1、近代信息處理（第十七講） 時間測量方法（1）,劉樹彬 2011.04.20,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,2,時間應(yīng)用,基礎(chǔ)研究 原子核和粒子物理研究、地球動力學(xué)研究、相對論研究 應(yīng)用研究、國防、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè) 航空航天、深空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、信息高速公路、地質(zhì)測繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計量等,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,3,固定靶實(shí)驗(yàn)中的時間測量,高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一 加速的脈沖束流轟擊固定靶，產(chǎn)生的次級粒子被固定靶后面的探測器“墻”檢測 對每個事例，束流探測器探測到每個束流作為每個

2、事例的“起始”信號，所有探測器的輸出經(jīng)甄別后接到時間測量電路中作為“停止”信號,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,4,對撞實(shí)驗(yàn)中的時間測量,高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一 兩束粒子被加速后相撞，對撞后產(chǎn)生的次級粒子從對撞點(diǎn)向四周飛行，圍繞著對撞點(diǎn)放置大量探測器 通過測量帶電粒子的飛行時間t，結(jié)合徑跡探測器測量同一粒子的動量p和飛行徑跡長度l，得到粒子的本征質(zhì)量m0，鑒別出帶電粒子的種類,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,5,粒子物理實(shí)驗(yàn)中的時間測量,TOF: Time of Flight,2011-04-20,

3、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,6,飛行時間質(zhì)譜儀中的時間測量,1/2mv2=eV,v=(2eV/m)1/2,T=L(m/2eV)1/2,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,7,激光測距中的時間測量,由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管 雪崩光電二極管：內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，能檢測極其微弱的光信號 記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的往返時間t D=ct/2 要想使分辨率達(dá)到10cm，則傳輸時間的測量分辨率 好于600ps,2011-04-20,中國科學(xué)技

4、術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,8,子彈速度測量中的時間測量,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,9,超聲波流量測試?yán)锏臅r間測量,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,10,超聲波厚度、密度檢測中的時間測量,厚度檢測,密度檢測,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,11,時間測量電路的性能參數(shù),動態(tài)范圍（measurement range, MR） 分辨率（resolution/least significant bit/quantization step, LSB/Bin） 精度（standard meausrement

5、 uncertainty /random error, RMS） 非線性（DNL、INL） 死時間（dead time） 讀出速度,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,12,基本的時間測量方法,波形數(shù)字化 甄別與數(shù)字變換 定時甄別：將一個物理事例的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個具有時間信息的數(shù)字邏輯信號 前沿定時 過零定時 恒比定時 時間數(shù)字變換（TDC）,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,13,TDC的分類,按實(shí)現(xiàn)手段分類 模擬式（TAC+ADC） 數(shù)字式（計數(shù)器型） 按測量對象分類 起停型（Start-Stop Type）TDC 時間戳型（Time

6、 Stamp Type）TDC 流水線型（Pipeline）TDC 事例驅(qū)動型（Data Driven）TDC 如何得到高的時間分辨？,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,14,TAC時間測量（起停型）,較小的死時間 取決于ADC轉(zhuǎn)換時間 可達(dá)到較高分辨率 目前LSB：1ps20ps 容易受環(huán)境溫度和外界干擾影響 影響時間測量精度的主要因素：恒流源的穩(wěn)定性、充電電容的線性、電路噪聲（特別是積分環(huán)節(jié)上的噪聲），及后續(xù)ADC電路的特性,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,15,簡單起停型TAC工作波形圖（1）,正常工作,2011-04-20,中國

7、科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,16,起停型TAC工作波形圖（2）,有起無停/超出動態(tài)范圍,先停后起,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,17,差分電流積分 TAC工作原理,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,18,差分電流積分 TAC工作波形,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,19,時幅變換的性能指標(biāo)及測量,時間測量精度 積分非線性 微分非線性,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,20,Wilkinson型TDC（雙斜率型TDC）,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室

8、 劉樹彬,21,直接時間數(shù)字變換（計數(shù)器型）,易于實(shí)現(xiàn) 異步計數(shù)器同步計數(shù)器格雷碼計數(shù)器 容易得到大的動態(tài)范圍 增加一個觸發(fā)器即擴(kuò)大一倍動態(tài)范圍 精度不易提高 1GHz時鐘頻率LSB=1ns 與信號異步，最大誤差LSB 可通過多次測量求平均提高精度,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,22,起停計數(shù)型TDC工作原理,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,23,起停計數(shù)型TDC工作波形,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,24,起停計數(shù)型TDC,最好使用格雷碼計數(shù)器 自激振蕩時鐘和他激振蕩時鐘 提高分辨率依賴于時鐘速度的

9、提高，困難 可以利用時間內(nèi)插方法提高分辨率,2011-04-20,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,25,自激時鐘造成計數(shù)誤差,2010-05-10,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,26,電路構(gòu)成： 門電路A、B和延遲器構(gòu)成一個多諧 振蕩器 D型觸發(fā)器為多諧振蕩器的控制電路 初始狀態(tài)： /Q=H，封鎖門A 門A的輸出 = H 門B的互補(bǔ)輸出 = L 工作狀態(tài)： /Q：H L，解除封鎖 門A的輸出：H L 門B的互補(bǔ)輸出： L H 然后循環(huán)跳變,他激振蕩門控多諧振蕩器,2010-05-10,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,27,門控多諧振蕩器電路設(shè)計考慮,兩個基本的設(shè)計考慮

10、， 確保門控多諧振蕩器的性能： 采用速度最快的ECLinPS電路 ECLinPS電路最小傳輸延遲時間為300ps，上升、下降沿不超過500ps ECLinPS電路的亞毫微秒傳輸延遲時間和上升、下降沿確保了多諧振蕩器狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，最大限度地消除了時鐘抖動 起振時間僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps，而且ECLinPS電路傳輸延遲時間的不確定性非常小，因而其同步誤差極少 使用ECL的有源延遲線作為定時電路 采用高速ECL有源延遲線來取代RC定時電路，產(chǎn)生必需的延遲時間，這樣就有效地消除了由RC定時電路帶來的時鐘抖動,2010-05-10,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,28,門控多諧振蕩器的特點(diǎn),同步性能好 同步誤差可以小到幾十ps的數(shù)量級 起振快 僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps 頻率范圍大，調(diào)節(jié)方便 調(diào)節(jié)定時電路的延遲時間，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出時鐘信號的頻率 頻率穩(wěn)定性較好 ECL電路的溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)定的工作電流特點(diǎn)，使其傳輸延遲時間隨溫度和工作電壓的影響較小，因而，相對TTL和CMOS電路有較好的頻率穩(wěn)定性 ECL電路的快速前、后沿，使得信號抖動較小,2010-05-10,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子實(shí)驗(yàn)室 劉樹彬,29,起停型和時間戳型TDC,2010-05