Преобразователь времени в цифру

В электронном приборостроении и обработке сигналов время -цифровой преобразователь ( ВЦП ) — это устройство для распознавания событий и обеспечения цифрового представления времени, когда они произошли. Например, TDC может выводить время прибытия каждого входящего импульса. Некоторые приложения хотят измерить интервал времени между двумя событиями, а не какое-то понятие абсолютного времени.

В электронике время-цифровые преобразователи (ВЦП) или цифровые преобразователи времени — это устройства, обычно используемые для измерения временного интервала и преобразования его в цифровой (двоичный) выходной сигнал. В некоторых случаях интерполирующие ВЦП также называются счетчиками времени (ТС).

TDC используются для определения временного интервала между двумя сигнальными импульсами (известными как стартовый и стоповый импульс). Измерение начинается и прекращается, когда нарастающий или спадающий фронт импульса сигнала пересекает установленный порог. Эта закономерность наблюдается во многих физических экспериментах, таких как измерения времени пролета и времени жизни в атомной физике и физике высоких энергий , экспериментах, включающих лазерную локацию , и электронных исследованиях, включающих тестирование интегральных схем и высокоскоростную передачу данных.

Приложение

TDC используются для отметки времени событий и измерения разницы во времени между событиями, особенно там, где требуется пикосекундная точность и высокая точность, например, при измерении событий в по физике высоких энергий экспериментах , где обнаруживаются частицы (например, электроны, фотоны и ионы).

Другое применение — экономичное и немеханическое измерение расхода воды путем измерения разницы во времени между ультразвуковыми импульсами, которые проходят через поток и приходят в разное время в зависимости от скорости и направления потока.

В полностью цифровой системе фазовой автоподстройки частоты (ADPLL) ВМТ измеряет фазовый сдвиг, и его результат используется для настройки генератора с цифровым управлением (DCO).

Грубое измерение

КМОП (вращающийся) генератор бегущей волны , линия задержки или распределенный усилитель работают на частоте, совместимой с триггером, но имеют более острые края и разрешение по субкраям.

Если требуемое временное разрешение невелико, для преобразования можно использовать счетчики.

Базовый счетчик

В своей простейшей реализации TDC — это просто высокочастотный счетчик , который увеличивает каждый тактовый цикл. Текущее содержимое счетчика представляет текущее время. Когда происходит событие, значение счетчика фиксируется в выходном регистре.

В этом подходе измерение представляет собой целое число тактовых циклов, поэтому измерение квантуется до тактового периода. Чтобы получить более высокое разрешение, необходимы более быстрые часы. Точность измерения зависит от стабильности тактовой частоты.

Обычно в ВЦП используется опорная частота кварцевого генератора для обеспечения хорошей долгосрочной стабильности. Кварцевые генераторы с высокой стабильностью обычно имеют относительно низкую частоту, например 10 МГц (или разрешение 100 нс). Чтобы получить лучшее разрешение, с фазовой автоподстройкой можно использовать умножитель частоты частоты для генерации более быстрого тактового сигнала. Например, можно умножить частоту кварцевого опорного генератора на 100, чтобы получить тактовую частоту 1 ГГц (разрешение 1 нс).

Счетная техника

Высокие тактовые частоты накладывают дополнительные ограничения на конструкцию счетчика: если тактовый период короткий, то обновить счетчик будет сложно. Например, двоичные счетчики нуждаются в архитектуре быстрого переноса, поскольку они, по сути, добавляют единицу к предыдущему значению счетчика. Решением является использование гибридной архитектуры счетчика. Например, счетчик Джонсона — это быстрый недвоичный счетчик. Его можно использовать для очень быстрого подсчета количества младших заказов; для накопления счетчиков высокого порядка можно использовать более традиционный двоичный счетчик. Быстрый счетчик иногда называют прескалером .

Скорость счетчиков, изготовленных по КМОП -технологии, ограничена емкостью между затвором и каналом, а также сопротивлением канала и сигнальных дорожек. Произведением обоих является частота среза. Современная технология производства чипов позволяет вставлять в чип несколько слоев металла и, следовательно, катушки с большим количеством обмоток.Это позволяет разработчикам настроить устройство на определенную частоту , которая может находиться выше частоты среза исходного транзистора.

