جيانغ آنبينغ، الماشية يان بو، ون روي هو جين تاو، وكان هو جين تاو مكلفة، وو شياو جينغ، ليو كله، ليو ليلى، ويو

(معهد الالكترونيات الدقيقة والتكنولوجيا بكين، بكين 100076)

تقنية في الوقت الدقة استكشاف الفضاء قياس، ومجموعة متنوعة من القياس ومجال الطاقة العالية فيزياء السرعة، معدل التدفق والمسافة لها تطبيق واسع لتحقيق هذه المهمة ويشار إلى الوقت الدائرة إلى المحول الرقمي (الوقت إلى رقمي محول، TDC). تحليل أنواع مختلفة من مبدأ التقني وقياس الزمن عالية الدقة، على أساس TDC عرض تصميم رقاقة بناء على مذبذب الحلقة (حلقة مذبذب) هو. رقاقة باستخدام 0.18 ميكرون 1P5M CMOS تدفق عملية تجهيز ورقة، وتظهر نتائج الاختبار أن القرار قياس 52 ملاحظة، الحقل يمكن استخدامها لقياس مجموعة متنوعة من معدل التدفق، ودرجة الحرارة، وبعد المسافة، وما شابه ذلك.

قياس الوقت، الوقت لتحويل رقمي (لTDC)؛ استغلالها بطريقة القسط تأخير؛ حلقة مذبذب (حلقة مذبذب)

CLC: TN47

كود الوثيقة: A

DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.017

شكل الاقتباس الصيني: جيانغ آنبينغ، موجة البقري يان، هو Wenrui، الخ تصميم وتنفيذ عالية الدقة قياس الوقت رقاقة حلقة مذبذب مقرها التكنولوجيا الالكترونية، 2017،43 (1): 64-67،71.

الإنجليزية شكل الاقتباس: جيانغ آنبينغ، نيو ينبع، هو Wenrui، وآخرون. تصميم عالية الدقة الوقت إلى رقمي تحويل رقاقة بناء على عصابة مذبذب .Application من تقنيات الالكترونية، 2017،43 (1): 64-67،71.

0 مقدمة

عالية الدقة وقت تقنية قياس في مجال استكشاف الفضاء، ومجال قياس فيزياء الطاقة العالية، والاستشعار وحركة القياس عن بعد، وبعد المسافة، ودرجة الحرارة، وسمك وما شابه ذلك دورا هاما للغاية. وهناك مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة من خلال طريقة قياس الوقت العالية الدقة، واسم أكثر شيوعا من هذه الدوائر حان الوقت لتحويل رقمي (الوقت إلى رقمي محول، TDC) . الدائرة TDC ديها مبادئ وأساليب تنفيذ مختلفة، ويضم الطريقة الأكثر شيوعا طريقة خط تأخير استغلالها، وهي تهمة مكثف وطريقة التفريغ المؤشر وما شابه ذلك. أولا، سوف يمكن وصفها مبدأ دائرة تقنيات TDC وتنفيذ على أساس تصميم رقاقة يصف TDC عصابة مذبذب إلى (عصابة مذبذب) هو.

زمن عالية الدقة مبدأ القياس

ويضم المشترك الدقة وقت مبدأ القياس وطريقة تنفيذها من قبل الدوائر المتكاملة التالية.

1.1 طريقة العد المباشر

يتم تنفيذ أبسط TDC الدوائر بواسطة إشارة ساعة لحساب الوقت الذي تقاس وتحسب من قيمة قيمة جهاز ضبط الوقت، وهذه الطريقة هي طريقة العد المباشر، يتم تحديد قرار منها عن طريق قياس الفترة الزمنية للإشارة ساعة للعد أ. منذ جيل ونقل تردد فائق إشارة على مدار الساعة أكثر صعوبة، لذلك أن هذا الأسلوب عموما تصل فقط القرار قياس نانو ثانية. وهذا يجعل من المستحيل للتطبيقات حيث قياس الوقت عالية الدقة. ومع ذلك، يمكن الجمع بين هذه الطريقة مع تقنيات القياس الأخرى لزيادة نطاق القياس.

