3.8时间数字转换器TDC （Time to Digital Convert） -------高精度短时间间隔测量技术与方法--- 时间间隔的测量技术，尤其是高精度的时间间隔（皮秒1ps=10E-12s量级）的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计和数字示波器（Digital Oscilloscope ）等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事技术领域都离不开高精度的时间间隔测量技术。
时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高。1秒的测时误差会导致大海中的舰船偏离航线数百米，1微秒的测时误差会导致航天飞机不能安全返航。
精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。测量波束在测距仪器和被测目标之间往返的时间间隔与距离成正比，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。激光测距、雷达测距和超声波测距在军事、航天、航空、冶金等方面都有着广泛应用。军事上对打击目标的精确测距是精确打击的基础，提高时间间隔测量的分辨率，就意味着有效提高制导、引爆的精确度；在航空航天领域，飞行器通过精确测量波束往返所需的时间间隔来进行导航和高度标定等，飞行过程对时间间隔测量精度和实时性要求更为苛刻，实时精确地测量时间间隔，可以保障飞行器的安全飞行。
综上所述，精密时间间隔测量技术在航空、航天、精确制导以及核物理等领域有着广泛的应用，是导航、空间技术、通讯、工业生产、电力等应领域不可缺少的关键技术。精密时间间隔测量对测控技术在工业、国防及学技术的进步方面起到了举足轻重的作用。各学科的发展前沿，对时间、率电子测量技术的发展提出了越来越高的要求，研究微小时间间隔的测量法，进一步提高时间、频率测量分辨率，是当今科技高速发展所亟待解决课题。这方面所取得的新技术及成果，将会产生巨大的经济效益。
3.8.1时间间隔测量方法的分类
时间间隔直接测量方法有脉冲计数法、延迟时间内插法等；间接测量方法有时间电压变换(TDC)、游标时间内插法和脉冲宽度压缩时间内插法等。
“插值法”也称为“内插法”是上述个方法的基础。因此在介绍了基本的“脉冲计数法”的基础后，先介绍“内插法”，然后再介绍其它方法。
3.8.2脉冲计数法
脉冲计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。脉冲计数法中的脉冲是指参考时钟信号，参考时钟信号是脉冲计数法测时的时间基准，故又称时基信号。该方法用时基信号去填充被测时间间隔，通过对时基信号的脉冲计数来量化被测时间间隔。具体工作原理如下图所示。
在上图中，t0时刻对应被测时间间隔起始时刻，即事件1的上升沿，这里的事件泛指一个被测信号，t2时刻对应被测时间间隔终止时刻，即事件2的上升沿，被测时间间隔τ=t2–t0。在t0之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t1，在t2之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t3，脉冲计数法的直接测量对象为时间间
隔τ0=t3–t1，τ0为时基信号周期Tref 的整数倍。脉冲计数法的直接测量结果是一个自然数，这个自然数表征了τ0与Tref 的倍数关系，给出了被测时间间隔的定量表示。但是由于被测信号与时基信号没有同步关系，在用时基信号填充被测时间间隔的过程中存在随机误差，误差为Δτ=τ0–τ=t3–t1–t2+t0=T1–T0，–Tref ≤T1–T0≤Tref 。从脉冲计数法的误差公式可以看出，这种测量方法的最大误差等于时基信号的周期，分辨率为时基信号的周期。
为了提高脉冲计数法的测时分辨率，需要提高时基信号的频率，但过高的时基信号的频率会导致电路设计困难。此外该频率也不可无限度的提高。
3.8.3内插测时法
在时间间隔的测量过程中，当脉冲计数法的分辨率不能满足要求时，人们开始着眼于其它方法，其中时间内插方法是提高时间分辨率的有效手段。时间内插是在低分辨时基的基础上，获取高分辨率的一种测时技术。时间内插的测量分辨率比时基周期小，如下图所示，T0是被测事件信号上升沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T1是事件信号下降沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T0和T1是时间内插的测量对象。通过时间内插，可以将T0和T1这些小于时基周期的微小时间间隔进一步量化。图中下部是T0和T1的放大示意图，箭头代表进一步量化的刻度。
精确地时间应为：
T = n x Tc + T0 – T1
从图中可以看出，精确时间间隔的测量编程变成两个微小时间间隔的测量问题。下面介绍各种微小时间间隔的测量方法。
3.8.4时间间隔扩展法（模拟方法）
3.8.5时间-幅度转换法（模拟方法）
3.8.6游标法
3.8.7抽头延时线法
3.8.8差分延时线法
3.8.9高精度时间测量芯片TDC-GP2
德国ACAM 公司生产的一款通用型TDC 芯片。其内部结构如下图所示：
TDC- GP2 内部主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的 SPI 接口组成。在
实际应用中由于 TDC- GP2 功耗很低, TDC- GP2 的工作电压: 输入输出电压为