Пиковым вариантом счетчика Джонсона является счетчик бегущей волны , который также обеспечивает субпериодическое разрешение. Другие методы достижения субциклового разрешения включают аналого-цифровые преобразователи и нониусные счетчики Джонсона .

Измерение временного интервала

эскиз метода грубого счета в ВЦП: показ измерений T в различных отношениях к тактовым импульсам

В большинстве ситуаций пользователь не хочет просто фиксировать произвольное время возникновения события, а хочет измерить интервал времени, время между событием начала и событием остановки.

Это можно сделать, измеряя произвольное время событий начала и остановки и вычитая его. Измерение может отклоняться на два счета.

Вычитания можно избежать, если счетчик удерживается на нуле до события начала, считает в течение интервала, а затем прекращает счет после события остановки.

Грубые счетчики основаны на опорных часах с сигналами, генерируемыми на стабильной частоте. $f_{0}$. При обнаружении стартового сигнала счетчик начинает считать тактовые сигналы и прекращает подсчет после обнаружения стопового сигнала. Временной интервал $T$ тогда между стартом и остановкой

$T=n\cdot T_{0}$

с $n$, количество отсчетов и $T_{0}=1/f_{0}$, период эталонных часов .

Статистический счетчик

Поскольку сигнал запуска, остановки и тактового сигнала асинхронен, существует равномерное распределение вероятностей времени начала и остановки сигнала между двумя последующими тактовыми импульсами. Такая отстройка сигналов запуска и остановки от тактовых импульсов называется ошибкой квантования .

Для серии измерений на одном и том же постоянном и асинхронном интервале времени измеряют два разных количества подсчитанных тактовых импульсов. $n_{1}$ и $n_{2}$ (см. картинку). Это происходит с вероятностью

$p(n_{1})=1-c$

$q(n_{2})=c$

с $c=Frc(T/T_{0})$ дробная часть ​ $T/T_{0}$. Значение для временного интервала затем получается по формуле

$T=(p\cdot n_{1}+q\cdot n_{2})\cdot T_{0}$

Измерение временного интервала с помощью грубого счетчика с описанным выше методом усреднения занимает относительно много времени из-за большого количества повторений, необходимых для определения вероятностей. $p$ и $q$. По сравнению с другими методами, описанными ниже, грубый счетчик имеет очень ограниченное разрешение (1 нс в случае опорного тактового сигнала 1 ГГц ), но удовлетворяет своему теоретически неограниченному диапазону измерений.

Точное измерение

В отличие от грубого счетчика, описанного в предыдущем разделе, здесь представлены методы точного измерения с гораздо большей точностью, но с гораздо меньшим диапазоном измерения. Аналоговые методы, такие как растяжение временного интервала или двойное преобразование, а также цифровые методы, такие как линии задержки с отводом и метод Вернье, находятся на стадии изучения. Хотя аналоговые методы по-прежнему обеспечивают более высокую точность, цифровое измерение временных интервалов часто предпочтительнее из-за его гибкости в технологии интегральных схем и его устойчивости к внешним возмущениям, таким как изменения температуры.

Точность реализации счетчика ограничена тактовой частотой. Если время измеряется целыми отсчетами, то разрешение ограничивается периодом такта. Например, часы с частотой 10 МГц имеют разрешение 100 нс. Чтобы получить разрешение, превышающее тактовый период, существуют схемы интерполяции времени. Эти схемы измеряют долю периода тактирования: то есть время между событием часов и измеряемым событием. Схемы интерполяции часто требуют значительного времени для выполнения своей функции; следовательно, ВМТ требуется пауза перед следующим измерением.

Интерполятор рампы

Если подсчет невозможен из-за слишком высокой тактовой частоты, можно использовать аналоговые методы. Аналоговые методы часто используются для измерения интервалов от 10 до 200 нс. В этих методах часто используется конденсатор, который заряжается в течение измеряемого интервала. Первоначально конденсатор разряжается до нуля вольт. Когда происходит событие запуска, конденсатор заряжается постоянным током I ₁ ; постоянный ток вызывает линейное увеличение напряжения v на конденсаторе со временем. Рост напряжения называется быстрым нарастанием. Когда происходит событие остановки, зарядный ток прекращается. Напряжение на конденсаторе v прямо пропорционально интервалу времени Т и может быть измерено с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Разрешение такой системы находится в диапазоне от 1 до 10 пс.

