一种适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器

本发明涉及时间数字化测量，尤其涉及一种适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器。

背景技术：

1、时间数字转换器（time-to-digital converter，tdc）是一种将时间间隔转换为数字量输出的器件，广泛应用于高能物理实验、激光雷达探测、医学pet成像以及精密科学计量等领域。目前的高精度tdc通常采用“粗计数”与“细时间测量”相结合的架构，即通过计数器进行粗时间测量，通过内插技术实现细时间测量。在细时间测量部分，基于延迟链的时间内插方法是主流方案之一。

2、然而，传统基于延迟链的tdc在测量窄脉冲信号时存在一些局限。其一，受限于采样机制，当待测脉冲的脉宽远小于系统主时钟周期时，传统tdc难以有效捕获；其二，传统tdc通常只识别单一类型的信号边沿，若要测量脉冲宽度，需采用两路独立通道分别捕获上升沿和下降沿，增加了系统复杂度；其三，在单个测量周期内，传统tdc一般只能处理单个事件，面对短时间内连续出现的多个窄脉冲时，因死时间的限制，无法实现多个脉冲边沿的同步捕获与测量。

3、因此，亟需一种能够测量脉宽远小于时钟周期的窄脉冲、并可在一个测量周期内同步捕获多个窄脉冲边沿的时间数字转换器。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，以解决现有技术中存在的上述技术问题。本发明所述时间数字转换器具有结构简单、资源占用少、测量无死时间的特点，适用于对高密度窄脉冲串中所有脉冲边沿进行同步捕获与测量的应用场合。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，所述时间数字转换器包括延迟链、触发器组、边沿检测单元、分段求和单元、编码单元和粗时间计数单元，其中：

4、所述延迟链由n个延迟单元级联组成，待测窄脉冲信号中包含的多个窄脉冲从所述延迟链的输入端进入后，沿所述延迟链逐级向后传递；其中，窄脉冲的脉宽小于系统主时钟周期；

5、所述触发器组由n个触发器组成，所述n个触发器与n个延迟单元的输出端一一对应连接；所述触发器组用于在时钟信号的触发沿时刻，对所述延迟链中各延迟单元的输出状态进行锁存；

6、所述边沿检测单元与所述触发器组连接，用于根据所述触发器组锁存的状态数据，确定各窄脉冲的上升沿与下降沿所在的分段，输出边沿所在分段信息；

7、所述边沿检测单元还包括跨周期状态处理电路，所述跨周期状态处理电路用于存储最近一次检测到的边沿类型，并在未检测到新的边沿时保持边沿类型不变，且基于边沿类型对当前测量周期中检测到的边沿进行选择输出，以确定边沿序列；

8、所述分段求和单元包括n个子加法器，所述n个子加法器与所述边沿检测单元确定的n个分段一一对应连接，用于对相应分段内触发器组输出的逻辑“1”的数量进行累加求和，以获得边沿在对应分段内的偏移量；

9、所述编码单元的输入端分别连接至所述边沿检测单元和所述分段求和单元，用于根据边沿所在分段及对应分段的偏移量确定边沿在延迟链中的位置，并在一个测量周期内输出多个窄脉冲的上升沿位置和下降沿位置；

10、所述粗时间计数单元用于对时钟信号的周期进行计数，以提供粗时间测量结果。

11、与现有技术相比，本发明所提供的时间数字转换器无需多条延迟链即可实现对窄脉宽信号的双边沿同步测量，且在一个测量周期内可同时处理多个连续窄脉冲，克服了传统tdc在测量远小于时钟周期的窄脉宽及高密度窄脉冲串时的技术局限。

1.一种适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述时间数字转换器包括延迟链、触发器组、边沿检测单元、分段求和单元、编码单元和粗时间计数单元，其中：

2.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述延迟链中每个延迟单元具有确定的延迟时间tcell，信号每经过一个延迟单元，即产生tcell的时间延迟；

3.根据权利要求2所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述延迟单元为以下任一结构：

4.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，在所述触发器组中，窄脉冲信号在延迟链中传递时，经过的延迟单元输出为逻辑“1”，未到达或已经离开的延迟单元输出为逻辑“0”；

5.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述边沿检测单元包括多个抽头输入端和检测逻辑电路，其中：

6.根据权利要求5所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述跨周期状态处理电路包括状态记忆电路和输出选择电路，其中：

7.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，在所述分段求和单元中，子加法器采用多级加法器树结构实现，以在短时间内完成对分段内温度计码的求和操作；

8.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，在所述编码单元中，当检测到上升沿时，将该上升沿所在分段的起始延迟单元序号与对应分段内逻辑“1”的数量相加，得到该上升沿的位置；

9.根据权利要求1所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，所述粗时间计数单元由多位二进制计数器实现，在系统工作时持续对时钟周期进行累加计数；

10.根据权利要求9所述适用于连续窄脉冲时间测量的时间数字转换器，其特征在于，待测窄脉冲信号的上升沿时刻trise表示为：