（计算机应用技术专业论文）基于全数字锁相环的时间数字转换器的研究.pdf

浙江i ：业人学硕+ 学位论文 基于全数字锁相环的时间数字转换器研究 摘要 t d c ( t i 登毽d i g i 专蠢c o n v 硪黯，) c ) 是一种时间测量的常用电 路，主要计算参考信号到事件发生的时间及两个脉冲间的时间间 隔j 将时间的间隔直接转化为高精度的数字值，并实现数字输出。 目前已被广泛应用予电子领域，如用于全数字锁相环a d p l l 中， 提高其测试器件和信号的时间特性。近几年，最受关注的t d c 是 使用高速c m o s 数字电路的结构，主要原因是被测试信号能实现较 高的时间精度。对t d c 精确度进行研究，将有利于t d c 的应用和 质量保证。 本论文旨在研究时间数字转换器的精度，根据一种全数字锁相 环电路中时间数字转换器的结构和性能，提出了t d c 的设计方法。 采用e d a 软件，将电路图绘制出来，引入千分尺自较正算法，通 过v h d l 语言对t d c 电路信号进行编码。最后通过测试电路，得 出仿真结果，达到对t d c 精确度的准确测量。本文的主要工作和 成果如下： 1 设计出t d c 模块的电路构成；在p s p i c e 软件工具下，通 过引入基本触发器，放大器等器件，建立了项层t d c 模型，为进 一步分析t d c 精确度打下了基础。通过仿真，分析了温度电流电 压对数字信号传输延迟的影响。 2 。研究t d c 核心结构；在h s p i c e 软件工具下，通过将触发 器门电路进行剖析，由程序设计实现每个器件的漏源栅极，以及线 浙江jl ：业人学硕十学位论文 路长度等底层参数，设计各种主要器件的不同传输性能。得到 c m o s 下电压电流以及器件线路的部局对直接延迟的具体影响，确 定了这些因素的优先等级，测得在c m o s 下时间延迟的线性趋势。 3 根据全数字锁相环中的t d c 性能，在深入研究现有t d c 的 优缺点的基础上，引入了一种实现信号自纠正的算法千分尺算法。 在t d c 的仿真过程中，建立分析上的自纠正方案，通过对改进后 的固定矢量进行仿真研究，验证了该方案的合理性与可行性。 4 对本文自顶向下的工作进行了详细解析，针对软件硬件基础 和开发流程，做了更为层次化的介绍。在对本文研究的总结的同时， 也对今后的研究工作作出分析与展望。 关键词：t d c ，精确度，千分尺算法，延迟时间 a d p l l b a s e dt i m ed i g i t a l c o n v e i 汀e r r e s e a r c h a b s t r a c t t d c ( t i m ed i g i t a lc o n v e r t e r ，t d c ) i st h ec o m m o nm e a s u r e m e n t o fm et i m ec i r c u i t ，i t sm a i n 如n c t i o ni st oc a l c u l a t et h em a i n r e 矗羽m c e s l g n a lt ot h ei n c i d e n ta n dt h et i m ei n t e a lb e “托e np u l s e s ，a n dd i g i t a l o 咖u t 肌ei n t e a lo ft i m ew i l ld i r e c t l yt r a n s l a t ei n t oh i 曲- p r e c i s i o n d 1 9 1 t a lv a l u ea n da c h i e v ed i g i t a ls i g n a l s t d ch a sb e e nw i d e l vu s e di n e l e c t i 。n l c s ，o 缸e nu s e di nt h ef i e l do fe l e c t r o n i ct e s t i n g ( f o re x a m p l e ： d p l l ，a d p l l ) t oi m p r o v et h e i rt e s td e v i c e sa n ds i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s o 士t n en m e i nr e c e n ty e a r s ，t h et d c i sm o s tc o n c e m e da b o u tt h eu s eo f h i 曲。