1.2 طريقة القياس على أساس استغلالها وقت خط تأخير

استغلالها طريقة مبدأ خط التأخير لبدء تبث إشارة بدء فترة زمنية تقاس من خلال خط تأخير، وذلك باستخدام الصنبور على خط تأخير للكشف عن الإشارة المرسلة إليها في وضع خط تأخير إلى أن الفترة الزمنية للحصول على قياس الوقت قياس النتائج. في هذه الطريقة في القياس، والوقت إشارة تأخير بين الصنابير المجاورة هو قرار من القياس. عندما تنفذ من قبل الدوائر المتكاملة، وحدة تأخير تستخدم عادة العاكس أو منطقة عازلة، في الظروف العملية المستخدمة حاليا تأخير الوقت في وحدات من حوالي 101 ~ 102ps الحجم، بالنسبة لمعظم القياسات، ومثل هذا القرار معدل ديها لتلبية الاحتياجات.

المبدأ الأساسي للخط تأخير استغلالها الوقت طريقة دائرة القياس هو مبين في الشكل (1). حيث يتم قياس إشارة بداية فترة ابدأ، ووقف هو إشارة التوقف، وأخذ عينات من خط إبطاء في إشارة البدء تنتقل عن طريق إشارة التوقف في الصنابير، والتأخير ~ QN (ترمومتر التشفير) وكل وحدة وفقا لQ0 نتيجة أخذ العينات يمكن أن تحسب الفترة الزمنية طول قياسها. يتم تحديد نطاق طريقة وقت خط تأخير استغلالها تأخير [تاو] من طول خط تأخير (عدد الوحدات التأخير) وحدات، وقرارها هو وحدة زمنية تأخير . من أجل استخدام كميات أقل من موارد الأجهزة لتحقيق نطاق واسع، في التصميم الفعلي للخط تأخير استغلالها وعادة ما يتم تكوينها في شكل حلقة مذبذب (حلقة مذبذب) هو .

1.3 طريقة القياس على أساس مؤشرات الوقت

للحصول على الدقة قياس العالي، طريقة مشابهة يمكن استخدام الفرجار . ويستخدم خطين تأخير، كل سطر تأخير في تأخير الوقت من كل وحدة و[تاو] (1) و2 (1 > [تاو] 2)، والفرق تأخير ثابت بين 1 و[تاو] (2)، ونهاية البداية إشارة إشارة ابدأ إيقاف مرت (بداية بطيئة تأخير نقل الإشارات، تأخير انتقال سريع إشارة التوقف) من خلال خطوط تأخير اثنين، على التوالي، عندما تقاس للكشف عن نقل الإشارات عملية الصيد ابدأ إيقاف إشارة في أي وقت، من خلال الموقف من نقطة التقاء من الوقت للحصول على الفرق بين البداية وإيقاف. هذه الطريقة قياس هو قرار من خط تأخير اثنين من وحدة الفرق تأخير الوقت، أي (1 ~ 2). ومجموعتها (1 ~ 2) التي تحدد عدد الوحدات تأخير. بعد تحديد ويمكن تحقيق ذلك عن طريق أخذ عينات الوجه بالتخبط البدء والتوقف تأخير الوقت إشارة لقاء، ويمكن استخدام إشارة خاصة لتحقيق الدائرة كشف مصادفة . من أجل ضمان أن الدائرة لقياس التأخير من خليتين في تأخير مستقرة في كثير من الأحيان للغاية من خلال PLL أو DLL.

