时间数字转换装置及时间间隔测量方法与流程

本技术涉及时间精准测量，具体而言，涉及一种时间数字转换装置及时间间隔测量方法。

背景技术：

1、随着科学技术的不断发展，空间科学、医学诊断和成像、核物理、量子通信、激光探测等众多领域需要针对速度或距离进行测量，通常采用时间数字转换器(time-to-digitalconverter，tdc)将对速度或距离的测量转化为时间的测量，以通过测量出的时间表征具体的速度大小或距离大小。而随着fpga(field-programmable gate array，现场可编程门阵列)技术的快速发展以及性价比不断提高，采用fpga技术设计时间数字转换器(tdc)不仅可以达到较高的时间分辨率，同时在低成本与快速开发周期上具有较大优势而具有深远的应用前景。

2、但值得注意的是，由于fpga内部结构的特殊性，fpga内部的延时链单元的延迟时间会随着内部温度和/或内部电压的变化而发生变化，导致对应时间数字转换器最终的时间测量结果产生测量偏差。

3、目前，业界主流通常通过为基于fpga的时间数字转换器外置一个额外的校准电路，以通过该校准电路对时间测量结果进行延迟时间校准，来提升时间数字转换器的时间测量精准度。但这种时间测量校准方案需要花费较高的延迟时间校准成本，且对应的延迟时间校准精准度及时间测量效率不高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的在于提供一种时间数字转换装置及时间间隔测量方法，能够在无需外置校准电路的情况下，复用细时间测量单元实现延时链单元的延迟时间实时校准功能以及被测停止信号的细时间延时测量功能，从而在降低延迟时间校准成本，提升延迟时间校准精准度的同时，有效确保时间测量精准度及时间测量效率。

2、为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：

3、第一方面，本技术提供一种时间数字转换装置，所述装置包括延时链单元、粗时间测量单元、细时间测量单元、时隔输出单元及信号切换单元；

4、所述延时链单元外接时钟信号，所述粗时间测量单元与所述延时链单元电性连接，所述粗时间测量单元外接开始测量信号，其中所述粗时间测量单元用于对所述开始测量信号上升沿到来之后的时钟信号上升沿数目进行计数；

5、所述信号切换单元外接延时校准信号及停止测量信号，所述信号切换单元与所述延时链单元电性连接，其中所述信号切换单元用于切换所述延时校准信号或所述停止测量信号输入到所述延时链单元中进行传输；

6、所述细时间测量单元与所述延时链单元电性连接，用于在所述延时链单元传输所述延时校准信号时，根据所述延时校准信号在所述延时链单元处的传输状况实时校准所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间，并在所述延时链单元传输所述停止测量信号时，根据校准出的单个延时模块的延迟时间测量所述停止测量信号上升沿与目标时钟信号上升沿之间的目标时间长度，其中所述目标时钟信号上升沿为所述停止测量信号上升沿到来之后的第一个时钟信号上升沿；

7、所述时隔输出单元与所述细时间测量单元及所述粗时间测量单元同时电性连接，用于根据所述粗时间测量单元计数出的时钟信号上升沿数目及所述细时间测量单元测量出的目标时间长度，计算所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间的时间间隔。

8、在可选的实施方式中，所述延时链单元包括触发器阵列、编码器及多个延时模块；

9、所述多个延时模块相互级联，用于对所述延时链单元的输入信号进行延迟传输；

10、所述触发器阵列包括多个触发器，每个触发器对应连接一个所述延时模块，用于在时钟信号上升沿到来时锁存各延时模块的信号输出，得到所述输入信号在所述时钟信号上升沿到来时于所述延时链单元内的信号传输状况；

11、所述编码器与所述触发器阵列电性连接，用于所述输入信号在所述时钟信号上升沿到来时于所述延时链单元内的信号传输状况进行编码转换，得到所述细时间测量单元和所述粗时间测量单元均可识别的二进制码数据。

12、在可选的实施方式中，所述延时链单元的所有延时模块各自的延迟时间之和大于所述时钟信号的单个时钟周期，所述延时链单元的所有延时模块均为fpga芯片内部的一个超前快速进位逻辑结构。

13、在可选的实施方式中，在所述延时链单元传输所述延时校准信号的情况下，所述细时间测量单元从所述延时链单元处获取在相邻两个时钟信号上升沿到来时捕获到所述延时校准信号上升沿的目标延时模块位置；

14、所述细时间测量单元根据所述相邻两个时钟信号上升沿各自对应的目标延时模块位置，计算所述延时链单元在单个时钟周期内传输所述延时校准信号所需的遍历延时模块数目；

15、所述细时间测量单元对所述时钟周期与所述遍历延时模块数目进行除法运算，以校准出所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间。