s p e e dd i g i t a lc m o sc i r c u i ts t m c t l l r e ，m a i n l yd u et ob e t e s ts i g n a l s t oa c n 主e v eal l i g h e ra c c u m c yo ft h e t i m e t d co nt h ea c c u r a c vo f r e s e a r c hw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h e a p p l i c a t i o no ft d ca n dq u a l i w a s s l l l a n c e lm sp a p e ra l m st os t u d yt h et i m e t o d i g i t a l c o n v e r t e r sa c c u r a c y a c c o r d l n gt oa na l l d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o pc i r c u i ti nt i m e t o d i g i t a l c o n v e n e ro nt h es t m c t l l r ea n dp e 雨肋a n c e ，t h et d c d e s i g nm e t h o d u s i n gt h ee 】) as o f t w a r et od r a wc i r c u i t d i a g r a m s ，a n dt h e 自s t e s t l o g l c - i e v e lr e g e n e r a t i v et i m i n ga l g o r i t h mt h r o u g ht h ev h d l l a n g u a g e o ft h et d cc i r c u i te n c o d e ds i g n a l f i n a l l md e s i g nt h et e s t c i r c u i ta n d g e tt h es 1 i n u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e dt ot d cf o r t h ea c c u r a c vo ft h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t s a r ea s f o l l o w s ： l d e s i g no ft h et d cm o d u l ec i r c u i t ；u s i n gp s p i c es o 脚a r e 浙江i ：业人学硕十学位论文 t o o l s ，t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h eb a s i cf l i p f l o p s ，a n l p l if i e r s ，a n d o t h e rd e v i c e s ，d e s i g nat o p - l e v e lm o d e lo ft d c ，m a k et h ef o u n d a t i o n f o rt h e 如n 1 1 e ra n a l y s i so fm ea c c u r a c y m a k et l ec i r c u i ts i m u l a t i o n ， a n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r eo ft h ec u n e n ta n dv 0 1 t a g ed i g i t a ls i g n a l t r a n s m i s s i o nd e l a y 2 s t u d yo nt h e 蛐m c t u r eo ft h et d cc o r e ；u s i n gt h eh s p i c e s o f t w a r et o o l s ，t h r o u g ht h eg a t ec i r c u i tt oa n a j y z et h e n i p f l o pb y p r o g 删眦n i n gt h ed e v i c e st oa c h i e v ee a c ho ft h eg a t el e a k a g es o u r c e ，a s w e l la st h el e n 氍ho ft h el i n e ，a n do t h e rp a r a m e t e r so ft h eu n d e d y i n g d e s i g no ft h em a i nd e v i c e so f d i f r e r e n tt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y g e tt h e s p e c i f i ci 瑚l p a c tt ot h ed e l a yf 如mt h ev o l t a g e c u r r e n ta n dt h et h eb u r e a u o ft h ed 印a r t m e n to ft