Хотя можно использовать отдельный АЦП, ступень АЦП часто интегрируется в интерполятор. Второй постоянный ток I ₂ используется для разряда конденсатора с постоянной, но гораздо более медленной скоростью (медленное линейное изменение). Медленное изменение может составлять 1/1000 быстрого изменения. Этот разряд эффективно «растягивает» временной интервал; конденсатору потребуется в 1000 раз больше времени, чтобы разрядиться до нуля вольт. Растянутый интервал можно измерить счетчиком. Измерение аналогично двухтактному аналоговому преобразователю .

Двойное преобразование может занять много времени: около тысячи тактов в схеме, описанной выше. Это ограничивает частоту проведения измерений (мертвое время). Разрешение 1 пс с тактовой частотой 100 МГц (10 нс) требует коэффициента растяжения 10 000 и подразумевает время преобразования 150 мкс. Чтобы уменьшить время преобразования, схему интерполятора можно использовать дважды в методе остаточного интерполятора . Первоначально быстрый темп используется, как указано выше, для определения времени. Медленная рампа только на 1/100. Медленное линейное изменение пересечет ноль в какой-то момент в течение тактового периода. включается снова для измерения времени перехода ( tостаточного _{Когда линейное изменение пересекает ноль, быстрое линейное изменение} ). Следовательно, время можно определить с точностью до 1 части на 10 000.

Интерполяторы часто используются со стабильными системными часами. Стартовое событие является асинхронным, а стоповое событие — это следующие часы. Для удобства представьте, что быстрое линейное изменение возрастает ровно на 1 В за период такта 100 нс. Предположим, что стартовое событие происходит через 67,3 нс после тактового импульса; интегратор быстрого линейного изменения срабатывает и начинает повышаться. Событие асинхронного запуска также маршрутизируется через синхронизатор, который принимает как минимум два тактовых импульса. К следующему тактовому импульсу напряжение возрастает до 0,327 В. Ко второму тактовому импульсу напряжение возрастает до 1,327 В, и синхронизатор сообщает, что стартовое событие обнаружено. Быстрое изменение останавливается и начинается медленное. Выход синхронизатора можно использовать для регистрации системного времени со счетчика. После 1327 тактов медленный темп возвращается в исходную точку, и интерполятор знает, что событие произошло за 132,7 нс до того, как синхронизатор сообщил об этом.

Интерполятор на самом деле более сложен, потому что есть проблемы с синхронизатором и переключение тока не происходит мгновенно. Кроме того, интерполятор должен калибровать высоту пандуса по периоду тактов.

Верньер

Вернье-интерполятор

Нониусный метод более сложен. Метод включает в себя запускаемый осциллятор. и схема совпадений. При этом событии сохраняется целочисленный счетчик часов и запускается генератор. Триггерный генератор имеет немного другую частоту, чем тактовый генератор. В качестве аргумента предположим, что триггерный генератор имеет период, который на 1 нс быстрее, чем тактовый сигнал. Если событие произошло через 67 нс после последнего тактового импульса, то переход запускаемого генератора будет сдвигаться на -1 нс после каждого последующего тактового импульса. Запускаемый генератор будет через 66 нс после следующего такта, через 65 нс после второго такта и т.д. Детектор совпадений определяет, когда запущенный генератор и тактовый сигнал переходят одновременно, и это указывает долю времени, которую необходимо добавить.

Конструкция интерполятора более сложна. Триггерные часы должны быть откалиброваны по часам. Он также должен запускаться быстро и чисто.

Нониусный метод

Метод Вернье — это цифровая версия метода растяжения времени. Два лишь слегка расстроенных генератора (с частотами $f_{1}$ и $f_{2}$) запускают свои сигналы с приходом сигнала старта и стопа. Как только передние фронты сигналов осцилляторов совпадают, измерение заканчивается и число периодов осцилляторов ( $n_{1}$ и $n_{2}$ соответственно) приводят к исходному временному интервалу $T$:

$T={\frac {n_{1}-1}{f_{1}}}-{\frac {n_{2}-1}{f_{2}}}$

Поскольку высоконадежные генераторы со стабильной и точной частотой по-прежнему представляют собой сложную задачу, можно также реализовать метод нониуса с помощью двух отводных линий задержки, используя два немного разных времени задержки ячейки. $\tau$. Эта настройка называется дифференциальной линией задержки или нониусной линией задержки .

