Bezpośredni przetwornik czas-liczba z kodowaniem wielokrotnym

W artykule opisane są projekt i wyniki badań przetwornika czas-liczba o rozdzielczości 5,3 ps (1 LSB) i zakresie pomiarowym 428 ps. Do przetwarzania czasowo-cyfrowego użyta została metoda kodowania wielokrotnego. Metoda ta umożliwia pokonanie ograniczeń technologicznych współczesnych układów scalonych i uzyskanie wartości rozdzielczości mniejszej niż czas propagacji pojedynczej komórki linii kodującej. Przetwornik został zrealizowany w układzie programowalnym Spartan-6 firmy Xilinx.

This paper presents the implementation and tests results of a time-to-digital converter based on the wave union method and implemented in Spartan-6 FPGA (Xilinx). The converter has the resolution of 5,3 ps (1 LSB) in the measurement range of 428 ps and the integral nonlinearity of 3,8 LSB (Fig. 7). In the wave union method, contrary to the typical conversion methods with a single coding, the resolution is lower than the FPGA cell delay thanks to coding several transitions of the time event signal (Fig. 2). In addition, the linearity of conversion is increased by reducing the width of wide bins. Although, using a multi-transition pattern gives better performance, it also brings more problems to be solved. The main problems such as implementation of a pattern generator for certain amount of transitions, minimal delays between transitions and elimination of bubble errors are discussed in this paper. The pattern generator (Fig. 3) is implemented with use of a carry chain. It enables controlling the pattern by means of diagnostic and measurement software. Bubble errors (Fig. 4) are eliminated with a fast asynchronous encoder (Fig. 5). The diagnostic-control software (Fig. 6) allows to configure the pattern generator, launch the measurement session and generate a text file with all information needed to calculate conversion characteristics of the time-to-digital converter.