h ed e v i c e1 i n et od e t e m l i n et h ep r i o 订够l e v e l ， m e a s u r e dt h et i m ed e l a yu n d e rt h ec m o s1 i n e a rt r e n d 3 a c c o r d i n gt ot h et d c sp e 墒n n a n c ei na d p l l ，s n i d yi n d 印t h o ft h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so ft h ee x i s t i n gt d co nt h eb a s i so fa s e l c o n e c t i n ga l g o r i m m b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to fm ec o r r e c t a n a l y s i so fm ep r o g r a m ，t h r o u g hi m p r o v et h ef i x e dv e c t o rf o rt d c s i m u l a t i o n ，p r o v et h er a t i o n a l i 哆a n df e a s i b i l i t yo f t h er e s e a r c h 4 t h i sa m c l eo nt h ew o r ko f t o p - d o w na n a l y s i si nd e t a i l ，t h eb a s i s f o rs o r w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，m ei n t r o d u c t i o no fa m o r el e v e l i nt h i sp a p e r ，s u ma tt h es a m et i m et h er e s e a r c ha n a l y s i s a n dp r o s p e c t si nt h e 向t u r e k e y w o r d s ： t d c ， f a s t e s t l o g i c l e v e lr e g e n e r a t i v et i m i n g a l g o r i t h m ，t h ed e l a yt i m e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容 外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也 不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：豆但锨 日期：劲韶年j 2 一月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密卧 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：加谣年7 乙月日 日期待肛月f 7 日 浙江i ：业人学硕+ 学能论文 薹重研究背景 董1 。董锁捆环 第一章绪论帚一早焉 i 匕 锁楣环( 豫黼el o c l ( 醴l p 简称p l l ) 电路是个能够跟踪输入信号 相位的闭环自动控制系统，主要是用于生成与输入信号相位同步的新的信 号电路f l l 。目前应用范匿主要有：频率合成与频率变换；自动频率调谐跟 踪；模拟和数字信号的相干解调；a m 波的同步检波；数字通信中的位同 步提取；锁相稳频，倍频和分频；锁褶测速与测距；锁穗f m ( p m ) 调制 与解调。 锁相环电路主要的优点是：调整电路电压信号快，变化稳定，能够产 生高质量的频率信掣2 1 。即使输入频率变化，锁相环电路仍可以稳定地与 信号的平均频率同步。如：电视机的垂直与水平同步电路广泛采用p n 电 路f 3 5 】。 常见的锁穗环电路阎： 图1 1p l l 结构 这种锁相环电路主要以上p d 鉴相器， 滤波器，v c o 压控振荡器三 都组成的环路，改进后的p l l ，环路里加了分频器，将p l l 性能提升到一 个高度。 工作原理是：鉴相器将输入波形的相位与负反馈输出波形的相位进行 比较，使冀两个波形相位同步，从而控制v c o 的频率。v c o 输出频率为： l 浙江i ：业入学硕+ 学能论文 稻毽净蠡珏零n 。 p l l 电路的工作原理比较简单，它由鉴相器、充电泵、环路滤波器和 一个振荡器( v c o ) 构成。