基于FPGA的精密時間-數(shù)字轉換電路研究.pdf

1、時間是物質存在和運動的基本屬性之一。精密的時間作為科學研究、科學實驗和工程技術諸方面的基本物理參量，為一切動力學系統(tǒng)和時序過程的測量和定量研究提供了必不可少的時基坐標。精密的時間不僅在原子核物理研究、粒子物理研究、地球動力學研究、相對論研究、脈沖星周期研究和人造衛(wèi)星動力學測地等基礎研究領域有重要的作用，而且在諸如航空航天、深空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、地質測繪、導航通信、電力傳輸和科學計量等應用研究、國防和國民經濟建設中也有普遍的應用，甚至

2、已經深入到人們社會生活的方方面面，幾乎無所不及。精密時間測量的基本手段是精密的時間數(shù)字轉換電路。 精密時間數(shù)字轉換電路有多種實現(xiàn)方法，本論文主要研究的是利用現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)中的專用進位連線來實現(xiàn)精密的時間數(shù)字轉換電路。FPGA中有著豐富的資源，目前已經有很多基于FPGA實現(xiàn)時間數(shù)字轉換電路的研究工作。本論文在調研了以前時間數(shù)字轉換電路工作的基礎上，對用FPGA中的專用進位連線來實現(xiàn)時間數(shù)字轉換電路的研究進行了全面詳

3、細的介紹。另外，還詳細介紹了對實現(xiàn)的時間數(shù)字轉換電路進行測試的測試系統(tǒng)設計，最后給出了實現(xiàn)的時間數(shù)字轉換電路的測試結果和分析。 論文的第一章從物理實驗、國防應用、工業(yè)應用及儀器三大方面介紹了時間數(shù)字轉換電路的需求，并分別以物理實驗中的第三代北京譜儀、國防應用中的激光測距和工業(yè)儀器中的PET等為例介紹了時間數(shù)字轉換電路的具體應用情況。 第二章介紹了實現(xiàn)時間數(shù)字轉換電路的主要方法和手段，尤其重點介紹了當前主流的時間數(shù)字轉換電

4、路實現(xiàn)方法——“粗”時間測量加“細”時間測量，并對其中“細”時間測量的技術方法做了進一步的介紹。 第三章描述了時間數(shù)字轉換電路中常用的幾個技術指標，這些技術指標刻畫了時間數(shù)字轉換電路的性能。另外，本章還簡要分析了時間數(shù)字轉換電路中誤差的一些來源，并對轉換器校準進行了簡單介紹。 第四章首先介紹了FPGA的發(fā)展、結構和原理，并對目前幾大FPGA供應商的產品進行了總體介紹。在本章的最后介紹了到目前為止用FPGA來實現(xiàn)時間數(shù)字轉

5、換電路的各種技術和方法。 第五章是本論文的關鍵，在這一章中介紹了利用FPGA中的專用進位連線實現(xiàn)時間內插的設計思路，各種FPGA器件中進位連線資源，以及實現(xiàn)時間內插方法的嘗試研究。最后分別在Altera和Xilinx公司的FPGA器件中實現(xiàn)了時間內插電路，并對實現(xiàn)的時間內插電路進行了時序仿真。 第六章首先調研了物理實驗對時間數(shù)字轉換電路的需求，然后介紹了當前物理實驗中典型的時間數(shù)字轉換器件——HPTDC，并介紹了我們設計

6、的利用FPGA中專用進位連線實現(xiàn)的時間數(shù)字轉換電路，最后對設計的時間數(shù)字轉換電路進行了時序仿真。 為了實際驗證和測試設計的時間數(shù)字轉換電路，設計了測試系統(tǒng)來測試設計的時間數(shù)字轉換電路，第七章詳細介紹了測試系統(tǒng)的設計目標、設計考慮、設計框圖、硬件主要部分的設計和軟件主要部分的設計。 第八章首先介紹了時間數(shù)字轉換電路主要參數(shù)的測試方法，并簡要介紹了一下測試的測試環(huán)境，然后分別給出了用Altera和Xilinx公司FPGA實現(xiàn)