1.8～ 5.5V , 核电压为 1.8～ 3.6V , 所以可以采用电池供电, 使用方便。同时和单片机由 4 线的 SPI 相连, 可以把 TDC- GP2 作为单片机的一个外围设备来操作。
功能原理
TDC- GP2 是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的, 数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。
(1)测量范围1
测量范围1具有以下特点：两个stop 通道共用一个star 通道, 每个通道的典型分辨率65ps ，每个s top 通道都可以进行4 次采样。15ns 间隔脉冲对的分辨能力, 测量范围为3.5ns ～1.8μs ，每个通道都可以选择上升沿或下降沿触发。ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能, 可测量任意两个信号之间的时差。
数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。下图显示了这种测量绝对时间的TDC 的主要构架。芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。芯片的最大测量精度基本上由芯片内部门电路的最大传播延迟时间决定。
(2)测量范围2
测量范围2具有特点为：只有一个Stop 通道对应Start 通道, 典型的分辨率为 65ps , 有3次采样能力。测量范围：2×Tref ～4ms 间隔脉冲对的分辨率为 2xTref, 可选上升/下降沿触发。ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能。在测量范围 2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔, 分辨率保持不变。在此模式下, TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔, 仅仅测量从 START
和 STOP 到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间( fine- counts )。 在两次精密测量之间, TDC记下基准时钟的周期数( coars e- count)。测量单元由 START 信号触发, 接收到 STOP 信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔, 测量范围可达 26 位。
3.8.10应用举例
1．反射式脉冲激光测距
本实例实现了 1m 到 100m 之内的精确测距, 精度达到了1cm, 按键按一次测量一次距离, 可以连续测量, 并将测量结果在 LCD 上显示出来。由于脉冲激光发射器的功率决定了测量距离, 同时, 在接收反射回来的脉冲激光时有干扰信号, 因此脉冲激光发射接收系统的好坏直接决定了系统的工作性能。如何排除接收脉冲激光的干扰信号也是非常关键的。
2．GPS 接收机授时性能测试
3.8时间数字转换器TDC （Time to Digital Convert） -------高精度短时间间隔测量技术与方法--- 时间间隔的测量技术，尤其是高精度的时间间隔（皮秒1ps=10E-12s量级）的测量技术意义重大，不论是电信通讯，芯片设计和数字示波器（Digital Oscilloscope ）等工程领域，还是原子物理、天文观测等理论研究，以及激光测距、卫星定位等航天军事技术领域都离不开高精度的时间间隔测量技术。
时间间隔测量分辨率和精度与其应用环境有很大关系。在日常生活中，精确到分钟的测时精度已能满足人们的普通需要了，但现代军事、通讯、导航等领域对时间精确度的要求越来越高。1秒的测时误差会导致大海中的舰船偏离航线数百米，1微秒的测时误差会导致航天飞机不能安全返航。
精密时间间隔测量是高精度激光脉冲测距、超声波测距和雷达测距的物理基础。测量波束在测距仪器和被测目标之间往返的时间间隔与距离成正比，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。激光测距、雷达测距和超声波测距在军事、航天、航空、冶金等方面都有着广泛应用。军事上对打击目标的精确测距是精确打击的基础，提高时间间隔测量的分辨率，就意味着有效提高制导、引爆的精确度；在航空航天领域，飞行器通过精确测量波束往返所需的时间间隔来进行导航和高度标定等，飞行过程对时间间隔测量精度和实时性要求更为苛刻，实时精确地测量时间间隔，可以保障飞行器的安全飞行。
综上所述，精密时间间隔测量技术在航空、航天、精确制导以及核物理等领域有着广泛的应用，是导航、空间技术、通讯、工业生产、电力等应领域不可缺少的关键技术。精密时间间隔测量对测控技术在工业、国防及学技术的进步方面起到了举足轻重的作用。各学科的发展前沿，对时间、率电子测量技术的发展提出了越来越高的要求，研究微小时间间隔的测量法，进一步提高时间、频率测量分辨率，是当今科技高速发展所亟待解决课题。这方面所取得的新技术及成果，将会产生巨大的经济效益。
3.8.1时间间隔测量方法的分类
时间间隔直接测量方法有脉冲计数法、延迟时间内插法等；间接测量方法有时间电压变换(TDC)、游标时间内插法和脉冲宽度压缩时间内插法等。
“插值法”也称为“内插法”是上述个方法的基础。因此在介绍了基本的“脉冲计数法”的基础后，先介绍“内插法”，然后再介绍其它方法。
3.8.2脉冲计数法
脉冲计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。脉冲计数法中的脉冲是指参考时钟信号，参考时钟信号是脉冲计数法测时的时间基准，故又称时基信号。该方法用时基信号去填充被测时间间隔，通过对时基信号的脉冲计数来量化被测时间间隔。具体工作原理如下图所示。
