基于FPGA快速進(jìn)位鏈的高精度TDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、時(shí)間在物理學(xué)以及各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中都起著非常關(guān)鍵的作用，時(shí)間間隔的測(cè)量更是在數(shù)字通信、航天航空、計(jì)量以及導(dǎo)航定位中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量在各個(gè)領(lǐng)域中也是一個(gè)非常重要的技術(shù)。
　　高精度時(shí)間測(cè)量技術(shù)的方法很多，本課題中所使用的方法是基于FPGA的快速進(jìn)位鏈的內(nèi)插技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間間隔的精密測(cè)量，測(cè)量出待測(cè)量的信號(hào)到達(dá)不同兩個(gè)基站之間的時(shí)間差距，通過(guò)得到的高精度時(shí)間差，從而可以得到相應(yīng)的距離差，用多次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)來(lái)繪制

2、以這兩個(gè)不同基站為焦點(diǎn)的一條雙曲線，經(jīng)過(guò)這樣的方法得到的兩條或者多條雙曲線的相交處，就是所要尋找的兩個(gè)基站的具體位置信息，從而達(dá)到定位的目的。其中對(duì)兩個(gè)信號(hào)之的時(shí)間差進(jìn)行精密測(cè)量就是通過(guò)時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　本文主要研究了基于FPGA內(nèi)部快速進(jìn)位鏈來(lái)對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行的測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法，其中對(duì)構(gòu)成快速進(jìn)位鏈的相關(guān)邏輯模塊進(jìn)行了研究，并主要圍繞進(jìn)位鏈形成的方式和規(guī)律進(jìn)行了討論;在時(shí)序仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)在到達(dá)進(jìn)位鏈的過(guò)程中存在

3、一定程度的走線延時(shí)，通過(guò)ISE中的設(shè)計(jì)工具Plan Ahead以及FPGA Editor對(duì)一些重要的信號(hào)傳輸路徑做相關(guān)的調(diào)整，去除了由于信號(hào)傳輸路徑的長(zhǎng)度不同而導(dǎo)致時(shí)延不一樣的結(jié)果，從而減小了最后的測(cè)量誤差。
　　論文通過(guò)改變待測(cè)的時(shí)間間隔的大小對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的測(cè)試，利用ISE與Modelsim相結(jié)合，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。直到仿真結(jié)果能夠達(dá)到預(yù)期的要求之后，生成比特流文件，再將該文件下載到Xilinx公司的Spartan-6開(kāi)發(fā)板中

4、進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，通過(guò)片上邏輯分析儀Chipscope Pro對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析和觀察，通過(guò)得到的相關(guān)結(jié)果再對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地修改和完善。最后本時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)能夠達(dá)到的測(cè)量精度是120ps，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍可根據(jù)所用的寄存器的大小靈活地變動(dòng)，在本設(shè)計(jì)中所使用的16位的寄存器，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到700ns。
　　實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果表明，通過(guò)FPGA內(nèi)部資源形成的快速進(jìn)位鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、分辨率較高、測(cè)量范圍的靈活性大