一种基于多延时链切换的时间数字转换器非线性校正方法与流程

本发明涉及时间量的数字化测量，具体设计一种基于多延时链切换的tdc电路非线性校正方法。

背景技术：

1、tdc是时间数字转换器，是一种用于测量两个时间事件间的间隔的技术。tdc在激光雷达、超声波、粒子物理、频率合成等领域有广泛的应用。

2、基于fpga的tdc，常采用粗计数和细计数相结合的方法，粗计数用于统计start信号和stop信号之间完整的时钟周期的个数，而细计数用于测量小于一个时钟周期内信号传播的时间间隔，即统计经过了多少个延迟单元。粗计数和细计数的结果相加，就得到了时间间隔的测量值。tdc的分辨率主要取决于单个延迟单元的延迟时间，而测量范围主要取决于延迟链的长度；非线性度主要受到延迟单元的延迟时间不一致、芯片制程工艺不同、芯片的电压和温度变化以及信号串扰等因素的影响。

3、码密度测试是一种用于评估和校准tdc的非线性度的方法，它通过向tdc输入大量的随机时间间隔，统计tdc细计数的输出码的分布情况，计算每个码的出现概率和理想概率之间的差异，从而得到tdc的微分非线性和积分非线性的值。在tdc的校准阶段，需要对tdc的非线性度进行校准和补偿，以消除或减小非线性度对测量结果的影响。在tdc的使用阶段，需要对tdc的非线性度进行监测和更新，以保证tdc的性能和可靠性，检测tdc的非线性度是否发生变化或异常，以及影响非线性度的因素，如温度变化、电压变化、电磁干扰等。根据码密度测试的结果，可以对tdc的校准参数和系数进行更新和调整，以适应不同的环境和条件。但是在tdc使用阶段对延迟链的非线性度进行码密度测试，会中断正常的测量进程，影响测量的连续性，造成测量数据的遗漏。为此，本发明提出一种基于多延时链切换的tdc非线性校正方法，在不影响测量电路正常工作的前提下，由监测电路对tdc的非线性度进行检测，并在出现异常时，将测量电路切换到重新校准后的新的延时链上，以保证tdc工作的连续性和准确性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的在于提供出一种基于多延时链切换的tdc非线性校正方法。本发明提出的tdc非线性校正方法，该方法采用了基于多延时链切换的tdc非线性校正系统，所述系统包括一个主控模块和多个细计数电路，其中所述细计数电路包括信号发生模块，延时链模块，数据存储模块，数据比对模块，输出模块；

2、其中信号发生模块与延时链模块相连；延时链模块与计数存储模块相连；延时链模块与比对模块相连；主控模块分别与信号发生模块相连、计数存储模块相连、比对模块相连；

3、并且其中信号发生模块包括外部触发信号单元，环形振荡器单元，测试信号产生单元，以及用于切换三路信号的三选一信号选择器开关；所述外部触发信号单元，用于将外部触发信号接入到信号发生模块中，所述环形振荡器单元，用于产生码密度测试需要的测试时钟信号，所述测试信号产生单元，用于产生若干个长度不同的测试信号，用于对延时链模块进行测试，所述三选一信号选择器开关，在主控单元的控制下，选择上述三个单元中的某一路信号，输出到后续的延时链模块中。

4、其中所述延时链模块，包括延时链单元，采样单元，解码单元；延时链单元由多个相同的延迟部件首尾收尾相连构成；采样单元根据时钟信号对延时链单元进行采样；解码单元对采样单元锁存的数据进行解码并输出；

5、其中所述数据存储模块，在三选一数据选择器开关选择环形振荡器单元产生的信号进行输出时，对输出的数据进行计数和存储，进行码密度测试；在三选一数据选择器开关选择外部触发信号，或测试信号时，输入的数据通过数据存储模块转换成码密度测试后的数据进行输出；

6、主控模块控制多个细计数电路同时开始进行码密度测试，测试产生的数据由数据存储模块进行累加和存储。在码密度测试进行完成之后，由主控模块选择一路细计数电路，作为测量电路，其余细计数电路被设置为检测电路；

7、码密度测试结束后，主控模块对细计数中的信号发生模块进行控制：

8、对于测量电路，信号发生模块通过三选一数据选择器开关持续将外部触发信号送入到后续电路中，并最终将测量结果由输出模块进行持续输出；

9、对于检测电路，则根据信号发生模块测试信号产生单元产生的测试信号，对检测电路中的延时模块进行监测，具体步骤为：

10、s1：当细计数电路被设置为检测电路后，当其中的信号发生模块有外部触发信号输入时，在主控模块的控制下，将测试信号产生单元产生的测试信号，送入到延时链模块；

11、s2:延时链某块模块对测试信号进行测量，测量的结果经由数据存储模块，送入到数据比对模块；

12、s3:数据比对模块对测量的结果同数据比对模块存储的实际值进行比对运算，获得偏差值n，并将偏差值n送入到主控模块中；

13、s4:主控模块对偏差值n进行分析，当偏差值n超过设定的阈值m时，主控模块控制所有的检测电路重新进行码密度测试；

14、s5：所有的检测电路码密度测试完成后，主控模块选择一个检测电路作为测量备用电路；

15、s6:在选择好测量备用电路后，主控模块会检测测量电路的工作状态，在工作电路空闲的情况下对两个电路进行切换，将测量备用电路切换为测量电路，将原有的测量电路切换为检测电路；

16、s7：切换完成后，新的测量电路继续对外部触发信号进行持续测量，其余细计数电路均被设置为检测电路；

17、s8:上述操作完成后，主控电路控制所有的检测电路重新从步骤s1开始进行新一轮的检测。本发明有益效果:

18、本发明提出了一种基于多延时链切换的tdc非线性校正方法，通过对固定时间长度的测试信号进行测量和比对，对tdc的非线性度进行监测，而不需要外接如温度、湿度等传感器去判断外界环境的变化。本发明采用的多路延时链切换的校正方法，能够在不影响测量电路正常工作的前提下，由监测电路对tdc的非线性度进行检测，并在出现异常时，将测量电路切换到重新校准后的新的延时链上，以保证tdc工作的连续性和准确性。

技术特征：

1.一种基于多延时链切换的时间数字转换器非线性校正方法，其中，该方法采用了基于多延时链切换的时间数字转换器非线性校正系统，所述系统包括一个主控模块和多个细计数电路，其中所述细计数电路包括信号发生模块，延时链模块，数据存储模块，数据比对模块，输出模块；

技术总结一种基于多延时链切换的时间数字转换器非线性校正方法，通过对固定时间长度的测试信号进行测量和比对，对时间数字转换器的非线性度进行监测，而不需要外接如温度、湿度等传感器去判断外界环境的变化。采用的多路延时链切换的校正方法，能够在不影响测量电路正常工作的前提下，由监测电路对时间数字转换器的非线性度进行检测，并在出现异常时，将测量电路切换到重新校准后的新的延时链上，以保证时间数字转换器工作的连续性和准确性。技术研发人员：贾正森,王玉琢,徐倩,杨东方,张爱敏受保护的技术使用者：中国计量科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/13