p l l 电路接通电源时，v c o 内部由交容二极管 组成的r c l 电路开始振荡而产生一个并不规范的2 频率，该频率经过分频 电路降频震被送到鉴褶器与石英晶体产生的基准频率进行相饺的对比，如 果v c o 产生的频率偏离电路设定时就根据偏差的方向由充电泵产生一个 矫正电压，该电压经过环路滤波器焉送入v c o 内的哥交二极管上，随着可 变二极管上工作电压的变化，其内部电容容量也会发生变化，v c o 的振荡 频率牙始改变并趋近电路设定的频率，一旦两者频率信号的相位同步，鉴 相器检测出来的相位误差就接近o ，v c o 内变容二极管两端的电压就固定 不变，p 毛毛电路就开始输避设定的频率信号并开始正常工作了p 1 翻。 1 。l ，2 全数字锁相环 所谓全数字锁相环( 简称a d p l l ) ，即环路部件全部数字化，全数字 锁相环的研究日趋成熟，无论在理论研究和硬件实现方面，在国内外均有 大量文献报道。目前，所设计的全数字锁相环麴结构组成旧如下图所示： f r e f 赋 r e f t ) n 鞭耋笋 网l - 2 柚p 乩的结构 撇 d i v l t ) 全数字锁相环的优点有： ( 1 ) 全数字锁相环有数字电路的共同优点：只有高低电平，抗干扰， 集成度高，不受低电源电压的影响，各个尺寸的工艺都可以工作等。 ( 2 ) 在数字锁相环路中，时钟源通常不直接受控，不同于模拟锁相环 中的压控振荡器直接受误差信号的控制，这将有待提高环路的性能。没有 2 浙江i ：业人学硕+ 学能论文 溺为p f d 和c h a r g ep u m 科4 】的不匹配弓| 超的对v c o 的干扰。 ( 3 ) 全数字化锁相环路还可以减缓或消除模拟锁相环路中v c o 的非 线性及环路中，使用运算放大路和晶体管后出现的饱和以及运算放大器和 鉴相器的零源等对环路性能的影响。因为没有模拟滤波器，不需要用很大 面积的电容和电阻，降低了芯片面积，以及电阻电容麓绝对值变化对环路 稳定性的影响。 ( 4 ) 它的环路部件甚至整个环路都可以直接用微处理橇来模拟实现。 由于p l l 电路输出的时钟信号的频率可以在很大范围内变化，而且调 整速度快，信号稳定，我们只要改变基准频率酶大小或加入不同的修燕电 压就能随意的改变v c o 输出的频率大小，也正是因为p l l 电路灵活方便 的特性，现在很多需要产生高质量频率信号的电路中都能见到p l l 的身影 f l5 1 。 t d c 的作用是把反馈时钟信号与参考时钟的相位( p h a s c ) 差量化成数字 信号，这个数字信号经过数字滤波器滤波，输如的数字信号给d c 0 产生时 钟【1 3 】【1 6 】。h ) c 是a d p l l 的核心部件，它关系到a d p l l 的锁定，关系到 加p l l 锁定后输戡频率的误差的减少。设计好t d c 会是整个a d p l l 的性 能得到巨大的提高。由此可见，t d c 的设计是全数字锁相环中重要的一个 模块。 目前，t d c 正在广泛用于测量时间的间隔空间科学、高能物理、激光 测距仪、测试仪器等领域臻。由于仍c 具有其特有的性能，因此经常应用 于半导体测试台内测试信号的扭斜、延迟、周期变化【1 8 1 ，以及p l l 的设置 时闻测试等方面。有人在芯片内设置t d c 测试墅a d c 中的环路延迟的方 法，以此来测试芯片内的信号抖动。它可以专门用来衡量边缘之间的时间 差的高速数字电路，可运行兆赫频率范围的时钟，还可以很容易地适应更 广泛的应用。预计，在低电愿数字c m o s 的环境，皮秒级精确测量的时间 闻隔，将成为重要的高分辨率模拟数字常规的转换架构。 浙江 ：业入学硕十学位论文 l 。2 研究现状 1 2 1 锁相环研究现状 锁相环路已在模拟和数字通信及无线电电子学等各个领域中得到了极 为广泛的应用，特别是在数字通信的调制解调和位同步中常常要用到各种 各样的锁相环。锁相就是利用输入信号与输出信号之间的相位误差自动调 节输出相位使之与输入相位一致，或保持一个很小的相位差。最初的锁相 环全部由模拟电路组成，随着大规模、超高速数字集成电路的发展及计算 机的普遍应用，出现了全数字锁相环路【1 9 l 。d p l l 设计的关键技术集中在 数字环路滤波器和数控振荡器上。 关于p l l 的研究现状，大致包括以下几方面： ( i ) 通信系统中独立的模拟p l l 电路，用基本的f j 电路实现，主要适用 于低频范围。 ( i i ) 开发嵌入式c p u ，集成在c p u 中。 ( i i i ) 基于d d s ( 直接数字频率合成器) 技术或者基于f p g a 片的p l l 技术的实现，p l l 电路与d d s 的组合方式，主要是由d d s 获褥高纯正度、 高设定分辨率的信号作用p l l 输入信号，降低电路的信噪和杂散问题。 ( i v ) 廉价单片机中。 1 2 2t d c 研究现状 在模拟锁相环p u 电路的设计过程中，若电路规格已经确定了，剃鉴 相器、v c o 与分频器的规格特性一般由使用的器件( p l l ，i c ) 决定，鉴 相器主要壶乘法器实现，v c o 由不同规格的振荡器实现，分频器由可编程 或不同可编程的分频器来实现2 0 1 。由此，设计的重点主要是集中在分频器 的选择和环路滤波器的参数( 如r ，c ) 上。蔼目前出现关于p l l 酶文章， 大多数是围绕这两方面进行研究的。因此，再对模拟的p l l 电路进行研究， 研究静深度不大。 