В представленном примере первая линия задержки, связанная со стартовым сигналом, содержит ячейки D-триггеров с задержкой $\tau _{L}$ которые изначально настроены на прозрачность. Во время прохождения стартового сигнала через одну из этих ячеек сигнал задерживается на $\tau _{L}$ и состояние триггера считается прозрачным. Вторая линия задержки, принадлежащая стоп-сигналу, состоит из серии неинвертирующих буферов с задержкой $\tau _{B}<\tau _{L}$. Распространяясь по своему каналу, стоп-сигнал защелкивает триггеры линии задержки стартового сигнала. Как только сигнал остановки проходит сигнал запуска, последний останавливается, и все оставшиеся триггеры считаются непрозрачными. Аналогично описанному выше случаю осцилляторов искомый интервал времени $T$ тогда

$T=n\cdot (\tau _{1}-\tau _{2})$

с n количество ячеек, помеченных как прозрачные.

TDC на основе цифровой линии задержки

Линия задержки с ответвлением с использованием цепочки D-защелок, каждая с задержкой $\tau$ и управляется сигналом остановки, который замораживает все защелки, поэтому сигнал запуска прекращает распространяться. Затем их состояние может быть прочитано кодировщиком для определения задержки.

В целом TDC на основе цифровой линии задержки . также известная как линия задержки с отводом , содержит цепочку ячеек (например, с использованием D-защелок на рисунке) с четко определенным временем задержки. $\tau$. Стартовый сигнал распространяется по этой цепочке и последовательно задерживается каждой ячейкой. Число ячеек, через которые распространился сигнал запуска при возникновении сигнала остановки, будет ( округленным ) интервалом времени между сигналами запуска и остановки, разделенным на $\tau$.

Гибридное измерение

Эскиз метода интерполяции Натта

Счетчики могут измерять длинные интервалы, но имеют ограниченное разрешение. Интерполяторы имеют высокое разрешение, но не могут измерять длинные интервалы. Гибридный подход позволяет добиться как длинных интервалов, так и высокого разрешения. Длинный интервал можно измерить счетчиком. Информация счетчика дополняется двумя интерполяторами времени: один интерполятор измеряет (короткий) интервал между начальным событием и последующим тактовым событием, а второй интерполятор измеряет интервал между событием остановки и следующим тактовым событием. Основная идея имеет некоторые сложности: события запуска и остановки асинхронны, и одно или оба могут произойти близко к тактовому импульсу. Счетчик и интерполяторы должны договориться о сопоставлении событий начального и конечного часов. Для достижения этой цели используются синхронизаторы.

Распространенным гибридным подходом является метод Натта . В этом примере схема точного измерения измеряет время между импульсом запуска и остановки и соответствующим вторым ближайшим тактовым импульсом грубого счетчика ( T _start , T _stop ), обнаруженным синхронизатором (см. рисунок). Таким образом, искомый интервал времени равен

$T=nT_{0}+T_{\mathrm {start} }-T_{\mathrm {stop} }$

где n - количество тактовых импульсов счетчика, а T ₀ - период грубого счетчика.

История

Измерение времени играло решающую роль в понимании природы с древнейших времен. Начиная с солнечных, песчаных или водяных часов, сегодня мы можем использовать часы, основанные на самых точных цезиевых резонаторах.

Первый прямой предшественник ВМТ был изобретен в 1942 году Бруно Росси для измерения времени жизни мюонов . Он был спроектирован как преобразователь время-амплитуда , постоянно заряжающий конденсатор в течение измеряемого интервала времени. Соответствующее напряжение прямо пропорционально исследуемому интервалу времени.

Хотя основные концепции (такие как методы Вернье ( Пьер Вернье 1584-1638) и растяжение времени) разделения времени на измеримые интервалы все еще актуальны, их реализация сильно изменилась за последние 50 лет. Начиная с электронных ламп и трансформаторов с ферритовым сердечником, эти идеи сегодня реализуются в комплементарных конструкциях металл-оксид-полупроводник ( КМОП ).

