电路通常有三种状态分别为,三种TDC电路的原理和实现方法

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的电路和实现技术。通过这些方法，可以实现皮秒时间测量，满足不同应用的需要。时间作为一个基本的物理量，在空间探索、高能物理、遥感以及流量和距离的测量中起着极其重要的作用。本文讨论的时间测量是指一个时间段的测量，即完成从起始信号start到结束信号stop的时间间隔测量。用电子电路实现高精度时间测量的方法有很多种，这类电路的名称也很多，包括时间间隔表(TIM)、时间数字化仪、时间计数器(TC)、时间数字转换器(TDC)等。目前常用的名称是TDC[1~2]。TDC电路有不同的原理和实现方法。目前常用的方法有抽头延迟线法、游标法和电容充放电法。

基于时钟脉冲的时间测量最简单的TDC电路是通过时钟信号对待测时间范围进行采样计数，根据计数值计算出时间值。这种方法是直接计数法，时间测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，只能提高时钟频率。但是超高频时钟信号的产生和稳定传输比较困难，因此用这种方法很难实现ps级的精确测量。这个弱点使得它无法用在需要精确时间测量的场合。但这种方法往往可以和后面介绍的其他测量方法结合起来，取长补短。

基于抽头延迟线法的时间测量原理是被测起始信号通过延迟线传输，通过抽头信号检测其在被测时间段内传输到的位置，从而判断时间测量的结果。相邻抽头之间的信号延迟时间是测量的最小分辨率。在电路中实现时，延迟线一般由延迟单元组成，测量的分辨率就是这些单元的延迟时间。在集成电路中，常用的电路单元是反相器。目前在普通集成电路工艺条件下，这个延迟时间可以达到101~102ps左右。对于大多数测量，该分辨率可以满足要求。

基本抽头延迟线时间测量电路如图1所示。其中，停止信号在抽头处用于采样通过延迟线传输的开始信号。根据采样结果Q0~Qn(温度计式编码)，可以知道启动信号经过测量时间段的位置，从而可以根据每个单元的延迟时间计算出测量的时间间隔。抽头延迟线方法的范围由延迟线的长度(延迟单元的数量)决定。这种结构是许多时间测量电路的基础，结合其他技术可以形成不同的实用电路形式。

基于游标法的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1和2，1和2之间有微小但固定的延迟差。通过这两个延迟线，开始信号和结束信号分别被传输，并且当开始和结束信号在传输过程中重合时被检测，并且通过重合点的位置可以获得开始和结束之间的时间差。游标时间测量电路的基本原理如图2(a)所示，通过触发采样比较起始和结束信号是否一致。在其他设计中，使用特殊的信号符合检测电路来代替触发器。信号符合检测电路如图2(b) [3]所示。根据该电路的两个输出信号output 1和output 2，可以判断信号到达的顺序，实现重合判断。

在基本的游标时间测量电路中，当检测到通过延迟线传输的启动和停止信号在某一点重合时，在ts topt start1的情况下，我们可以通过计算得知：

ts top-t start=(n-1)(12)

其中n是比较系列。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(12)，在电路设计中要保证1 2。其范围由延迟单元的数量和决定1、2。可以看出，如果用于测量的两条延迟线中的单元具有稳定的延迟，这种方法可以获得比抽头延迟线方法更高的测量分辨率。为了实现这一目标，通常使用PLL或DLL来产生具有稳定延迟的延迟线[4-5]。

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在测量的时间段内用恒流源给电容充电，然后有两种处理方法：一种是用两个恒流源，一个用于电容充电，一个用于电容放电，但比充电恒流源小很多。在测量开始时，用充电恒流源在测量的时间段内对电容器进行充电，然后用放电恒流源对新充电的电容器进行放电。充电电流与放电电流的比值决定了充电时间与放电时间的比值。放大的时间可以通过具有较低分辨率和更容易实现的方法来测量。这种方法的原理如图3所示，图的左上角给出了充放电的波形。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，假设I1与I2之比为k.可以看出：

Tr/T=(I1-I2)/I2=K-1

因此测量的时间周期的放大倍数由I1与I2的比率k决定。这种测量方法的分辨率由恒流源的精度、电流大小的比值和用于判断放电结束的电压比较器的精度决定。另一种测量方法是在测量的时间段内，电容器充电完毕后，直接用ADC对电容器上的电压值进行转换，根据转换结果可以计算出充电时间。其原理如图4所示。与以往的放电时间放大方法相比，该方法可以完成更高速度的测量。其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

时间测量中还有其他一些电路形式。例如，文献[6]使用时间间隔放大器电路来放大时间，从而实现精确的时间测量。这个时间放大电路的形式如图5所示。通过它的放大，可以将微小的时间间隔信号放大成相对容易测量的信号，从而提高测量精度。根据[6]中的介绍，它具有类似于普通放大器的电压放大功能，可以实现时间间隔的放大。

结论论述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，上述方法经常组合使用。目前可以实现ps级的时间测量，根据应用场合的不同需求，可以采用不同的形式来满足测量要求。随着仪器的更新和电子技术的发展，TDC电路正在不断开发新的应用领域，并将得到更广泛的应用。