FPGA高精度时间间隔测量器设计与性能验证

本文深入探讨了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度时间-数字转换器(TDC)的设计与实现。该TDC的设计策略独特，采用粗计数与细时间测量相结合的技术，其中粗计数部分依赖于FPGA内部的高性能二进制计数器来实现长时间的累计，而细时间测量则通过FPGA的快速进位链进行时间间隔的高精度测量。为了进一步提升分辨率，设计者巧妙地运用了Wave-Union方法对超大码宽进行分割处理，从而减少了量化误差。 在设计过程中，作者们对TDC的各项性能进行了严格的测试，结果显示该TDC在动态范围超过200ms的情况下，具有出色的时钟分辨率，可以达到50ps以下，这对于许多需要高精度时间测量的应用来说是至关重要的。此外，TDC的微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)也得到了很好的控制，分别为-1~1.5LSB和-1.5~1.5LSB，确保了转换过程的线性度。 这种TDC的主要应用场景是用于光束位置检测器(PET)成像系统中的飞行时间测量，它对于医学成像质量的提升以及科学实验中的精确时间测量至关重要。其在FPGA上的高效实现不仅提高了系统性能，还降低了功耗，满足了现代电子设备对实时性和精确性的双重需求。 该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助，显示出其在科研领域的前沿性和实用性。作者魏煜秦等人作为主要贡献者，展示了他们在测控技术与应用领域的专业知识和实践能力，特别是孔洁作为通讯作者，对于整个研究的指导和推动起到了关键作用。这篇论文提供了一个有价值的参考案例，为FPGA在时间间隔测量中的应用提供了新的设计思路和技术支持。