目前对于全数字锁相环a d p l l 电路的研究中，数字鉴相器主要由与门 4 浙江l ：业人学硕十学位论文 组成，数字滤波器可以透过选择现有的不同规格器件柬设定参数，因此可 研究的深度不大。由图1 2 可见，a d p l l 中除数字鉴相器外，还有异或门 电路，数字滤波器，仍c ( 时闻数字转换器) 与d c o ( 数字控制振荡器) l j 。因此，t d c 和d c o 成为研究a d p l l 的重要模块。 固c 在高能物理实验、雷达、激光和声纳测距、通信测囊、遥感成像 等方面都应用了高分辨率的t d c 技术【2 1 1 。t d c 主要应用于超声波流量仪、 离能物理翻核物理、各种手持机载或露定式的高精度激光测距仪、激光雷 达、激光扫描仪、c d m a 无线蜂窝系统无线定位、超声波密度仪、超声波 厚度仪、涡轮增压器的传速测试仪、张力计、磁致 枣缩传感器、飞行时闻 谱议、天文的时间间隔观测、频率和相位信号分析等高精度测试领域【2 2 1 。 随着c m 潞工艺的发展，芯片内电源电莲降低，元件偏差增大，传统 模拟电路的动作补偿会越来越难。但是，如果采用t d c 的设计方式，性能 会随着c m o s 工艺的发展丽不断提高。露前，已经出现了1 3 锄啦c m o s 工 艺、时间精度为1 0 p s 的t d c 【2 3 1 。而且有人提出，按照图中所示的方式， 遴过发送电路，更精确缝设置延迟时间，能得到更高的时间精度。 1 3 研究内容 目前常用的衲c 电路大多是模拟数字混合电路，模拟电路工作在低 压环境下时容易受周围噪音和动态温度的影响，导致工作不稳定【绷。早期 的p l l 主要是基于模拟电路的设计，而目前对于a d p l l 的研究，多是与 其他技术结合的成果。因此在研究深度上，还有很大的发展和探索空阀。 a d p l l 不使用任何模拟电路，把弱信号快速转换成数字信号，而且不易受 工作环境的影响，工作状态稳定。在全数字锁相环技术研究的趋势下，对 于组成a d p l l 重要电路器件的时间数字转换器进行研究，再次突显t d c 的研究意义的重要性。 针对传统模拟电路中的延迟时间长和锁相信号间的精度低等缺点，现 提出基于触) p l l 的时间数字转换器电路的设计和研究。与传统研究仍c 技术不同，重点研究t d c 的底层信号延迟功能。为提高t d c 的质量( 精 5 浙江jl ：业人学硕+ 学侥论文 确度) ，及时、快速、有效地达到信号叁纠正躲作用，本课题研究鲁在寻找 与t d c 可靠性相关的仿真参数以达到早期对高精度t d c 的可靠性进行快 速筛选，主要研究工作如下： ( 1 ) 根据a d p l l 中的t d c 功能，设计一种t d c 的特殊结构，以及分 析固c 的精确度等特性。采用自顶向下设计思想，设计组成阳c 的疆层 结构；将环形门延迟电路、锁存电路、编码、计数和锁存单元层经过p s p i c e 设计出来，通过设置不同的温度，电器电流参数，德出精度与这些重要因 素之间的关系，实现顶层t d c 功能分析的目的。 2 ) 在固e 结构的基础上，将瓣电路进行分装设计。基于e m o s 王艺， 在h s p i c e 环境下，设计高速度、低功耗、有效缩短t d c 传输延迟的元件， 如门电路器件，触发器，反褶器等主要底层器件。将设计好的元器件应用 予电路中，通过h s p i c e 仿真出数据结果。 ( 3 ) 针对硬件系统平台，编写电路系统的测试文佟，采用引入手分尺自 较正算法的方案，对电路中的数字信号进行编码和控制，达到信号可靠性 的皇我纠正功能，并在此基础上缩短延迟时阀，仿真结果证实了该方案的 可行性。 1 4 论文结构 论文内容具体组织如下： 第一章绪论。介绍数字锁相环的原理和组成，以及阳c 的作用和 原理，t d c 优点以及广阔应用前景，同时介绍了t d c 设计方面的国内外 主要方法和这些方法的优缺点，最后介绍了本课题的主要研究工作。 第二章t d e 结构及特性分析。介绍了t d c 的结构，以及特性， t d c 精确度的概念。再介绍了自纠正算法和t d c 精确度的关系。并对影 响t d c 性能参数的进行了理论分析，为后面验证，精确度和可靠性之闻的 关系提供了理论基础。最后通过t d c 的信号编码和主要参数之间的紧密关 系，并采用一静于分尺自纠正算法，从而用以提高两c 的精确度，以及其 对t d c 信号传输延迟时间解析度进行快速、无损筛选的可行性。 6 浙江l ：业人学硕十学能论文 第三章 电路设计与仿真。用s p l c e 软件设计零d c 核心结构，通过 直流分析，仿真出t d c 在时间延迟上的主要性能。再通过h s p i c e 环境编 码设计各级门电路的性能，以元件形式存储于库文件中，调用绘图，将这 些元件调用出来。通过仿真试验发现t d c 主要电流电压特性，由此计算得 到其传输中昀精确度。这种志在的关系不仅可以用予对仍c 的精确度分 析，达到保证a d p l l 质量的目的，而且还可用于后续a d p l l 的开发，达 到精确时闽量上进行预测酶目的。 第四章电路硬件设计。