第十七讲 时间测量方法优秀PPT.ppt

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1、第十七讲 时间测量方法第一页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬2时间应用n基础研究q原子核和粒子物理研究、地球动力学研究、相对论研究n应用研究、国防、国民经济建设 q航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等 第二页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬3固定靶实验中的时间测量n高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一n加速的脉冲束流轰击固定靶，产生的次级粒子被固定靶后面的探测器“墙”检测n对每个事例，束流探测器探测到每个束流作为每个事例的“起始”信

2、号，所有探测器的输出经甄别后接到时间测量电路中作为“停止”信号第三页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬4对撞实验中的时间测量n高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一n两束粒子被加速后相撞，对撞后产生的次级粒子从对撞点向四周飞行，围绕着对撞点放置大量探测器n通过测量带电粒子的飞行时间t，结合径迹探测器测量同一粒子的动量p和飞行径迹长度l，得到粒子的本征质量m0，鉴别出带电粒子的种类第四页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬5粒子物理实验中的时间测量TOF:Time of Flight第五页，本课

3、件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬6飞行时间质谱仪中的时间测量1/2mv2=eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/2第六页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬7激光测距中的时间测量n由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管q雪崩光电二极管：内部具有放大功能的光学传感器，能检测极其微弱的光信号n记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的往返时间tqD=ct/2n要想使分辨率达到10cm，则传输时间的测量分辨率q好于600

4、ps第七页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬8子弹速度测量中的时间测量第八页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬9超声波流量测试里的时间测量第九页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬10超声波厚度、密度检测中的时间测量厚度检测密度检测第十页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬11时间测量电路的性能参数n动态范围（measurement range,MR）n分辨率（resolution/least significant bit/qua

5、ntization step,LSB/Bin）n精度（standard meausrement uncertainty/random error,RMS）n非线性（DNL、INL）n死时间（dead time）n读出速度第十一页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬12基本的时间测量方法n波形数字化n甄别与数字变换q定时甄别：将一个物理事例的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号n前沿定时n过零定时n恒比定时nq时间数字变换（TDC）第十二页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬13TDC的分类n按实现手段分类q

6、模拟式（TAC+ADC）q数字式（计数器型）n按测量对象分类q起停型（Start-Stop Type）TDCq时间戳型（Time Stamp Type）TDCn流水线型（Pipeline）TDCn事例驱动型（Data Driven）TDCn如何得到高的时间分辨？第十三页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬14TAC时间测量（起停型）n较小的死时间q取决于ADC转换时间n可达到较高分辨率q目前LSB：1ps20psn容易受环境温度和外界干扰影响q影响时间测量精度的主要因素：恒流源的稳定性、充电电容的线性、电路噪声（特别是积分环节上的噪声），及后续ADC电路

7、的特性第十四页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬15简单起停型TAC工作波形图（1）正常工作第十五页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬16起停型TAC工作波形图（2）有起无停/超出动态范围先停后起第十六页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬17差分电流积分 TAC工作原理第十七页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬18差分电流积分 TAC工作波形第十八页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬19

8、时幅变换的性能指标及测量n时间测量精度n积分非线性n微分非线性第十九页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬20Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）第二十页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬21直接时间数字变换（计数器型）n易于实现q异步计数器同步计数器格雷码计数器n容易得到大的动态范围q增加一个触发器即扩大一倍动态范围n精度不易提高q1GHz时钟频率LSB=1nsq与信号异步，最大误差LSBq可通过多次测量求平均提高精度第二十一页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬

9、22起停计数型TDC工作原理CounterClockStartStopStart-stop type第二十二页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬23起停计数型TDC工作波形第二十三页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬24起停计数型TDCn最好使用格雷码计数器n自激振荡时钟和他激振荡时钟n提高分辨率依赖于时钟速度的提高，困难n可以利用时间内插方法提高分辨率第二十四页，本课件共有31页2011-04-20中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬25自激时钟造成计数误差第二十五页，本课件共有31页2010-05-10中

10、国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬26电路构成：电路构成：门电路A、B和延迟器构成一个多谐 振荡器 D型触发器为多谐振荡器的控制电路初始状态：初始状态：/Q=H，封锁门A 门A的输出=H 门B的互补输出=L工作状态：工作状态：/Q：H L，解除封锁 门A的输出：H L 门B的互补输出：L H 然后循环跳变他激振荡门控多谐振荡器第二十六页，本课件共有31页2010-05-10中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬27门控多谐振荡器电路设计考虑两个基本的设计考虑，确保门控多谐振荡器的性能：采用速度最快的ECLinPS电路ECLinPS电路最小传输延迟时间为300ps，上升、下降沿不超过500ps

11、ECLinPS电路的亚毫微秒传输延迟时间和上升、下降沿确保了多谐振荡器状态的快速翻转，最大限度地消除了时钟抖动起振时间仅仅取决于D型触发器和门A的传输延迟时间，其数值大约为数百ps，而且ECLinPS电路传输延迟时间的不确定性非常小，因而其同步误差极少使用ECL的有源延迟线作为定时电路采用高速ECL有源延迟线来取代RC定时电路，产生必需的延迟时间，这样就有效地消除了由RC定时电路带来的时钟抖动第二十七页，本课件共有31页2010-05-10中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬28门控多谐振荡器的特点同步性能好同步误差可以小到几十ps的数量级起振快仅仅取决于D型触发器和门A的传输延迟时间，其数

12、值大约为数百ps频率范围大，调节方便调节定时电路的延迟时间，可以很方便地调节输出时钟信号的频率频率稳定性较好ECL电路的温度补偿电路和稳定的工作电流特点，使其传输延迟时间随温度和工作电压的影响较小，因而，相对TTL和CMOS电路有较好的频率稳定性ECL电路的快速前、后沿，使得信号抖动较小第二十八页，本课件共有31页2010-05-10中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬29起停型和时间戳型TDCCounterClockStartStopStart-stop typeCounterClockRegisterHitResetTime Stamp type第二十九页，本课件共有31页2010-05-10中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬30流水线型和数据驱动型TDC第三十页，本课件共有31页2010-05-10中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬31提高分辨率的措施n锁相环技术提高时钟频率n时间放大技术n时间内插技术q游标尺型时间内插q时幅变换内插法时数变换q延迟线抽头内插n时钟相位延迟内插n输入信号延迟内插q模拟时间内插q耦合振荡器方法第三十一页，本课件共有31页