第十七講 時間測量方法

第十七講時間測量方法第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

2時間應(yīng)用基礎(chǔ)研究原子核和粒子物理研究、地球動力學(xué)研究、相對論研究應(yīng)用研究、國防、國民經(jīng)濟建設(shè)航空航天、深空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、信息高速公路、地質(zhì)測繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計量等第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

3固定靶實驗中的時間測量高能物理等物理實驗中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一加速的脈沖束流轟擊固定靶，產(chǎn)生的次級粒子被固定靶后面的探測器“墻”檢測對每個事例，束流探測器探測到每個束流作為每個事例的“起始”信號，所有探測器的輸出經(jīng)甄別后接到時間測量電路中作為“停止”信號第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

4對撞實驗中的時間測量高能物理等物理實驗中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一兩束粒子被加速后相撞，對撞后產(chǎn)生的次級粒子從對撞點向四周飛行，圍繞著對撞點放置大量探測器通過測量帶電粒子的飛行時間△t，結(jié)合徑跡探測器測量同一粒子的動量p和飛行徑跡長度l，得到粒子的本征質(zhì)量m0，鑒別出帶電粒子的種類第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

5粒子物理實驗中的時間測量TOF:TimeofFlight第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

6飛行時間質(zhì)譜儀中的時間測量1/2mv2=eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/2第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

7激光測距中的時間測量由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管雪崩光電二極管：內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，能檢測極其微弱的光信號記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的往返時間tD=ct/2要想使分辨率達(dá)到10cm，則傳輸時間的測量分辨率好于600ps第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

8子彈速度測量中的時間測量第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

9超聲波流量測試?yán)锏臅r間測量第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

10超聲波厚度、密度檢測中的時間測量厚度檢測密度檢測第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

11時間測量電路的性能參數(shù)動態(tài)范圍（measurementrange,MR）分辨率（resolution/leastsignificantbit/quantizationstep,LSB/Bin）精度（standardmeausrementuncertainty/randomerror,RMS）非線性（DNL、INL）死時間（deadtime）讀出速度……第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

12基本的時間測量方法波形數(shù)字化甄別與數(shù)字變換定時甄別：將一個物理事例的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個具有時間信息的數(shù)字邏輯信號前沿定時過零定時恒比定時……時間數(shù)字變換（TDC）第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

13TDC的分類按實現(xiàn)手段分類模擬式（TAC+ADC……）數(shù)字式（計數(shù)器型……）按測量對象分類起停型（Start-StopType）TDC時間戳型（TimeStampType）TDC流水線型（Pipeline）TDC事例驅(qū)動型（DataDriven）TDC如何得到高的時間分辨？第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

14TAC時間測量（起停型）較小的死時間取決于ADC轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到較高分辨率目前LSB：1ps~20ps容易受環(huán)境溫度和外界干擾影響影響時間測量精度的主要因素：恒流源的穩(wěn)定性、充電電容的線性、電路噪聲（特別是積分環(huán)節(jié)上的噪聲），及后續(xù)ADC電路的特性第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

15簡單起停型TAC工作波形圖（1）正常工作第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

16起停型TAC工作波形圖（2）有起無停/超出動態(tài)范圍先停后起第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

17差分電流積分TAC工作原理第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

18差分電流積分TAC工作波形第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

19時幅變換的性能指標(biāo)及測量時間測量精度積分非線性微分非線性第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

20Wilkinson型TDC（雙斜率型TDC）第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

21直接時間數(shù)字變換（計數(shù)器型）易于實現(xiàn)異步計數(shù)器同步計數(shù)器格雷碼計數(shù)器容易得到大的動態(tài)范圍增加一個觸發(fā)器即擴大一倍動態(tài)范圍精度不易提高1GHz時鐘頻率LSB=1ns與信號異步，最大誤差±LSB可通過多次測量求平均提高精度第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

22起停計數(shù)型TDC工作原理CounterClockStartStopStart-stoptype第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

23起停計數(shù)型TDC工作波形第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

24起停計數(shù)型TDC最好使用格雷碼計數(shù)器自激振蕩時鐘和他激振蕩時鐘提高分辨率依賴于時鐘速度的提高，困難可以利用時間內(nèi)插方法提高分辨率第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

25自激時鐘造成計數(shù)誤差第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

26電路構(gòu)成：

門電路A、B和延遲器構(gòu)成一個多諧振蕩器

D型觸發(fā)器為多諧振蕩器的控制電路初始狀態(tài)：

/Q=H，封鎖門A

門A的輸出=H

門B的互補輸出=L工作狀態(tài)：

/Q：HL，解除封鎖

門A的輸出：HL

門B的互補輸出：LH

然后循環(huán)跳變他激振蕩——門控多諧振蕩器第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

27門控多諧振蕩器電路設(shè)計考慮兩個基本的設(shè)計考慮，確保門控多諧振蕩器的性能：采用速度最快的ECLinPS電路ECLinPS電路最小傳輸延遲時間為300ps，上升、下降沿不超過500psECLinPS電路的亞毫微秒傳輸延遲時間和上升、下降沿確保了多諧振蕩器狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，最大限度地消除了時鐘抖動起振時間僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps，而且ECLinPS電路傳輸延遲時間的不確定性非常小，因而其同步誤差極少使用ECL的有源延遲線作為定時電路采用高速ECL有源延遲線來取代RC定時電路，產(chǎn)生必需的延遲時間，這樣就有效地消除了由RC定時電路帶來的時鐘抖動第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

28門控多諧振蕩器的特點同步性能好同步誤差可以小到幾十ps的數(shù)量級起振快僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps頻率范圍大，調(diào)節(jié)方便調(diào)節(jié)定時電路的延遲時間，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出時鐘信號的頻率頻率穩(wěn)定性較好ECL電路的溫度補償電路和穩(wěn)定的工作電流特點，使其傳輸延遲時間隨溫度和工作電壓的影響較小，因而，相對TTL和CMOS電路有較好的頻率穩(wěn)定性ECL電路的快速前、后沿，使得信號抖動較小第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

29起停型和時間戳型TDCCounterClockStartStopStart-stoptypeCounterClockRegisterHitResetTimeStamptype第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三20