为了测量前章提到的自校正算法和精确度， 本课题提出了系统各器件在c m o s 下的性能设计指标，并设计了相应的电 路系统，并对主要电路做了分析，系统的测试精度完全达到了测试的要求。 第益章软件系统：开发。本章主要贪绍了p s p l c e 和h s p l e e 软件， 重点介绍了系统设计的主要结构，特别是电路的设计流程，设计思路，以 及设计时所震至的硬件软箨技术。透过该章介绍，我们可以大致了解本系 统的工作流程。通过仿真和测试表明该设计系统能够准确计数，各项功能 均达到预期的要求。经优化后的设计，t d c 系统转换分辨率最高可达2 5 p s ， 仿真数据表明计数结果稳定准确。以上结果表明本文的设计思想和实现方 法是可幸亍的。 第六章论文的总结，并展望了t d c 研究以及在a d p l l 中应用的 迸一步工作，提如以后在加p l l 方面的研究目标。 1 5 本耄总结 本章首先介绍了本项研究的背景：a d p l l 的发展和结构；t d c 的作用 和a d p 乙l 中信号传输的过程；以及t d c 优点和广阔应用前景。接着，简 单概括国内外t d c 研究方面的现状，主要方法和这些方法的优缺点。随后 贪绍了本论文的研究意义及研究内容。对论文结构的详细介绍可以使得读 者对全文的主要内容有一个全局、总体的、高层次的了解。 7 浙江l ：监人学硕十学僦论文 2 1引言 第二章t d c 结构及特性分析 在两c 电路中，通常采用设置d 班。( d 巍a y _ l o 泳蕊l o o p ) ，使逆变器延 迟不受工艺，电源，温度变化的影响，能自动调整为固定值的结构【2 5 1 。另 外，已经开发出了对各个逆变器延迟偏差进行校正的方法。采用这种方式， 性能主要受到逆变器，即延迟电路抖动的影响。 单芯片仍c 也被提上豳程：由于阳c 其有其特有的性能，因此经常 应用于半导体测试台内测试信号的扭斜、延迟、周期变化，以及p l l 的设 置时闻测试等方面溯。为了测试芯片内的信号抖动，有入在芯片内设置c 测试型a d c 中的环路延迟的方法f 2 7 1 。 如果仍c 能满足黜，d 转换，就需要一个可以和它匹配的、能满足劲a 转换的“将数字值转换成时间的电路具有较高时间精度的数字p w m 在 数字电源电路中也是一个非常重要的技术。仍c 中，大部分出数字电路构 成。因此，可以与c m o s 工艺一起发展，并将应用于更广范的领域。 2 。2t d c 结构 根据t d e 的性能，现采用一种患基本的放大器，触发器等门电路组成 的t d c 结构【1 3 1 。如图2 一l 所示。 8 浙江l ：业人学硕+ 学能论文 图2 - l僦的结构 由h c l k 时钟信号和f r e f 锁相信号的触发，经过t d c 的锁相，得到 一个与锁相信号相符的延迟信号。这样应用于a d p l l 中将会达到锁相的效 果。其原理是逶过频率的同步，经一系列触发器得到一串同步信号。由于 各器件之间存在延迟，势必造成延迟功耗和噪声，故在t d c 的设计中，不 仅要考虑刘主要性能，还要考虑到实际的影响电路性能的各种要素。主要 采用的是以下图2 2 结构： 图2 - 21 r i ) c 的核心结构 q l t d c 主要由触发器，放大器等器件组成。这里，采用五叫8 个传输门 电路进行仿真实验。全数字雠) c 系统由环形门延时单元、锁存及异或单元、 编码单元、计数和锁存单元四部分组成。 2 2 1 环形门延迟电路层 环形门延时单元就是一个环形延迟线，它是时测脉冲所走的环路。之 9 浙江i ：业入学硕十学位论文 掰以要做成环路主要是为了缩小电路规模，如采用线形延迟线，在测量范 围很大时，所需的延迟门就很多，这样将导致电路规模庞大【2 8 】。所以将图 2 的首尾相接组成环路。 延迟电路是关键，主要是采用触发器结构，通过参考时钟和计数器得 到测试信号脉冲的大致时间间隔，然后，将该测试信号输入到触发器电路。 测试信号厂一 l c k l 厂_ 乙j 寸乙 一 e i ( 2 广 卞 厂 c k 3 一厂 r 厂 一 ： l i | ：l c k 4 8 厂 i 厂 厂 i 时序图 q l 哟 q 2 卸 q 严l l 输蹬 q 4 8 - l 图2 3 触发器信号输出 输入到触发器中的还有参考时钟信号。参考时钟信号通过由多个逆变 器电路并联形成的延迟电路产生延迟【捌。在这里，将测试信号输入到触礁 发器的时钟部分，将延迟电路中的 心( c k l ，c l q ，) 产生的参考时钟输入 到触发器的数据部分( d ) 。 触发器的输出( q l ，q 2 ，q 3 ，) 成为温度计代码【3 0 】。温度计代码 是连续的“o 和连续的“l ”以某个点为界进行交替酶代码构成方式。这 种“0 ”和“1 交替后输出( q ) 表示被测信号的上升时序。通过二进制码 表示该q 值，将其转换成数字量输逝。 2 2 2 锁存电路层 在此骶) c 系统中锁存与异或电路的功能是锁定检测延迟信号所到达的 位置。锁存器使用的信号与停止信号同步，这样停止信号到来时，锁存器 将锁定延迟线被测时闻信号的状态【3 轴。p a 信号在延迟线中传输恰好到达的 那个非门来说，其输出和输入是同相的。