16、在可选的实施方式中，所述装置还包括时钟校准产生单元；

17、所述时钟校准产生单元与所述延时链单元电性连接，用于产生时钟信号，并将产生的时钟信号传输给所述延时链单元；

18、所述时钟校准产生单元还与所述信号切换单元电性连接，用于对产生的时钟信号进行相位调整处理，得到对应的延时校准信号，并将得到的延时校准信号传输给所述信号切换单元。

19、在可选的实施方式中，所述装置还包括测量信号产生单元；

20、所述测量信号产生单元与所述粗时间测量单元电性连接，用于产生开始测量信号，并将产生的开始测量信号传输给所述粗时间测量单元；

21、所述测量信号产生单元还与所述信号切换单元电性连接，用于产生停止测量信号，并将产生的停止测量信号传输给所述信号切换单元。

22、第二方面，本技术提供一种时间间隔测量方法，应用于前述实施方式中任意一项所述的时间数字转换装置，所述方法包括：

23、控制粗时间测量单元在接收到的开始测量信号上升沿到来后进行时钟信号上升沿计数；

24、控制信号切换单元将外接的停止测量信号输入到延时链单元中进行传输，使细时间测量单元基于当前已校准出的所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间，对所述停止测量信号上升沿与目标时钟信号上升沿之间的目标时间长度进行测量，其中所述目标时钟信号上升沿为所述停止测量信号上升沿到来之后的第一个时钟信号上升沿；

25、控制所述时隔输出单元根据所述细时间测量单元测量出的目标时间长度，以及所述粗时间测量单元在所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间计数出的时钟信号上升沿数目，计算所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间的时间间隔。

26、在可选的实施方式中，所述根据所述细时间测量单元测量出的目标时间长度，以及所述粗时间测量单元在所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间计数出的时钟信号上升沿数目，计算所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间的时间间隔的步骤，包括：

27、计算时钟信号的单个时钟周期与所述目标时间长度之间的时间差值，得到第一待叠加时间长度；

28、根据所述时钟信号的单个时钟周期，计算与所述粗时间测量单元计数出的时钟信号上升沿数目对应的时间长度，得到第二待叠加时间长度；

29、对所述第一待叠加时间长度与所述第二待叠加时间长度进行加法运算，得到所述开始测量信号上升沿与所述停止测量信号上升沿之间的时间间隔。

30、在可选的实施方式中，所述方法还包括：

31、控制所述信号切换单元将外接的延时校准信号输入到所述延时链单元中进行传输；

32、控制所述细时间测量单元根据所述延时校准信号在所述延时链单元处的传输状况，实时校准所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间。

33、在可选的实施方式中，所述根据所述延时校准信号在所述延时链单元处的传输状况，实时校准所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间的步骤，包括：

34、获取所述延时链单元在相邻两个时钟信号上升沿到来时捕获到所述延时校准信号上升沿的目标延时模块位置；

35、根据所述相邻两个时钟信号上升沿各自对应的目标延时模块位置，计算所述延时链单元在单个时钟周期内传输所述延时校准信号所需的遍历延时模块数目；

36、对所述时钟周期与所述遍历延时模块数目进行除法运算，以校准出所述延时链单元中单个延时模块的延迟时间。

37、在此情况下，本技术实施例的有益效果可以包括以下内容：

38、本技术通过将粗时间测量单元与外接时钟信号的延时链单元电性连接，使该粗时间测量单元对自身外接的开始测量信号上升沿到来之后的时钟信号上升沿数目进行计数，并通过信号切换单元切换外接的延时校准信号或停止测量信号输入到延时链单元中进行传输，由细时间测量单元在延时链单元传输延时校准信号时，根据延时校准信号在延时链单元处的传输状况实时校准延时链单元中单个延时模块的延迟时间，并由该细时间测量单元在延时链单元传输停止测量信号时，根据校准出的单个延时模块的延迟时间测量停止测量信号上升沿与目标时钟信号上升沿之间的目标时间长度，而后由时隔输出单元根据粗时间测量单元计数出的时钟信号上升沿数目及细时间测量单元测量出的目标时间长度，计算开始测量信号上升沿与停止测量信号上升沿之间的时间间隔，从而在无需外置校准电路的情况下，复用细时间测量单元实现延时链单元的延迟时间实时校准功能以及被测停止信号的细时间延时测量功能，以在降低时间数字转换装置的延迟时间校准成本，提升延迟时间校准精准度的同时，有效确保时间测量精准度及时间测量效率。

39、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。