Ошибки

Некоторая информация из

Что касается даже представленных точных методов измерения, все же существуют ошибки, которые хотелось бы устранить или хотя бы принять во внимание. Например, нелинейность преобразования времени в цифру можно выявить путем проведения большого количества измерений пуассоновского распределенного источника (тест статистической плотности кода). Небольшие отклонения от равномерного распределения выявляют нелинейности.Неудобно, что метод статистической плотности кода весьма чувствителен к изменениям внешней температуры. стабилизации задержки или фазовой автоподстройки частоты Поэтому рекомендуется использовать схемы (DLL или PLL).

ошибки смещения (ненулевые показания при Т Аналогичным образом можно удалить = 0).

ошибка из-за нестабильности опорного тактового сигнала ( джиттер Для длительных интервалов времени основную роль играет ). Таким образом, для таких ВЦП необходимы часы высшего качества.

Кроме того, внешние источники шума могут быть устранены при постобработке с помощью робастных методов оценки .

Конфигурации

В настоящее время TDC создаются как автономные измерительные устройства для физических экспериментов или как системные компоненты, такие как карты PCI. Они могут состоять из дискретных или интегральных схем.

Конструкция схемы меняется в зависимости от назначения ВЦП, который может быть либо очень хорошим решением для одновибрационных ВЦП с большим мертвым временем, либо некоторым компромиссом между мертвым временем и разрешением для многокадровых ВЦП.

Генератор задержки

Сходство между TDC (внизу) и генератором задержки (вверху, но для запуска требуется низ). Строб стробируется генератором, чтобы избежать гонки с битом переноса.

Основная статья: Цифровой генератор задержки

Преобразователь времени в цифру измеряет время между событием запуска и событием остановки. Также имеется цифро-временной преобразователь или генератор задержки . Генератор задержки преобразует число во временную задержку. Когда генератор задержки получает на свой вход стартовый импульс, он выдает стоповый импульс после указанной задержки. Архитектуры TDC и генераторов задержки аналогичны. Оба используют счетчики для длительных, стабильных задержек. Оба должны учитывать проблему ошибок квантования тактового сигнала.

Например, цифровая задержка Tektronix 7D11 использует архитектуру счетчика. Цифровую задержку можно установить от 100 нс до 1 с с шагом 100 нс. Аналоговая схема обеспечивает дополнительную точную задержку от 0 до 100 нс. Эталонный тактовый сигнал с частотой 5 МГц управляет фазовой автоподстройкой частоты , обеспечивая стабильный тактовый сигнал с частотой 500 МГц. Именно этот быстрый тактовый сигнал управляется стартовым событием (с точной задержкой) и определяет основную ошибку квантования. Быстрая тактовая частота делится на частоту 10 МГц и подается на главный счетчик. Ошибка квантования прибора зависит в первую очередь от тактовой частоты 500 МГц (шаг 2 нс), но входят и другие ошибки; Для прибора указано значение джиттера 2,2 нс . Время перезарядки составляет 575 нс.

Точно так же, как TDC может использовать интерполяцию для получения разрешения, превышающего один тактовый период, генератор задержки может использовать аналогичные методы. Синтезатор времени высокого разрешения Hewlett -Packard 5359A обеспечивает задержки от 0 до 160 мс, точность 1 нс и типичный джиттер 100 пс. В конструкции используется управляемый генератор фазовой автоподстройки частоты, работающий на частоте 200 МГц. Интерполяция осуществляется с помощью линейного изменения, 8-битного цифро-аналогового преобразователя и компаратора. Разрешение около 45 пс.

Когда получен стартовый импульс, он выполняет обратный отсчет и выдает стоповый импульс. Для низкого уровня джиттера должен синхронный счетчик подавать нулевой флаг от старшего бита до младшего , а затем объединять его с выходными данными счетчика Джонсона.

волне . Для достижения субциклового разрешения можно использовать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), но проще использовать либо нониусные счетчики Джонсона, либо счетчики Джонсона на бегущей

Генератор задержки можно использовать для широтно-импульсной модуляции , например, для управления МОП-транзистором и загрузки ячейки Поккельса определенным зарядом в течение 8 нс.