所以，可以用异或门来检测被测 1 0 浙江i ：业人学硕十学伉论文 时闯信号在延迟线中的位置。 尚笛冲一一一昌 2 2 3 编码层 在前一模块中，被测时间信号到达的那个延迟门所对应的异或门的输 出为l ，而其它的异或门输如全为0 ，如此可以用编码器对异或门的输出 信号进行编码，通过输出的编码就可以知道被测时间所到达的位置。在本 固c 系统中，该编码单元的编码输出作为总计数的低位输出。 2 2 。4 计数和锬存单元层 在该髓) e 系统中计数器的作用韪当被测信号传到延迟线终点焉作一次 计，用来记录被测信号在环形门延迟线中循环的圈数。计数器所接锁存器 使用豹锁定信号与延迟线所接锁存器的锁定信号同步，用来锁定计数器输 出，保证计数器输出的准确性【3 2 】。该模块的输出作为总计数值的高位，与 编码器的作为低位输出的值合起来即为总计数值，总计数值与单个延迟门 的延迟时间( 即分辨率) 的乘积就是该t d c 系统所测时间值。在此t d c 系 统设计中，环形门延时单元采用原理鎏输入法，丽锁存与异或单元、编码 单元、计数和锁存单元三部分采用v h d l 语言进行设计。 图2 4 锁存结构 浙江! l ：业人学硕十学能论文 2 。3t d c 主要特性 t d c 芯冀的个重要特征是器件弓 入了精度可调整模式。在此模式下， 两通道数值会非常精确。校准环路幽外部时钟引入作为参考。t d c 代表时 阙数字转换器，这些芯片把时闻间隔直接转能为高精度的数字值。它们被 描述为与模拟电压有相同功能的数模转换器相似的器件【3 3 1 。这个t d c 的定 义涵盖了手表和一些简单的数字仪器，但是髓 c 仅指赢精度的时闻测量工 具。 通常固c 是用在分辨率小于l 黼的转换器上的，甚至到酗的度量精度。 仪表或其他一些类似的器件没有高消耗是无法取得高分辨率的，因此新的 用户化勰决方案就变得很必要了。我们可以通过对芯片内部寄存器酶设置 工作于此模式，因此，结果的精度取决于程序中的设置。以下详细介绍t d c 的两大主要性能参数：分辨率和精确度。 2 3 1 分辨率 墨d c 的性能主要由其时闻数字量化时闻来评测，故以两c 对时闯差 的测量做为物理尺度。t d c 的高分辩率主要来自内部的“门传输时间。 丽门传输时闻又与电压、温度帮制作工艺有关嗣。由于这种联系，固c 的 分辨率是未知的，并且必须通过校准测量首先被计算出来。 此外，分辨率是不稳定的，它随着电压和温度变化。这不熊应用在t d c 的分辨率调节模式中。在分辨率调节模式中，t d c 的分辨率通过相位锁定 回路能进行石英准确性调节【谰，并保持完全的温度稳定性。相位锁相回路 控制了t d c 的核心电压以便于被准确设置为编程值。 与其他的芯片一样，t d c 并不是仅仅以它的主要特性( 如分辨率) 为 特征，它还有各种各样的其他特征诸如有关应用的可用性、灵活性、可用 电路的高集成性等。 1 2 浙江i ：业人? 学硕十学能论文 2 + 3 2 精确度 t d c 的主要性能参数之就是t d c 的解析度。在t d c 主要特性的基 础上，将相位锁相回路的锁相时间定义为t d c 性能的主要参数，即t d c 的精确度( 又称解析度) 。仞c 的精确度主要由时钟信号与参考时钟( 即 锁) 之间的延迟时间差来计算。可以用锁相时两者上升延的时间差，或者 将锁相时两者下降延的触发时间差来计算。 由t _ d c 的结构可知，1 r i ) c 的输入主要是由h c l k 时钟信号和f r e f 锁信号决定，故丽定义t d c 的精确度如下图2 5 所示，珏c 王k 的时钟周麓 与之间的差值。由于电路器件间的延迟，使得锁信号的上升延( 或下降延) 到达时，时钟信号的输出不憨得到及时的响应。由此，将这一响应时闻的 差值作为衡量t d c 性能的一个重要参考。 一 1 黼蜂卜缄， 啡f l _ l l 厂饼越r v l h c l k 1 一一l 一|垂。yl 图2 5t d c 信号结构图 定义精确度： p = 乞旷或者p 茹a 乞， ( 2 1 ) 而由时间关系的公式f 3 6 】： 址似托c 十揣) ( 2 2 ) 乙矗z 一【一矗，l 可得：，= 一言o ( 2 3 ) 即么o l 怨么铲么缸( 或者称之为么羹珏v ) ，实验孛，将此么包n v 定义为仍c 的精确度。 h e 王x 是数字时钟信号，f 爻e f 是锁信号。f r 嚣琴相当于个锁，仿真 时或者由高电平到低电平的转换( 由低电平到高电平的一个转换) 来实现。 1 3 浙江 ：业人学硕+ 学能论文 在f r e f 上升延时，出触发器生成的时钟延迟。将时间延迟编码如成串 数字，而这串数字随着h c l k 的变化，而量化成多个不同值的编码。( 通常 取2 毒或4 8 数值，本实验中取4 8 ) 。 2 3 3 c 精确度的测量 由于 d c 的最小步长是2 5 p s ，因此整个测试系统对时阅晃动的测试 可以达到2 5p s 的分辨率。这个分辨率对于大多数的待测系统来说是足够的 了。两c 的最大璧程是5 l l s ，这在某些实验中是不够的，为此可以在 s t a r t 信号送入t d c 前先经过一个有源延迟线插件，插入一个固定延迟， 这样可以有效地扩展该系统的测试量程瑟羽。