李海涛 李斌康 田 耕 阮林波 赵 前 吕宗璟

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室 西安 710024)

1 引言

时间作为物理学中7个基本物理量之一，在物理学的发展中起着至关重要的作用，精确获取研究对象的时间信息具有重要的意义。对时间信息的获取可以由时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)来实现，TDC将时间间隔转换为二进制数字编码，输出到后端分析得到具体的时间信息。TDC广泛应用在高能物理、导航定位、卫星授时、数字通信、医学成像等众多领域，特别是在高能物理实验中[1,2]，TDC获取的时间信息能够间接反映粒子的动量、质量等信息，对鉴别粒子种类、诊断粒子反应过程等有很重要的作用。

TDC有多种实现方法，包括时间间隔扩展法、时间幅度转换法、直接计数法、时钟分相法、游标法、抽头延迟链法和差分延迟链法等；各种方法可以独立使用，也可以配合使用，可以实现从普通精度到高精度、从粗时间到细时间的时间间隔测量。从实现方法上来看，TDC的实现方法可以分为模拟方法和数字方法；从实现平台上看，TDC可以在专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等平台上实现。ASIC-TDC的测量精度和稳定性更高，但是，ASIC-TDC都是针对某一具体应用设计，不具有普适性，并且开发一款ASIC芯片周期很长；FPGA-TDC具有开发周期短、集成度高、成本低、设计灵活等优点，但是其非线性较差。

随着微电子技术、半导体制造工艺的发展，FPGA-TDC的测量精度、稳定性等同步提高，在FPGA上实现高精度TDC具有重要研究意义。目前，基于FPGA实现的高精度TDC的研究主要集中在几个方面：(1) TDC的实现，基于FPGA内部资源实现高精度TDC，把时间信息转换成二进制编码，通过查找表输出至后端；……