在上图中，t0时刻对应被测时间间隔起始时刻，即事件1的上升沿，这里的事件泛指一个被测信号，t2时刻对应被测时间间隔终止时刻，即事件2的上升沿，被测时间间隔τ=t2–t0。在t0之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t1，在t2之后，时基信号的第一个上升沿时刻为t3，脉冲计数法的直接测量对象为时间间
隔τ0=t3–t1，τ0为时基信号周期Tref 的整数倍。脉冲计数法的直接测量结果是一个自然数，这个自然数表征了τ0与Tref 的倍数关系，给出了被测时间间隔的定量表示。但是由于被测信号与时基信号没有同步关系，在用时基信号填充被测时间间隔的过程中存在随机误差，误差为Δτ=τ0–τ=t3–t1–t2+t0=T1–T0，–Tref ≤T1–T0≤Tref 。从脉冲计数法的误差公式可以看出，这种测量方法的最大误差等于时基信号的周期，分辨率为时基信号的周期。
为了提高脉冲计数法的测时分辨率，需要提高时基信号的频率，但过高的时基信号的频率会导致电路设计困难。此外该频率也不可无限度的提高。
3.8.3内插测时法
在时间间隔的测量过程中，当脉冲计数法的分辨率不能满足要求时，人们开始着眼于其它方法，其中时间内插方法是提高时间分辨率的有效手段。时间内插是在低分辨时基的基础上，获取高分辨率的一种测时技术。时间内插的测量分辨率比时基周期小，如下图所示，T0是被测事件信号上升沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T1是事件信号下降沿与时基信号上升沿之间的时间间隔，T0和T1是时间内插的测量对象。通过时间内插，可以将T0和T1这些小于时基周期的微小时间间隔进一步量化。图中下部是T0和T1的放大示意图，箭头代表进一步量化的刻度。
精确地时间应为：
T = n x Tc + T0 – T1
从图中可以看出，精确时间间隔的测量编程变成两个微小时间间隔的测量问题。下面介绍各种微小时间间隔的测量方法。
3.8.4时间间隔扩展法（模拟方法）
3.8.5时间-幅度转换法（模拟方法）
3.8.6游标法
3.8.7抽头延时线法
3.8.8差分延时线法
3.8.9高精度时间测量芯片TDC-GP2
德国ACAM 公司生产的一款通用型TDC 芯片。其内部结构如下图所示：
TDC- GP2 内部主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的 SPI 接口组成。在
实际应用中由于 TDC- GP2 功耗很低, TDC- GP2 的工作电压: 输入输出电压为
1.8～ 5.5V , 核电压为 1.8～ 3.6V , 所以可以采用电池供电, 使用方便。同时和单片机由 4 线的 SPI 相连, 可以把 TDC- GP2 作为单片机的一个外围设备来操作。
功能原理
TDC- GP2 是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的, 数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。
(1)测量范围1
测量范围1具有以下特点：两个stop 通道共用一个star 通道, 每个通道的典型分辨率65ps ，每个s top 通道都可以进行4 次采样。15ns 间隔脉冲对的分辨能力, 测量范围为3.5ns ～1.8μs ，每个通道都可以选择上升沿或下降沿触发。ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能, 可测量任意两个信号之间的时差。
数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。下图显示了这种测量绝对时间的TDC 的主要构架。芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。芯片的最大测量精度基本上由芯片内部门电路的最大传播延迟时间决定。
(2)测量范围2
测量范围2具有特点为：只有一个Stop 通道对应Start 通道, 典型的分辨率为 65ps , 有3次采样能力。测量范围：2×Tref ～4ms 间隔脉冲对的分辨率为 2xTref, 可选上升/下降沿触发。ENABLE 引脚提供强大的停止信号产生功能。在测量范围 2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔, 分辨率保持不变。在此模式下, TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔, 仅仅测量从 START
和 STOP 到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间( fine- counts )。 在两次精密测量之间, TDC记下基准时钟的周期数( coars e- count)。测量单元由 START 信号触发, 接收到 STOP 信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔, 测量范围可达 26 位。
3.8.10应用举例
1．反射式脉冲激光测距
本实例实现了 1m 到 100m 之内的精确测距, 精度达到了1cm, 按键按一次测量一次距离, 可以连续测量, 并将测量结果在 LCD 上显示出来。由于脉冲激光发射器的功率决定了测量距离, 同时, 在接收反射回来的脉冲激光时有干扰信号, 因此脉冲激光发射接收系统的好坏直接决定了系统的工作性能。如何排除接收脉冲激光的干扰信号也是非常关键的。
2．GPS 接收机授时性能测试