基于FPGA的多相位时钟TDC设计

朱文松（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）



基于FPGA的多相位时钟TDC设计

朱文松
（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）

摘 要：人类对时间测量最早的需求来源于天文学。天文学一个最重要的任务就是测量时间：从确定日的长短、四季的变化，到制定历法。时至今日，测量时间的需求已经远远超过了天文的范畴。一般来说，人类实际用到的时间都是相对与某一参考的，即都是时间间隔。时间数字转换是测量时间间隔的基本手段。本文介绍了一种利用FPGA实现的高精度多相位时钟TDC。主要介绍了该TDC设计的三个关键问题：稳定的超高速计数器的实现、高精度鉴相器的实现、以及多时钟域数据的处理。最后给出了测试结果。

关键词：时间数字转换；TDC；鉴相器；时间内插

0　引言

时间是物质存在和运动的基本属性之一，精密的时间测量是科学研究、工程试验的基本和有效手段，精密的时间测量技术不仅在高能物理、相对论物理等基础研究领域具有重要作用，在诸如航天、雷达、无线通讯、导航测绘以及医疗等工程领域也被普遍使用。如高能物理中的固定靶和对撞试验、飞行时间谱仪、核医疗设备PET、雷达测距、激光测距等都离不开高精密的时间测量技术，其对时间测量的精度达到纳秒甚至皮秒量级。一般TDC实现办法分为模拟和数字两种。模拟的方法包括电流积分技术和时间放大技术，这是早期的时间测量技术，由于需要模拟电路来实现，集成度，稳定性、精度等已经不能满足要求。数字的方法主要包括计数器技术、游标卡尺技术、时间内插技术等。

1　多相位时钟TDC原理

在FPGA中实现TDC某种程度上可以理解成是利用FPGA对开始、停止信号进行采样并记录采到的两个信号的时间间隔。FPGA中时钟允许的最高频率是有限的，利用计数器方法实现TDC的时候，相当于开始、停止信号的采样间隔是一个时钟周期，这样在一个时钟周期内信号何时到达的信息便无法被读取出来。为了挖掘出单个时钟周期内部的时间信息，一个思路便是利用不同相位的时钟去对同一个HIT信号采样，这样相当于把采样周期变为以前的N分之一，而各个移相的时钟还是工作在FPGA允许的频率下。利用多相位时钟实现内插法TDC最大的挑战是鉴相精度和多时钟域数据同步。

1.1鉴相器

对一个N相位时钟TDC，HIT信号到达N个D触发器，这N个D触发器各自工作在自己的时钟下。假设理想情况下，不考虑任何延迟量，以一个八相位时钟为例，则对应八个D触发器，HIT在到来后，这八个D触发会依据自身的时钟对HIT进行采样，将这八个D触发器的输出在各自时钟下进行Level-to-Pulse转换一下，使得高电平只保留一个时钟周期的p0、p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7， HIT信号到来的不同的时间反映到p0、p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7出现的先后顺序的不同，这个出现的顺序反应了HIT在八个相位时钟里哪个区间到来。即完成了签相的功能。

上述的分析是假定理想的情况下作出的。签相器的精度直接决定了TDC的精度，签相器的精度是目前这种TDC设计的瓶颈所在。由于HIT信号进入FPGA后要扇出给不同的D触发器，HIT信号到达各个D触发的时间不可能完全一样，同时由于八相位时钟的产生一般是用FPGA内部的PLL或DLL等资源给出，通过全局时钟资源送到FPGA内部的逻辑资源，这个时间也存在差异。综上分析，要提高签相器的工作性能，必须要尽量做到HIT信号扇出到各个D触发器的时间尽量一致，即HIT到各触发器之间的Skew越小越好，这个可以通过对FPGA开发软件，设置约束文件等完成。另外各个相位的时钟到达各自D触发器的Skew也要越小越好，这个可以通过对FPGA时钟管理资源的设置完成。

1.2多相位时钟同步

鉴相器输出的反映HIT信号到来时间的p0、p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7信号。为了解决同步问题，我们设计了多相位计数器，原理与文献中不同的是，这个八相位计数器的频率只限于FPGA内核的速度，而不在受建立时间的限制，从而解决了文献中的超高速计数器的稳定性问题。我们设计时用clk7去抓clk0的输出，则建立时间为7/8时钟周期，用clk6去抓clk7输出的反，建立时间为7/8时钟周期，同理类似，其他触发器的建立时间也是7/8时钟周期。这样多相位时钟的工作频率就只受限于FPGA的内核性能。

2　多相位时钟TDC实现及测试

多相位时钟TDC在Altera公司Cyclone III芯片中实现， HIT信号由普通管脚输入，逻辑设计利用verilog硬件描述语言。在对TDC测试中，TDC所能跑到的最高速度为350MHZ，主要受限于HIT到鉴相器中8个D触发器之间的Skew，当速度在提高时，会出现丟码现象，在350MHZ以下，TDC工作正常，没有丟码现象，但是BIN宽的不均匀性能够观察到。该TDC的精度357ps。

对TDC的测试主要是BIN宽的测试，测试方法是利用安捷伦任意信号发生器（AFG3252）随机产生任意脉冲，测试读取的TDC数据的后几位（8相位对应最后3bit），这后几位数据反映了HIT信号落在时钟中的哪个区间，表明TDC的BIN宽信息。上图反映的是对TDC添加不同约束测试的结果，当约束达到要求后，可以看出没有丟码现象，BIN的均匀性较好。

3　结束语

论文介绍了一种采用多相位时钟TDC设计，采用多相位时钟实现时间内插。这种TDC实现简单，资源占用较少，性能优良。该TDC设计的关键在于鉴相精度和多时钟域数据同步，论文给出了提高鉴相器精度的思路和多时钟域数据同步的方法。最后在Cyclone III中实现了该TDC，并给出测试结果。

参考文献：

［1］靳钊，乔丽萍，王聪华，王江安，郭晨.一种占空比可调的新型整数半整数分频器设计［J］.电视技术，2013（13）.

［2］陈鑫，吴宁.数字锁相环的最优化设计［J］.南京航空航天大学学报，2012（01）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.236