高精度時間間隔測量技術(shù)的研究.pdf

1、高精度的時間間隔測量作為一門專業(yè)的技術(shù)學(xué)科,在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)儀器、粒子物理研究、深空通訊、激光測距、天文觀測、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事國防等領(lǐng)域的發(fā)展都離不開高精度的時間間隔測量技術(shù)。在平時生活中,時間的使用常常精確到分鐘或秒就足夠了,即便在天文衛(wèi)星測量方面,滿足測量需求的時間間隔測量也只精確到納秒。但是在很多工業(yè)生產(chǎn)、國防和粒子物理實驗中,時間間隔測量作為一種重要的鑒別和探測手段,對精度要求會比較高,己經(jīng)達(dá)到皮秒量級。因此,提

2、高時間間隔測量的精度成為了很多應(yīng)用方向的重要目標(biāo)。
　　近幾年,高精度的時間測量技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。其實現(xiàn)方法也越來越多,目前,國內(nèi)對時間測量分辨率小于1ns的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究比較少,僅有少數(shù)幾所大學(xué)從事高精度時間間隔測量的研究工作。本論文根據(jù)時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器( TDC)的基本原理,結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗,設(shè)計了一種通用性較強的時間間隔測量系統(tǒng)。本論文主要研究工作與創(chuàng)新如下:
　　1.設(shè)計了一種改進的時間-模擬轉(zhuǎn)換電路(

3、 TAC)來實現(xiàn)時間間隔測量。在以往時間-模擬轉(zhuǎn)換電路中多使用晶體管設(shè)計恒流源,而本系統(tǒng)采用集成運放設(shè)計了TAC中的大電流可控恒流源,比其他恒流源具有更好的實驗效果。并且在 TAC電路前端加入寬帶直流放大部分,提高時間測量的精確度。實驗表明改進的 TAC電路減小了電容充電的非線性,同時提高了電壓分辨率。整個TAC集成在50*17 mm的電路板上,減少了設(shè)計成本和占用空間,使得TAC部分可以單獨測試和應(yīng)用,提高電路的兼容性和實用性。

4、>　　2.使用高精度的ADC采樣TAC電路的輸出,實現(xiàn)高精度時間間隔測量中的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)后端用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲,減少了數(shù)據(jù)的處理時間,同時FPGA內(nèi)部集成了外圍控制、譯碼和接口電路,降低設(shè)計成本,提高了轉(zhuǎn)換速率。
　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計由FPGA硬件程序設(shè)計完成,實現(xiàn)了對TAC電路的控制,完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中的上升沿檢測、數(shù)據(jù)采集模塊的控制設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲和與PC機間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計,降低了外圍電路的設(shè)計成本。