有关脉冲宽度为褶位误差，针 对两种情况，分别得出相位误差计算公式如下图2 6 所示： 删1 厂 1 ； d 扣1 ) li 一门广 气尹 匝蔓盈 t 趁 卜- f 蟋 叫 l 一厂 鲜，- 一广 u 姆= ( 掣说 图2 。6 两种情况下的相位差测量 其中，的定义弼如下： e t t t ：厂r 平均脉冲提取： 口喈冲十2 茏 1 4 ( 2 4 ) 浙江l ：业人学硕十学能论文 2 4 t d c 的薹v 特性分析 由c m o s 管的二尹特性方程【3 q ： 卜“p ( 景) - l 】 ( 2 5 ) 其中，为正向电流，毛为反向饱和电流，v 为理想p n 结正向偏压，g 为电子电荷，趸为波尔兹曼常量，露为理想因子，在室温时，咒翰= o 0 2 5 6 9 致 在外加大于零点几伏时，e x p ( g y 旅d 的值远大于1 ，( 2 5 ) 式可以简化为： j = j ，e x p ( 2 y ，嚣鬈f ( 2 。6 ) t d c 工作时额定电流般为3 5 m a ，在这样情况下，欧姆接触引起的 羝降也不缝忽略，即： y ， = rs ，+1 ， ( 2 7 ) 医此( 2 7 ) 式可简化必： 矿，= 掣+ 堕丝半 ( 2 8 ) 其中r s 为t d c 内阻。 公式( 2 8 ) 两边对电流j 进行求导螽并乘以电流j 可得： ，粤：火s ，+ 坐三 d 差 。 唾 ( 2 9 ) 令州鲁，6 = 等，由公式( 2 9 ) 荦譬：j ，与正向电流碱线性关 系，其中直线斜率为凰。实际测试过程中由于电流电压测量不确定度的存 在，不可麓梵理想蛊线。嚣此本文采用二y 实测点( 阀隔为2 0 个点) 的趋 线拟合【4 1 1 。 砌2 兰w ) = 学= 努髟= 2 确巧 娩 式中( 力为被测源信号频率起伏功率谱，踟( ) 为鉴褶器输出电压 功率谱，局为鉴频系数，髟为鉴相器系数。 1 5 浙江i ：业人学硕十学位论文 2 5 千分尺自纠正算法 根据常见的降低误码率的方法中，本谍题弓| 入了一秭信号的纠正算法， 提出信号后期处理上的的较正思想。该算法，被称为f b t e s tl o 西c 1 e v e l 葑嗣謇囝撇囊v e 蛙l 珏i n g 糙e 凌o d 【3 乃。 该算法可以在较短的时间内，将一时刻的信号串与之前某一时刻的状 态进行对蹴，通过其闻的莱种特殊联系，达到自我较正的功麓。由于信号 的精确在千分位上，在这里，称该算法为千分尺自纠正算法。 它常被应用予数字电路，以达到信号的准确度量，以及在传感器电路 中，实现降低信号误码率的目的。在网络传输系统中，也有此算法的应用。 用于降低信嗓吃，提高网络负载。算法的描述如图2 7 所示； h e l k d ( 1 ) d ( 2 ) d ( 3 d ( 4 ) d ( 5 d ( 6 ) d ( 7 ) d ( 8 ) d ( 9 ) d ( 王o ) f r e f 图2 - 7 千分尺臼较正算法原理图 1 6 浙江i ：业人学硕十学能论文 算法解释： 通过h c l k ( 行同步时钟) 与f r e f 信号之间的关系，设定域( 1 ：l ) ， 对予输入信号d ( 1 ：l ) 在每个l 盼时间内，记录一次状态参数得到行数 字信号的编码q ( 1 ：l ) ( 如0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 ) 而这一数值正是在6 时刻那一刻 ( 重l l l l l ) 的输入时钟频率的反相。逶过这样一个关系，假如盛现菜一状态 与它之前6 时刻的状态不符合反相关系时，可以修改此状态的信号码元， 将蓠6 时刻鄂一刻的信号徽参考，纠芷电路中的误码。 2 6 本章小结 本章首先介绍了t d c 的结构以及主要特性；t d c 的性能参数。再次介 绍了t d c 的l - v 特性；精确度以及精确度的测量；翻纠正算法和t d c 精 确度的关系。并对影响t d c 性能参数的进行了理论分析，为后面验证，精 确度和可靠性之间的关系提供了理论基础。 最后通过t d c 的信号编码和主要参数之间的紧密关系，提出采用一种 千分尺自纠正算法，用以提高) c 的精确度；分析其对t d c 信号传输延 迟时间解析度进行快速、无损筛选的可行性。 1 7 浙江。l ：业人学硕十学侮论文 3 。l 概述 第三章t d c 设计与仿真 采用自顶向下设计思路，将电路设计分隽四个主要部分： 图3 1 设计模块图 本文通过对高精度伯e 进行囊顼向下仿真测试试验，设计仍c 核心 结构，仿真验证数字信号在t d c 内部传输的过程。先设计出t d c 总体的 模块，然后再将各个 l 电路进行支解，在h s p 配e 下，通过程序描述语言， 将每个门电路的参数进行设计( 存储为s p 文件) 。 将这些基予e m o s 的门电路进李亍弓l 入，组成c 整体的连接。 通过仿真，找出响应时间与电压电流之间的紧密联系，通过分析功率， 仍c 的w 鳆线获得理性因子p 。再采用手分尺自纠正算法，将仿真过程 中的数字信号进行编码，及时纠正出现的误码。将编码之后的信号，再次 送回到仿真