测量纳秒量级时间间隔技术的研究与设计

　　1 引言

　　空间探测技术的日益发展，带动了等离子成分探测技术，在如今的一些深空探测中，有着越来越重要的地位。飞行时间法，是空间等离子成分探测主要的方法，也就是说，通过测量粒子飞过一定距离所需要的时间来鉴别粒子成分。

　　在国外，该技术发展得已经非常成熟了，但在国内，还是仅仅起步阶段，并且存在很多困难，其中关键的问题就是快电子学技术。为了能够探索出一种测量这种纳秒量级时间间隔的方法，首先必须模拟出来这种纳秒量级的时间信号，从而找出一种测量该时间间隔的方法。本文将主要探讨这个基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量技术。

　　2 设计原理及系统组成

　　纳秒量级时间间隔测量系统由三部分组成，CPU模块、时间间隔测量模块、数据传输模块，其逻辑框图如图1所示。

　　2.1 CPU模块

　　该模块主要是由FPGA芯片、电源转换电路、时钟模块及配置电路组成。其中主要的部分为FPGA芯片，它是整个CPU模块的。

　　CPU模块的主要功能：

　　（1）模拟纳秒量级脉冲信号。

　　（2）接收时间间隔测量模块的数据，将时间间隔测量模块数据存储到内部FIFO。

　　（3）FIFO缓存、发送数据到数据传输模块。

　　（4）控制测量模块和数据传输模块的时序。

　　其中模拟纳秒量级脉冲信号是整个CPU模块的，本文选用了Xilinx公司Virtex-2系列的FPGA，利用其内部的DCM（数字时钟管理器，DigitalClockManager）模块将时钟信号倍频到300MHz左右，通过计数的方法来产生起始脉冲和停止脉冲，从而产生纳秒量级的时间间隔信号。

　　2.2 时间间隔测量模块

　　时间间隔测量系统，作为整个电子学系统的关键，其性能直接决定了时间间隔测量系统的高否。本文选取了德国ACAM公司的时间间隔测量芯片TDC-GP1。

　　其性能指标如下：

　　①双通道，250ps的分辨率或者单通道125ps的分辨率。

　　②每个通道可进行四次采样，排序则可达8次采样。

　　③两个通道的分辨率完全相同，双脉冲分辨率大约为15ns。

　　④有两个测量范围：3ns～7.6μs；60ns～200ms（有前置配器，只使用于单通道）。

　　⑤双通道的8个事件可以一个一个的任意测量，没有时间间隔限制。

　　⑥分辨率调整模式：通过软件对分辨率进行石英准确性调整。

　　⑦有四个端口用来测量电阻、电容和电感。测量输入的边缘灵敏性是可调的。

　　⑧有效的内置16位运算器，测量结果可以被校准或者乘以一个24位的整数。

　　⑨运算器用于计算的时间是独立于外部时钟的，整个校准和乘法的时间大约为4μs。

　　⑩内部多可存储4个校准值或者8个非校准测量值。

　　⑾校准和控制时钟频率为500kHz～35MHz（高于100MHZ将用到内部的前置配器）。

　　⑿工业温度范围为-40～+85℃；工作电压：2.7～5.5V；低功耗，可用电池驱动。

　　TDC-GPI提供了三种测量方式供用户选择，其具体参数和时序逻辑如下：

　　（1）测量范围一

　　GP1据供了两个测量通道；每个通道的分辨率是250ps，它基本的测量范围是15位。两个通道具有完全相同的分辨率，共用一个START信号和至多四个独立的STOP输入信号进行比较，时限为15ns。START和STOP信号必须持续2.5ns以上，否则芯片无法辨识。STOP信号之间可进行相互的比较，无时限。量程为3ns～7.6μs，两个通道可进行排序，这样可使1通道允许8个脉冲输入，但通道2的STOP输入被忽略。图2为测量时序。

　　（2）测量范围二

　　为进行大量程时间测量，芯片引入了一个16位的前置配器。该模式下芯片只有通道1可用，正常模式下允许4个脉冲输入。STOP信号之间不能相互比较，仅STOP与STSR信号可进行比较。量程60ns～200ms。图3为测量时序。

　　其测量原理如下：输入START信号芯片内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差tPC1，之后计数器开始工作，得到此前置配器的工作周期数period。这时重新激活芯片内部测量单元，测量出输入的STOP信号的个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差tpc2，tpc3是STOP信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差。tcal1十一个校准时钟周期，tcal2是两个校准时钟周期。根据图6可以得出START信号与STOP信号个脉冲的时间间隔为：

　　其中cc表示前置配器的计数值。

　　（3）可调整模式

　　在此模式下两通道数值有非常的校准环路，可以通过程序中的设置来调整，可调整模式不需要START信号。因此多只能通过通道1和通道2共引入8个STOP输人，此时任意两个STOP信号均可以进行比较，量程为3ns～3.8μs，但芯片耗电量比较大，大约为25mA。其测量时序如图4所示。

　　上述三种测量方式，各自都有自己的特点，适用于不同的条件，测量的分辨率也有很大不同。在具体应用中，可以根据所测等离子体的能量范围和通道个数以及所要求的分辨率，来具体的选择适用哪种模式。

　　本文选择测量范围一，具体的寄存器配置如下：Reg0：0x48；Reg1：0x4B；Reg2：0x01；Reg3：0xXX；Reg4：0x40；Reg5：0xXX；Reg6：0x02；Reg7：0x01；Reg8：0x00；Reg9：0x00；Reg10：0x80。

　　2.3 数据传输模块

　　该模块主要包括USB2.0控制器、PC机，以及驱动和固件程序等。在整个测量系统中，为了更好地与PC机通信，并获得很快的数据传输的速度，终选用USB接口。

　　本文选用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，这是一种带USB接口的单片机芯片，虽然采用低价的8051单片机，但仍然能获得很高的速度。通过系统软件的设计就能实现数据的传输，包括固件、应用程序和驱动程序的设计。

　　3 试验结果

　　通过试验证明，本文设计的测量系统能测量出时间间隔范围为3.5ns～7.2μs，分辨率能达到500ps，测量误差约为2%（其中时间间隔越短，误差越大）部分实验结果如表1所示。

　　4 结语

　　通过实验证明，该测量系统测量范围为3.5ns～7.2μs，测量误差在允许范围之内，其主要性能指标能满足测量要求，具有一定的实用价值。由于电路中有纳秒量级的高频信号，因此在后续的电路设计中，将进一步提高抗干扰能力。以满足我国深空探测中等离子成分探测的需要。