Выход генератора задержки может управлять цифро-аналоговым преобразователем, что позволяет генерировать импульсы переменной высоты. Это позволяет согласовать низкие уровни, необходимые для аналоговой электроники, более высокие уровни для ECL и еще более высокие уровни для TTL . Если последовательно стробировать серию ЦАП, можно генерировать импульсы переменной формы для учета любой передаточной функции.

См. также

• Частота дискретизации
• Мультивибратор
• ЛИДАР
• Время полета

Внешние ссылки

• США 3983481 , Натт, Рональд; Милам, Келли и Уильямс, Чарльз В., «Цифровой интервалометр», опубликовано 4 августа 1975 г., выпущено 18 сентября 1976 г.  
• США 3133189 , Бэгли, Алан С. и Бруксби, Меррилл В., «Электронный интерполирующий счетчик для измерения временного интервала и частоты», опубликовано 5 августа 1960 г., выдано 12 мая 1964 г.  
• США 2665411 , Фрэди, Уильям Э. младший, «Метод двойной интерполяции и устройство для измерения временных интервалов», опубликованный 15 марта 1951 г., выданный 5 января 1954 г.  
• US 2665410 , Бербек, Дональд В., «Метод и устройство для автоматического измерения временных интервалов», опубликованный 15 марта 1951 г., выданный 5 января 1954 г.  
• США 2560124 , Мофенсон, Джек, «Система измерения интервалов», опубликован 31 марта 1950 г., выпущен 10 июля 1951 г.  
• США 8324952 , Мастерс, Льюис В., «Схема интерполятора времени», опубликовано 4 декабря 2012 г., выдано 4 мая 2011 г.  
• Ле Гранд де Мерси, Г. «Вращающийся ГУН бегущей волны с частотой 18 ГГц на КМОП-матрице с I/Q-выходами» (PDF) . ESSCIRC 2004 — 29-я Европейская конференция по твердотельным схемам (IEEE Cat. No.03EX705) . IEEE. дои : 10.1109/esscirc.2003.1257179 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2011 г.
• Бхаттачарья, К.; Шимански, Т.Х. «КМОП-усилители бегущей волны 1,2 В, 1–10 ГГц с использованием копланарных волноводов в качестве встроенных индукторов» (PDF) . Слушания. Конференция IEEE по радио и беспроводной связи 2004 г. (№ по каталогу IEEE 04TH8746) . IEEE. дои : 10.1109/rawcon.2004.1389112 .
• Джон Акерманн (28 ноября 2020 г.). «Счетчик временных интервалов HP 5370B [замечания по применению и измеренные характеристики]» . Проверено 26 сентября 2023 г.
• «Технические данные, руководства и рекомендации по применению счетчиков временных интервалов [в основном HP]» . 16 марта 2017 г. Архивировано из оригинала 16 марта 2017 г. Проверено 16 марта 2017 г.
• Ю. Артюх; В. Беспалько; Э. Буль. Модульный счетчик временных интервалов высокого разрешения (PDF) (Технический отчет) . Проверено 4 декабря 2002 г.
• Основы измерения временных интервалов (Примечание по применению 200-3) (PDF) (Технический отчет). Серия электронных счетчиков. ХП.
• Чжан, Виктор С.; Дэвис, Дик Д.; Ломбарди, Майкл А. (1 декабря 1994 г.). Счетчик временных интервалов с высоким разрешением (PDF) . 26-е ежегодное совещание по применению и планированию точного времени и временных интервалов (PTTI). Центр оборонной технической информации/НАСА. Бибкод : 1995ptti.meet..191Z .
• Сальваторе, Лоффредо (2010), Проектирование, конструкция и испытания преобразователя времени в цифровой формат с высоким разрешением и широким динамическим диапазоном Университет Рома Тре, Докторантура математических и физических наук
• Калиш, Йозеф; Шплет, Рышард; Пелка, Рышард (август 1997 г.), «Однокристальный интерполяционный счетчик времени с разрешением 200 пс и диапазоном 43 с», IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , 46 (4), IEEE: 851–856, Bibcode : 1997ITIM.. .46..851K , doi : 10.1109/19.650787 , ISSN   0018-9456
• Преобразователь времени в цифру TDC7200 для времяпролетных приложений в лидарах, магнитострикционных и расходомерах [Техническое описание] (PDF) (Технический отчет). ТИ. 01.03.2016.