第十七講 時(shí)間測(cè)量方法

第十七講時(shí)間測(cè)量方法第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

2時(shí)間應(yīng)用基礎(chǔ)研究原子核和粒子物理研究、地球動(dòng)力學(xué)研究、相對(duì)論研究應(yīng)用研究、國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(cè)繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計(jì)量等第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

3固定靶實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測(cè)量高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級(jí)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(jí)粒子被固定靶后面的探測(cè)器“墻”檢測(cè)對(duì)每個(gè)事例，束流探測(cè)器探測(cè)到每個(gè)束流作為每個(gè)事例的“起始”信號(hào)，所有探測(cè)器的輸出經(jīng)甄別后接到時(shí)間測(cè)量電路中作為“停止”信號(hào)第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

4對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測(cè)量高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級(jí)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(duì)撞后產(chǎn)生的次級(jí)粒子從對(duì)撞點(diǎn)向四周飛行，圍繞著對(duì)撞點(diǎn)放置大量探測(cè)器通過(guò)測(cè)量帶電粒子的飛行時(shí)間△t，結(jié)合徑跡探測(cè)器測(cè)量同一粒子的動(dòng)量p和飛行徑跡長(zhǎng)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(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

5粒子物理實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測(cè)量TOF:TimeofFlight第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

6飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中的時(shí)間測(cè)量1/2mv2=eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/2第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

7激光測(cè)距中的時(shí)間測(cè)量由激光二極管對(duì)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(cè)極其微弱的光信號(hào)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(shí)間tD=ct/2要想使分辨率達(dá)到10cm，則傳輸時(shí)間的測(cè)量分辨率好于600ps第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

8子彈速度測(cè)量中的時(shí)間測(cè)量第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

9超聲波流量測(cè)試?yán)锏臅r(shí)間測(cè)量第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

10超聲波厚度、密度檢測(cè)中的時(shí)間測(cè)量厚度檢測(cè)密度檢測(cè)第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

11時(shí)間測(cè)量電路的性能參數(shù)動(dòng)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(shí)間（deadtime）讀出速度……第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

12基本的時(shí)間測(cè)量方法波形數(shù)字化甄別與數(shù)字變換定時(shí)甄別：將一個(gè)物理事例的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有時(shí)間信息的數(shù)字邏輯信號(hào)前沿定時(shí)過(guò)零定時(shí)恒比定時(shí)……時(shí)間數(shù)字變換（TDC）第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

13TDC的分類按實(shí)現(xiàn)手段分類模擬式（TAC+ADC……）數(shù)字式（計(jì)數(shù)器型……）按測(cè)量對(duì)象分類起停型（Start-StopType）TDC時(shí)間戳型（TimeStampType）TDC流水線型（Pipeline）TDC事例驅(qū)動(dòng)型（DataDriven）TDC如何得到高的時(shí)間分辨？第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

14TAC時(shí)間測(cè)量（起停型）較小的死時(shí)間取決于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間測(cè)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(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

15簡(jiǎn)單起停型TAC工作波形圖（1）正常工作第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

16起停型TAC工作波形圖（2）有起無(wú)停/超出動(dòng)態(tài)范圍先停后起第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

17差分電流積分TAC工作原理第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

18差分電流積分TAC工作波形第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

19時(shí)幅變換的性能指標(biāo)及測(cè)量時(shí)間測(cè)量精度積分非線性微分非線性第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

20Wilkinson型TDC（雙斜率型TDC）第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

21直接時(shí)間數(shù)字變換（計(jì)數(shù)器型）易于實(shí)現(xiàn)異步計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器格雷碼計(jì)數(shù)器容易得到大的動(dòng)態(tài)范圍增加一個(gè)觸發(fā)器即擴(kuò)大一倍動(dòng)態(tài)范圍精度不易提高1GHz時(shí)鐘頻率LSB=1ns與信號(hào)異步，最大誤差±LSB可通過(guò)多次測(cè)量求平均提高精度第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

22起停計(jì)數(shù)型TDC工作原理CounterClockStartStopStart-stoptype第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

23起停計(jì)數(shù)型TDC工作波形第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2011-04-20中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

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

25自激時(shí)鐘造成計(jì)數(shù)誤差第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

26電路構(gòu)成：

門(mén)電路A、B和延遲器構(gòu)成一個(gè)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(mén)A

門(mén)A的輸出=H

門(mén)B的互補(bǔ)輸出=L工作狀態(tài)：

/Q：HL，解除封鎖

門(mén)A的輸出：HL

門(mén)B的互補(bǔ)輸出：LH

然后循環(huán)跳變他激振蕩——門(mén)控多諧振蕩器第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

27門(mén)控多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)考慮兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)考慮，確保門(mén)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(shí)間為300ps，上升、下降沿不超過(guò)500psECLinPS電路的亞毫微秒傳輸延遲時(shí)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(shí)鐘抖動(dòng)起振時(shí)間僅僅取決于D型觸發(fā)器和門(mén)A的傳輸延遲時(shí)間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps，而且ECLinPS電路傳輸延遲時(shí)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(shí)電路采用高速ECL有源延遲線來(lái)取代RC定時(shí)電路，產(chǎn)生必需的延遲時(shí)間，這樣就有效地消除了由RC定時(shí)電路帶來(lái)的時(shí)鐘抖動(dòng)第27頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

28門(mén)控多諧振蕩器的特點(diǎn)同步性能好同步誤差可以小到幾十ps的數(shù)量級(jí)起振快僅僅取決于D型觸發(fā)器和門(mén)A的傳輸延遲時(shí)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(shí)電路的延遲時(shí)間，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出時(shí)鐘信號(hào)的頻率頻率穩(wěn)定性較好ECL電路的溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)定的工作電流特點(diǎn)，使其傳輸延遲時(shí)間隨溫度和工作電壓的影響較小，因而，相對(duì)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(hào)抖動(dòng)較小第28頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2010-05-10中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹(shù)彬

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