Scalony licznik czasu z użyciem stempli czasowych i interpolacji dwustopniowej

W artykule opisano budowę i działanie licznika czasu opartego na metodzie stempli czasowych i dwustopniowej interpolacji. Licznik został zaimplementowany w układzie programowalnym FPGA Kintex-7 firmy Xilinx. Pokazano sposób tworzenia stempli czasowych o wysokiej rozdzielczości oraz opisano problemy projektowe pojawiające się podczas implementacji projektu w układzie FPGA. Opracowany licznik charakteryzuje się wysoką rozdzielczością (< 11,6 ps) i precyzją (< 12 ps) oraz dużą szybkością powtarzania pomiarów (do 12 milionów pomiarów na sekundę). Słowa kluczowe: układy programowalne, przetworniki czasowo-cyfrowe, metoda stempli czasowych, interpolacja dwustopniowa.

This paper presents an integrated time counter based on timestamps and two-stage interpolation methods implemented in an FPGA programmable device. The timestamps method [2, 3] is useful, among others, in physical experiments and laser ranging systems [2, 4, 5]. To obtain high (picoseconds) resolution, it can be combined with the Nutt interpolation method [1, 6]. The principle of measurement is described in Section 2 and shown in Fig. 1. The time counter contains a period counter, a period counter register and 8 independent channels (Fig. 2, Section 3). Each channel consists of a multiphase clock generator, first and second interpolation stage modules and a channel register. The principle of operation and the way of implementing them in a Kintex-7 FPGA device (Xilinx) [7] are also presented in Section 3. The time counter was examined in terms of resolution and precision for each measurement channel (Section 4). The resolution was evaluated using the statistical code density test [8] and its value was below 12 ps. In Fig. 3 there is shown the time counter precision. In the range up to 1 ms it does not exceed 12 ps. For longer time intervals the precision is worsened by the limited stability of the reference clock. The maximum measurement rate for a single channel was experimentally estimated as 12 million measurements per second. The presented time counter is characterized by high metrological parameters (due to the interpolation method) and wide functionality (due to the time stamps).