1.4 قياس التناظرية تستند إلى الوقت

تطبيقات TDC على أساس الدوائر التناظرية تضم مكثف وقت تهمة طريقة التضخيم، وما شابه ذلك. مكثف طريقة الشحن استخدام مصدر في الوقت الراهن إلى أن تقاس لفترة شحن مكثف، وطريقة المعالجة بعد تقسيمها الى قسمين: واحد هو مصدر تيار التفريغ مكثف مع آخر، ولكن التصريف الحالي من التيار شحن أصغر من ذلك بكثير. نسبة للتيار الشحن والتفريغ الحالية Icharge Idischarge تحدد نسبة من وقت الشحن والتفريغ الوقت من فترة تقاس من الوقت لتحقيق التضخيم باستخدام هذا الأسلوب. طريقة أخرى هي الفترة محسوبة من وقت بعد الانتهاء من شحن مكثف قيمة الجهد باستخدام ADC مباشرة على المتحولين مكثف ، ويمكن حساب وقت الشحن، والتي تقاس من المصدر الحالي الشحن وحل ADC ويحدد القرار.

يتم تضخيمه الفاصل الزمني من طريقة التضخيم من الوقت الدائرة التضخيم الوقت طفيفة إشارة الفاصل في قطاعات الوقت قياسه بسهولة نسبيا، وبالتالي تحسين دقة القياس، قياس الوقت بدقة .

عدة تطبيقات مختلفة من المبادئ المذكورة أعلاه، فإن تصميم الدوائر التناظرية تختلف اعتمادا على العملية، عملية الهجرة أكثر صعوبة. خط تأخير التفاضلية استنادا إلى متطلبات تصميم الخطي والاستقرار للخطوط تأخير لهما سيطرة جيدة جدا، فإن نتيجة القياس يكون من السهل جدا لجعل حدوث خطأ. واحد استغلالها تجسيد خط تأخير لديها بنية بسيطة، والهجرة هي عملية جيدة، الخطي جيدة من مزايا استخدام تكوين عصابة مذبذب يمكن تقصير طول خط تأخير، للحد من منطقة رقاقة، وتساعد على تحسين الخطي. لذلك، على أساس التحليل والمقارنة مبدأ وقت قياس مختلفة، وصفت هنا يتم تحديد التصميم TDC رقاقة على أساس تقنية خط تأخير استغلالها في أي مرحلة التشطيب من شكل خط تأخير استغلالها مذبذب الحلبة. تصميم TDC رقاقة في المقطع التالي.

2 TDC تصميم رقاقة

حيث قياسات التدفق لمسافة وغيرها من التطبيقات، وعادة 90 قرار ملاحظة في معظم الحالات لتلبية الطلب. BACKGROUND في هذه التطبيقات، تصميم TDC رقاقة، حيث الجزء القياس هو حلقة أساسية مذبذب تأخير استغلالها تكوين خط تنفيذها.

القسم الأساسية قياس 2.1

حلقة وحدة مذبذب المستخدمة يحدد خط تأخير حدة تأخير، وهو قرار من القياس. في تصميم الدوائر المتكاملة، والأكثر حدة المنطق البسيط هو العاكس، ويعمل هذا التصميم أيضا باسم عناصر العاكس تأخير. وفي الوقت نفسه، مذبذب عصابة يولد إشارة على مدار الساعة وعلى مدار الساعة Ring_Clk مكافحة الغرامة لعدد من التذبذبات من مذبذب عصابة لذلك تم عدها، حصلت على النتائج ومن العينات الناتج غرامة مكافحة عصابة مذبذب كل العاكس معا تشكل النتائج الفعلية التي تم الحصول عليها القيم المقاسة. لقياس عدد وافر من تصميم ثنائي القناة من الحلبة وأخذ العينات، التي قد تتوافق مع إشارة البداية البداية مختلفين توقف إشارة (Stop1 وStop2)، وإشارة توقف في كل قناة ويمكن أخذ عينات عدة مرات. ويمكن أن يحسب وفقا لقيمة نتيجة الوقت قياسها والانتهاء من حلقة أخذ العينات مذبذب مكافحة:

حيث، يتم التحكم Cnt_fine من قيمة العداد غرامة Ring_Clk، ن هو عدد من المراحل عصابة مذبذب، م هو أخذ العينات نتيجة لإشارة الإرسال في مذبذب الحلبة مع إشارة Stop1 / Stop2 (ترمومتر كود) تحويلها إلى قيمة رقمية، هو وحدة عصابة مذبذب تأخير الوقت. بواسطة الصيغة (1) يمكن أن يرى، هو الدافع وراء نطاق القياس عصابة مذبذب (المدى) عن طريق العداد أرقام غرامة مراحل مذبذب عصابة ويتم تحديد حلقة إشارة على مدار الساعة مذبذب، وهو قياس الحد الأدنى وحدة تحليل تأخير الوقت .

