高精度时间测量电路与实现

摘要：本文介绍了不同类型的时间测量方法，讨论了实现高精度时间测量所采用的电路与实现技术。通过这些方法可以实现皮秒(ps)级的时间测量，满足不同应用场合的需求。

关键词：时间测量;TDC;抽头延迟线法;游标法;电容充放电法

　　引言

时间作为一个基本物理量，在空间探索、高能物理、遥感遥测以及对流量、距离的测量等方面都有着极其重要的作用。本文讨论的时间测量是指对一个时间段的量度，也就是要完成从开始信号start到结束信号stop之间的时间间隔测量。通过电子电路实现高精度时间测量的方法有多种，此类电路的名称也很多，包括时间间隔表(TIM)、时间数字化器(time digitizer)、时间计数器(TC)、时间数字转换器(TDC)等，目前比较常用的名称是TDC[1~2]。TDC电路有不同的原理和实现方法，目前常见的方法包括抽头延迟线法、游标法及电容充放电法等。

　　基于时钟脉冲的时间测量

最简单的TDC电路就是通过时钟信号对要计量的时间范围进行采样计数，根据计数值来计算时间值，这种方法就是直接计数法，其时间计量的最小分辨率是用于计数的时钟周期。为了提高测量分辨率只能提高时钟的频率，但由于超高频率时钟信号的生成和稳定传输都比较困难，所以通过这种方法很难实现ps级的精密测量，这一弱点使得它无法在需要精密时间测量的场合使用。但这种方法经常可以和后面介绍的其他测量方法结合起来使用，互相取长补短。

　　基于抽头延迟线法的时间测量

抽头延迟线法的原理是使被测量的开始信号通过延迟线进行传输，通过抽头信号探测它在被测量时间段内传递到的位置，从而判断时间测量的结果。相邻抽头之间的信号延迟时间就是测量的最小分辨率。在电路中实现时，延迟线一般是通过延迟单元构成的，测量的分辨率就是这些单元的延迟时间。在集成电路中，通常采用的电路单元是反相器，目前常用的集成电路工艺条件下这个延迟时间可以做到大约101~102ps量级，对于大多数测量来说，这样的分辨率已经可以满足要求了。

一种基本的抽头延迟线法时间测量电路如图1所示。其中在抽头处使用停止信号对经过延迟线传输的开始信号进行采样，根据采样结果Q0~Qn(温度计型编码)就可以知道开始信号经过被测时间段传递到的位置，由此可以根据每个单元的延迟时间τ计算出被测的时间间隔。抽头延迟线法的量程由延迟线的长度(延迟单元的数量)决定。这种结构是构成很多时间测量电路的基础，通过与其他技术结合可以形成不同的实用电路形式。

　　基于游标法的时间测量

时间测量也可以采用类似机械游标卡尺的方法。它使用两条延迟线，其中单元的延迟时间分别为τ1和τ2，τ1和τ2之间有微小但固定的延迟差别，通过这两条延迟线分别对开始信号与结束信号进行传递，检测开始与结束信号在传递过程中什么时候重合，通过重合点的位置即可得到开始与结束之间的时间差。基本的游标法时间测量电路原理如图2(a)所示，其中通过触发器采样进行开始与结束信号是否重合的比较。另有一些设计中采用了专门的信号重合检测电路代替触发器，一种信号重合检测电路形式如图2(b)所示[3]，根据这种电路的两个输出信号输出1和输出2可以判断信号到达的先后次序，实现重合的判断。

　　在基本的游标法时间测量电路中，当检测到经过延迟线传输后的开始与停止信号在某点发生重合时，在Tstop – Tstart <τ1的情况下通过计算可以知道：

Tstop - Tstart = (n-1)× (τ1 – τ2)

其中n是经过的比较级数。

这种测量方法的分辨率是两条延迟线中延迟单元的时间差，即(τ1 – τ2)，在电路设计时要保证τ1 > τ2。其量程由延迟单元数量和τ1、τ2共同决定。可以看出这种方法能够实现比抽头延迟线法更高的测量分辨率，前提是保证用于测量的两条延迟线中的单元有稳定的延迟，为了达到这一目标常常通过PLL或DLL来产生具有稳定延迟的延迟线[4-5]。

　　基于电容充放电法的时间测量

基于电容充放电法的时间测量是利用恒流源在被测量时间段内对一个电容充电，之后的处理方法又分成两种：一种测量方法是利用两个恒流源，其中一个用于电容充电，另一个用于电容放电但是比充电恒流源小得多，开始测量时在被测时间段内用充电恒流源对电容进行充电，然后用放电恒流源对刚进行充电的电容进行放电，充电电流和放电电流的比值决定了充电时间与放电时间的比值，通过这种方法实现被测时间段的放大。经过放大的时间可以采用分辨率更低也更容易实现的方法进行计量。这种方法的原理如图3所示，图中左上角给