基于FPGA的精密時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路研究.pdf

1、時間是物質(zhì)存在和運動的基本屬性之一。精密的時間作為科學(xué)研究、科學(xué)實驗和工程技術(shù)諸方面的基本物理參量，為一切動力學(xué)系統(tǒng)和時序過程的測量和定量研究提供了必不可少的時基坐標(biāo)。精密的時間不僅在原子核物理研究、粒子物理研究、地球動力學(xué)研究、相對論研究、脈沖星周期研究和人造衛(wèi)星動力學(xué)測地等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重要的作用，而且在諸如航空航天、深空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、地質(zhì)測繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計量等應(yīng)用研究、國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中也有普遍的應(yīng)用，甚至

2、已經(jīng)深入到人們社會生活的方方面面，幾乎無所不及。精密時間測量的基本手段是精密的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。 精密時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路有多種實現(xiàn)方法，本論文主要研究的是利用現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)中的專用進(jìn)位連線來實現(xiàn)精密的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。FPGA中有著豐富的資源，目前已經(jīng)有很多基于FPGA實現(xiàn)時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的研究工作。本論文在調(diào)研了以前時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路工作的基礎(chǔ)上，對用FPGA中的專用進(jìn)位連線來實現(xiàn)時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的研究進(jìn)行了全面詳

3、細(xì)的介紹。另外，還詳細(xì)介紹了對實現(xiàn)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行測試的測試系統(tǒng)設(shè)計，最后給出了實現(xiàn)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的測試結(jié)果和分析。 論文的第一章從物理實驗、國防應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用及儀器三大方面介紹了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的需求，并分別以物理實驗中的第三代北京譜儀、國防應(yīng)用中的激光測距和工業(yè)儀器中的PET等為例介紹了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的具體應(yīng)用情況。 第二章介紹了實現(xiàn)時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的主要方法和手段，尤其重點介紹了當(dāng)前主流的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電

4、路實現(xiàn)方法——“粗”時間測量加“細(xì)”時間測量，并對其中“細(xì)”時間測量的技術(shù)方法做了進(jìn)一步的介紹。 第三章描述了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中常用的幾個技術(shù)指標(biāo)，這些技術(shù)指標(biāo)刻畫了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的性能。另外，本章還簡要分析了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中誤差的一些來源，并對轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)進(jìn)行了簡單介紹。 第四章首先介紹了FPGA的發(fā)展、結(jié)構(gòu)和原理，并對目前幾大FPGA供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行了總體介紹。在本章的最后介紹了到目前為止用FPGA來實現(xiàn)時間數(shù)字轉(zhuǎn)

5、換電路的各種技術(shù)和方法。 第五章是本論文的關(guān)鍵，在這一章中介紹了利用FPGA中的專用進(jìn)位連線實現(xiàn)時間內(nèi)插的設(shè)計思路，各種FPGA器件中進(jìn)位連線資源，以及實現(xiàn)時間內(nèi)插方法的嘗試研究。最后分別在Altera和Xilinx公司的FPGA器件中實現(xiàn)了時間內(nèi)插電路，并對實現(xiàn)的時間內(nèi)插電路進(jìn)行了時序仿真。 第六章首先調(diào)研了物理實驗對時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的需求，然后介紹了當(dāng)前物理實驗中典型的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器件——HPTDC，并介紹了我們設(shè)計

6、的利用FPGA中專用進(jìn)位連線實現(xiàn)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，最后對設(shè)計的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了時序仿真。 為了實際驗證和測試設(shè)計的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計了測試系統(tǒng)來測試設(shè)計的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，第七章詳細(xì)介紹了測試系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計考慮、設(shè)計框圖、硬件主要部分的設(shè)計和軟件主要部分的設(shè)計。 第八章首先介紹了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路主要參數(shù)的測試方法，并簡要介紹了一下測試的測試環(huán)境，然后分別給出了用Altera和Xilinx公司FPGA實現(xiàn)