تصميم حلقة مذبذب له تأثير كبير على دقة القياس والأداء. تصميم لضمان موحد الأول مذبذب عصابة وحدة الدائرة أخذ العينات من أجل الحد من وقوع نتائج القياس غير الخطية، وبالتالي هذا الجزء من تخطيط باستخدام طريقة تصميم مخصص. ثانيا، الترانزستورات في حلقة مذبذب تأخير اختيار حجم الوحدة هو المهم، وإذا كان صغيرا جدا، حتى أن قرار القياس منخفضة، وإذا كبير جدا، واستهلاك الطاقة سوف تزيد من عدد من مذبذب الطوق، وقياس التحسن هذا القرار ليست واضحة، لذلك تأخير تصميم خلية للنظر في مجموعة متنوعة من العوامل، وتؤثر سلبا على النتائج. SPICE تحليل المحاكاة والمقارنة، ومذبذب عصابة لتحديد الحجم النهائي من الترانزستور الخلية:

PMOS الترانزستور: الفسفور الابيض = 2.18 ميكرون، ليرة لبنانية = 0.18 ميكرون

NMOS الترانزستور: سفل = 0.84 ميكرون، سطر = 0.18 ميكرون

بعد نتيجة المحاكاة في مثل هذا الحجم والذي تأخر الوقت هو عادة 25 درجة.] C 51.29 فرع فلسطين.

الدائرة TDC في عملية القياس، منذ مذبذب عصابة تعمل في جزء الترددات العالية، وأخذ عينات في السيطرة إشارة متزامنة الخارجية، مما يتطلب اهتماما خاصا شبه استقرار تحدث أثناء أخذ العينات. عصابة مذبذب مع ميزان الحرارة التشفير نتيجة أخذ العينات، فإن عملية أخذ العينات دون تحقيق نتائج ثابتة مشكلة فقاعة، وبالتالي القضاء على فقاعات يضاف عند تحويل ترميز منطق الحرارة إلى رموز ثنائية. قد تحدث نتائج المشاكل غرامة مكافحة عملية أخذ العينات الناجمة عن حالة دونية الاستقرار أيضا، ودفع غرامة مكافحة استخدام رمز تنسيق رمادي لهذا الغرض، وذلك لتقليل احتمال حدوث أخطاء. في الوقت نفسه، ونحن نستخدم مجموعة متنوعة من التدابير لعدم استقرار الوضع من أجل تصميم تجنب الدائرة إشارة.

2.2 الوظيفة العامة

يتم التحكم TDC ظائف رقاقة من MCU من خلال واجهة SPI، وقراءة النتائج تقاس MCU من خلال SPI. TDC كتلة التكوين الكلي الرسم البياني للرقاقة هو مبين في الشكل.

من أجل تلبية احتياجات التطبيقات المختلفة، وتهدف إلى دعم نطاقين القياس: RANGE1 وRANGE2. RANGE1 فقط باستخدام إشارة ساعة حلقة مذبذب ويولد الإجراءات المضادة Ring_Clk السيطرة على ما يرام، مجموعة صغيرة نسبيا، RANGE2 استخدام مذبذب الطوق، وعداد غرامة التي تسيطر عليها على مدار الساعة نظام قياس تقريبي مضادة، ومجموعة كبيرة نسبيا. في تصميم رقاقة، RANGE1 مجموعة هو 9 م إلى 2.9 ميكرو ثانية، RANGE2 في حدود الساعة 4 ميغاهيرتز باستخدام عداد والوقت بغض النظر عن وتيرة سيطرة الخشنة من 750 نانو ثانية إلى 16 مللي ثانية. طرق قياس مختلفة عصابة يستخدم مذبذب، وحل وقت نتيجة القياس الشاملة لا يزال الوقت تأخير وحدة التأخير في مذبذب الحلبة. في الاستخدام، ويمكن اختيار وفقا لطول المقابلة لقياس مدى الوقت قياسها.

