определяемый синхронизатором (см. рисунок). Таким образом, искомый временной интервал равен
где n – количество тактовых импульсов счетчика, а T0 – период грубого счетчика.
История
Измерение времени играло решающую роль в понимании природы с самых древних времен. Начиная с солнечных, песчаных или водных часов, мы пришли к использованию современных часов, основанных на самых точных цезиевых резонаторах. Первый прямой предшественник модуля измерения времени (TDC) 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 временного интервала. Соответствующее напряжение напрямую пропорционально рассматриваемому временному интервалу. Хотя базовые концепции (такие как методы Вернье (Пьер Вернье, 1584–1638) и растяжение времени) разделения времени на измеримые интервалы остаются актуальными и сегодня, их реализация значительно изменилась за последние 50 лет. От вакуумных ламп и ферритовых трансформаторов эти идеи теперь реализуются в схемах на основе комплементарных металл-оксид-полупроводниковых (CMOS) технологий.
Ошибки
Некоторая информация, полученная из небольших отклонений от равномерного распределения, выявляет нелинейности. Метод статистической плотности кода, к сожалению, достаточно чувствителен к изменениям внешней температуры. Поэтому рекомендуется использовать схемы стабилизации задержки или фазовой автоподстройки (DLL или PLL). Аналогичным образом можно устранить ошибки смещения (ненулевые отсчеты при T = 0). Для длительных интервалов времени существенную роль играет ошибка, вызванная нестабильностью опорного генератора (джиттер). Таким образом, для таких ТИЦ необходимы генераторы превосходного качества. Кроме того, внешние источники шума могут быть устранены на этапе постобработки с помощью устойчивых методов оценки.
Конфигурации
В настоящее время ТИЦ (TDC) создаются как автономные измерительные приборы в физических экспериментах или как системные компоненты, например, платы PCI. Они могут быть реализованы на дискретных или интегрированных схемах. Конструкция схемы зависит от назначения ТИЦ, что может быть оптимальным решением для однократных ТИЦ с большим временем восстановления или компромиссом между временем восстановления и разрешением для многократных ТИЦ.
Генератор задержки
Время-цифровой преобразователь измеряет время между событием начала и событием остановки. Существует также преобразователь времени в цифровой код, или генератор задержки. Генератор задержки преобразует числовое значение во временную задержку. Когда генератор задержки получает начальный импульс на входе, он выдает конечный импульс после заданной задержки. Архитектуры время-цифровых преобразователей и генераторов задержки схожи. Оба используют счетчики для создания длительных и стабильных задержек. Оба должны учитывать проблему ошибок квантования тактовой частоты. Например, цифровой задержевой генератор Tektronix 7D11 использует счетчиковую архитектуру. Задержку можно установить в диапазоне от 100 нс до 1 с с шагом 100 нс. Аналоговая схема обеспечивает дополнительную тонкую настройку задержки от 0 до 100 нс. Опорные колебания частотой 5 МГц управляют фазовой автоподстройкой (ФАП) для получения стабильных колебаний частотой 500 МГц. Именно эти быстрые колебания, ограниченные (тонко настроенным) начальным событием, определяют основную ошибку квантования. Быстрые колебания понижаются до 10 МГц и подаются на основной счетчик. Ошибка квантования прибора в основном зависит от тактовой частоты 500 МГц (шаг 2 нс), но вносят вклад и другие ошибки; для прибора заявлено значение джиттера 2,2 нс. Время рециркуляции составляет 575 нс. Так же, как время-цифровой преобразователь может использовать интерполяцию для достижения разрешения, меньшего, чем один период тактовой частоты, генератор задержки может использовать аналогичные методы. Высокоточный синтезатор времени Hewlett Packard 5359A обеспечивает задержки от 0 до 160 мс, имеет точность 1 нс и типичный джиттер 100 пс. В конструкции используется фазовый генератор, синхронизированный с опорным сигналом, работающий на частоте 200 МГц. Интерполяция выполняется с помощью линейной рампы, 8-битного цифро-аналогового преобразователя и компаратора. Разрешение составляет около 45 пс. При получении начального импульса происходит отсчет, после чего выдается конечный импульс. Для минимизации джиттера синхронный счетчик должен передавать флаг нуля от старшего бита к младшему и затем объединять его с выходом счетчика Джонсона. Для достижения разрешения меньше периода тактовой частоты можно использовать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), но проще использовать счетчики Джонсона с верньером или счетчики Джонсона с бегущей волной. Генератор задержки может использоваться для широтно-импульсной модуляции, например, для управления MOSFET для зарядки ячейки Покельса в течение 8 нс определенным зарядом. Выход генератора задержки может управлять цифро-аналоговым преобразователем, что позволяет генерировать импульсы переменной амплитуды. Это обеспечивает соответствие низким уровням, необходимым для аналоговой электроники, более высоким уровням для ЭКЛ и еще более высоким уровням для ТТЛ. Если последовательно используется серия ЦАП, можно генерировать импульсы переменной формы, учитывающие любую передаточную функцию.