高精度时间测量电路与实现

李范益 蒋安平

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(timedigitizer)、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。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，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)x(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。

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，图中左上角给出了进行充放电的波形。这种方法要求用于充电的恒流源I1远大于用于放电的恒流源I2，假定I1与I2的比值为K。可以看出：

Tr／T=(I1-I2)／I2=K-1

所以被测量时间段的放大倍数是由I1与I2的比值K决定的。这种测量方法的分辨率由充放电恒流源的精度、电流大小的比值和用于放电结束判断的电压比较器精度共同决定。

另一种测量方法是在被测时间段内完成电容充电后，直接使用ADC对电容上的电压值进行转换，根据转换结果即可计算出充电的时间。它的原理如图4所示。与前面通过放电实现时间放大的方法相比，这种方法可以完成更高速的测量。它的测量精度由充电恒流源和ADc的精度决定。

其他类型的时间测量

在时间测量中还有一些其他的电路形式。例如，文献[6]采用了时间间隔放大电路来完成时间的放大，从而实现精确时间测量。这种时间放大电路形式如图s所示。通过它的放大可以把一个微小的时间间隔信号放大成一个比较容易测量的信号、从而可以提高测量的精度。按照[6]中的介绍，它具有类似普通放大器对电压的放大功能，可以实现对时间间隔的放大。

结语

本文讨论了高精度时间测量电路TDC的原理和实现技术，在实际电路设计中上述各种方法常常是结合使用的，目前可以实现Ps级的时间测量，可以根据应用场合的不同需要采用不同的形式来满足测量的要求。随着仪器仪表的更新和电子技术的发展，TDC电路也在不断开发新的应用领域，并将得到更广泛的应用。