وRANGE1 بالإضافة قياس RANGE2، كما تدعم الشريحة المعايرة الذاتية، ودرجة الحرارة وغيرها من المهام. نظرا لأنه يمكن تحديد مكان TDC رقاقة مع معالجة المعلمات، وعندما يتم إنشاء الجهد التشغيل ودرجة الحرارة تغير الظروف والنتائج معايرة من قبل إشارة على مدار الساعة معايرة كوقت الكريستال إشارة المذبذب إلى تصحيح. ويتحقق قياس درجة الحرارة عن طريق قياس الفرق في وقت التفريغ من قبل الثرمستور والمقاوم المرجعية، حيث يمكن حساب درجة الحرارة. يتم قياس عملية القياس في الوقت المناسب بالنسبة للجزء الأساسي.

2.3 تصميم البدنية

تم تصميم رقاقة TDC باستخدام 0.18؟ زي م 1P5M 1.8 V الأساسية / 3.3 عملية V IO CMOS. من أجل ضمان أداء رقاقة، وعينة الدائرة عصابة مذبذب باستخدام طريقة تصميم تخطيط مخصص. باقي المنطق جزء منه على أساس مكتبة الخلية القياسية، وذلك باستخدام المنطق التوليف تصميم وتخطيط الأدوات. الانتهاء من التصميم النهائي منطقة رقاقة: 1،1056 1.1056 MM2. TDC رقاقة التخطيط هو مبين في الشكل. طوال يتم التحقق من عملية التصميم حسب التصميم والمحاكاة، وتبين نتائج المحاكاة أن وظائف والمعلمات المؤشرات تلبية متطلبات التصميم.

اختبار 2.4 رقاقة

تدفق رقاقة TDC من خلال 0.18 ميكرون 1P5M CMOS تكنولوجيا رقاقة. بعد الانتهاء من ورقة تدفق معالجة، وذلك باستخدام جهاز حلبة اختبار متكاملة تم اختبار المعلمات ومقاييس الأداء. تظهر نتائج الاختبار الفعلية التي وظائف TDC رقاقة بشكل صحيح، المعلمات تلبية متطلبات التصميم، يمكن أن تعمل في نطاق درجات الحرارة -40 ~ + 85 من. ، وتظهر بعض المعلمات من نتائج الاختبار الفعلية في I / O الجهد من 3.3 V 1.8 V الشروط الأساسية الجهد في الجدول 1. حيث يتم استخدام الاستهلاك الحالي هادئة في الغالب استهلاك IP الجهد المنظم، وفقا لظروف الحالية اليدوي هادئة حوالي 25 درجة.] C عادة 120 أمبير. تظهر نتائج الفحص أن تصميم هذا القرار TDC مجال قياس تحقيق قياس رقاقة تلبية متطلبات التطبيق من تدفق مختلفة، ودرجة الحرارة، وبعد المسافة والسرعة.

وبما أن قيمة الناتج TDC هي مقياس للرقاقة، ورقاقة والبيئة الخارجية من شأنها أن تؤدي إلى تغيرات في نتائج قياس الفرق، وذلك باستخدام IC آلة الاختبار التقليدية لاختبار الكفاءة ليست عالية. وبناء على هذا الوضع وضعت لوحة الدوائر اختبار خاص، كما هو مبين في الشكل. هذا الاختبار يمكن أن يقوم بها وظائف رقاقة لوحة الاختبار والمعايير الأساسية، تم تحسين كفاءة الاختبار بشكل كبير.

