Wysokorozdzielczy konwerter czasowo-cyfrowy z próbkowaniem impulsu

• Autorzy: Szplet R. , Jarzyński S.

Warianty tytułu

EN

A high resolution time-to-digital converter based on pulse sampling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule opisane są projekt i wyniki badań konwertera czasowo-cyfrowego o rozdzielczości 9 ps i niepewności pomiarowej nie przekraczającej 31 ps. Konwerter został zrealizowany w układzie programowalnym Cyclone firmy Altera. Do konwersji czasowo-cyfrowej użyto nowatorskiej metody, w której informacja o mierzonym odcinku czasu zawarta jest w szerokości impulsu, propagującego się wielokrotnie w zamkniętej pętli opóźniającej i próbkowanego z użyciem wielofazowego zegara o wysokiej częstotliwości. Sterowanie procesem pomiarowym oraz obliczanie i przetwarzanie wyników pomiarów odbywa się z wykorzystaniem dedykowanego interfejsu użytkownika opracowanego w języku C++.W artykule opisane są projekt i wyniki badań konwertera czasowo-cyfrowego o rozdzielczości 9 ps i niepewności pomiarowej nie przekraczającej 31 ps. Konwerter został zrealizowany w układzie programowalnym Cyclone firmy Altera. Do konwersji czasowo-cyfrowej użyto nowatorskiej metody, w której informacja o mierzonym odcinku czasu zawarta jest w szerokości impulsu, propagującego się wielokrotnie w zamkniętej pętli opóźniającej i próbkowanego z użyciem wielofazowego zegara o wysokiej częstotliwości. Sterowanie procesem pomiarowym oraz obliczanie i przetwarzanie wyników pomiarów odbywa się z wykorzystaniem dedykowanego interfejsu użytkownika opracowanego w języku C++.

EN

The paper describes the design and test results of a time-to-digital converter with 9 ps resolution and measurement uncertainty below 31 ps. The converter has been implemented in a programmable device Cyclone manufactured by Altera. The time-to-digital conversion is based on sampling of a periodic square signal. Information about the measured time interval is contained in the width of a pulse that circulates in a closed delay loop and is sampled with the use of a high frequency clock. This method is innovative in the kind of application and it has not been implemented in an integrated circuit so far. In order to achieve both high resolution and high measurement uncertainty the four-phase sampling clock has been used. Such solution allows for fourfold reduction in a number of cycles in the loop and consequently to diminish the measurement error significantly. The four-phase clock has been generated with an embedded PLL functional block. An issue of fundamental importance for the successful implementation of the converter was the use of two short pulses as a representation of the begin and the end of a measured time interval instead of a single long-width pulse. In this way an unpredictable shrinking or stretching of a measured time interval by elements of the delay loop that have different propagation times for rising and falling edges has been avoided. The measurement as well as calculation and processing of obtained results are controlled with the use of dedicated user interface worked out in C++.

Słowa kluczowe

PL

precyzyjna metrologia czasu; konwerter czas-liczba; metoda próbkowania; zegar wielofazowy; układy FPGA

EN

precise time metrology; time-to-digital converter; sampling method; multiphase clock; FPGA devices

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 55, nr 8
• Strony: 642--644
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Szplet R.

autor

Jarzyński S.

• Instytut Telekomunikacji, Wojskowa Akademia Techniczna,

Bibliografia

• [1] J. Kalisz: Review of methods for time interval measurements with picosecond resolution, Metrologia, vol. 41 (2004), no. 1, pp. 35–51.
• [2] J. Jansson, A. Mantyniemi, J. Kostamovaara: A CMOS time-to-digital converter with better than 10 ps single-shot resolution, Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no 6, 2006, pp. 1286–1296.
• [3] R. Szplet, J. Kalisz, Z. Jachna: A 45 ps time digitizer with two-phase clock and dual-edge two-stage interpolation in Field Programmable Gate Array device, Measurement Science and Technology, vol. 20, no. 2 (025108), 2009, 11 pages.
• [4] S. Tisa, A. Lotito, A. Giudice, F. Zappa: Monolithic time-to-digital converter with 20 ps resolution, Proc. ESSCIRC’03, 2003, pp. 465–468.
• [5] P. Chen, S -L. Liu, J. Wu: A CMOS pulse-shrinking delay element for time interval measurement, IEEE Trans. Circuits and Systems, vol. 47, no 4, 2000, pp. 954–958.
• [6] R. Szplet, K. Klepacki: Precyzyjny konwerter czasowo-cyfrowy wykorzystujący metodę skracania impulsu zrealizowany w układzie FPGA, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 7, 2007, pp. 21–23.
• [7] D. Spencer, J, Cole, M. Drigert, R. Aryaeinejad: A high-resolution, multi-stop, time-to-digital converter for nuclear time-of-flight measurements, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 556, Elsevier 2006, pp. 291–295.
• [8] M. Fries and J. Williams: High-Precision TDC in an FPGA using a 192-MHz Quadrature Clock, Nuclear Science Symposium Conference Record, IEEE 2002, vol. 1, pp. 580–584.
• [9] R. Szplet, M. Gołaszewski: Scalony konwerter czas-liczba z użyciem metody licznikowej i zegara wielofazowego, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 08, 2008, pp. 591–593.
• [10] R. Szplet, M. Grabowski: Konwerter czas-liczba o rozdzielczości 40 ps w układzie reprogramowalnym, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 7bis, 2006, pp. 23–25.