3 ملخص

تتناول هذه المقالة المبدأ وتحقيق تقنيات قياس الوقت عالية الدقة، استنادا إلى هذا التصميم يصف مذبذب TDC رقاقة حلقة على أساس رقاقة تدعم مختلف وظائف القياس والمعايرة، وذلك باستخدام 0.18 ميكرون عملية 1P5M CMOS لتحقيق، القرار القياس تصل 52 ملاحظة، وتلبية احتياجات مجموعة متنوعة من التطبيقات.

مراجع

KALISZ J.Review أساليب لقياس الفاصل الزمني لقرار بيكو ثانية .Metrologia المجلة الدولية لعلم القياس العلمي، 2004،41 (1): 17-32.

تشانغ يان تشنغ Huangpei. الدقة وقت تقنية قياس الفاصل الزمني وطريقة تقدم علم الفلك .2006،24 (1): 1-15

نابوليتانو P، MOSCHITTA A، CARBONE مسح P.A على تقنيات قياس الفاصل الزمني وطرق الاختبار .Instrumentation والقياس تقنية مؤتمر (I2MTC) .IEEE المؤتمر النشر، 2010.

TDC فويلكر M، HAUER J.A انخفاض القوة مذبذب مقرها مع غير الخطي تصحيح في نظام .2012 الندوة الدولية IEEE على الدوائر وSystems.IEEE المؤتمر النشر، 2012.

YU J، DAI F F، JAEGER R C. A 12-بت رنيه عصابة وقت لالرقمي تحويل في 0.13 ميكرون تكنولوجيا CMOS .IEEE مجلة الدوائر الحالة الصلبة، 2010،45 (4): 830-842.

BLUTMAN K، J ANGEVARE، ZJAJO A، وآخرون al.0.1pJ تجميد رنيه الوقت للوصول الى رقمي تحويل في CMOS 65nm 0.2014 ندوة IEEE الدولية على الدوائر والنظم (ISCAS) .IEEE المؤتمر النشر، 2014.

ABAS M A، RUSSELL G، D KINNIMENT J.Embedded نظام قياس عالية الدقة تأخير باستخدام التضخيم مرة .IET كمبيوترات و Techniques.2007،1 الرقمية (2): 77-86.

CHEN P، ZHENG J C، C تشن C.A متآلف الوقت للوصول الى الرقمية المحول مع PLLs المزدوجة للمعايرة الذاتي رنيه المستندة إلى .IEEE 2005 الدوائر المتكاملة مخصص Conference.IEEE المؤتمر النشر، 2005.

دوديك P، S SZCZEPANSKI، HATFIELD J V.A عالية الدقة-olution CMOS الوقت للوصول الى رقمي تحويل استخدام خط تأخير رنيه المعاملات .IEEE على الحالة الصلبة Circuits.2000،35 (2): 240-247

GARG A، DUBEY P.On رقاقة قياس غضب من خلال TDC دقة عالية ندوة .9th الدولي للجودة التصميم الإلكتروني (ISQED 2008) .IEEE المؤتمر النشر، 2008.

XU Z، مياهارا M، ماتسوزاوا A.Picosecond قرار الوقت للوصول الى رقمي تحويل باستخدام جم-C تكامل وSAR-ADC المعاملات .IEEE على Science.2014،61 النووية (2): 852-859.

OULMANE M، ROBERTS G W.A CMOS مكبر للصوت الوقت لقياس دقة توقيت فيمتو ثانية .Proceedings الندوة الدولية للعام 2004 على الدوائر والنظم (ISCAS 2004) .IEEE المؤتمر النشر، 2004.

تشونغ M H، LIU W S، H CHOU P.Time التضخيم باستخدام حلقة مغلقة مكبر للصوت التفاضلية .2012 IEEE النووية ندوة العلوم ومؤتمر التصوير الطبي (NSS / MIC) .IEEE المؤتمر النشر، 2012.