一種時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述的轉(zhuǎn)換器包含粗檢測電路、接口電路和細檢測電路，其中：粗檢測電路通過將延遲線設(shè)計成環(huán)狀，且其中的裁決單元復用做延遲單元，同時借助于計數(shù)器，最終實現(xiàn)了大輸入范圍的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換；接口電路用于將粗檢測電路產(chǎn)生的時間余量傳遞到細檢測電路；細檢測電路通過調(diào)節(jié)場效應管的柵氧電容使得差分環(huán)形振蕩器中兩個振蕩器的頻率差為一固定很小值，從而實現(xiàn)精度可調(diào)的高精度的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換?？傊?，通過上述三個模塊，本發(fā)明中的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠以較小的面積開銷對時間間隔進行高精度大范圍的轉(zhuǎn)換。
【專利說明】一種時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于時間測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高精度大范圍時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度大范圍的時間測量作為一種關(guān)鍵性的技術(shù)在諸多領(lǐng)域中被廣泛應用，例如激光測距(LRF)、導航通信、高能物理實驗、衛(wèi)星監(jiān)控、科學計量等領(lǐng)域。精密的時間測量無論是在國防還是在民用領(lǐng)域都不可或缺，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，時間的測量正朝著高精度大輸入范圍的方向發(fā)展，以滿足眾多應用的要求。
[0003]時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter, TDC)是一種將時間間隔轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的器件，一定程度上類似于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，只不過ADC量化的電壓或者電流，而TDC量化的是時間間隔。到目前為止，TDC的典型方法可歸納為以下幾種:計數(shù)法，即用一高頻時鐘對輸入的時間間隔直接進行計數(shù)，該方法測量精度較低，且需要外部的高頻時鐘，通常與其他具有高精度的方法配合使用；時間到電壓及電壓到數(shù)字法，顧名思義，該方法就是先把待測的時間間隔(脈沖的形式)借助于電容的充電轉(zhuǎn)換為一定的電壓，再通過電容的放電將電壓釋放，電路設(shè)計使得放電速度要遠小于充電速度，所以待測的時間間隔得到了展寬，用計數(shù)器對展寬后的脈沖計數(shù)就得到了待測時間信息，相對計數(shù)法，該方法精度高，但是由于是數(shù)模混合電路，有諸多因素影響測量的準確性；抽頭式延遲線法(Tapped Delay Line，TDL)，主題思想就是將先到的邊沿信號每經(jīng)過一定量的延遲(通常就是一個緩沖器或反相器的延遲)與后到的信號進行一次裁決，以確定兩者裁決時的先后順序，裁決結(jié)果為11100…序列，從裁決結(jié)果就可得知輸入的時間信息，該方法精度較高，但是芯片面積開銷大，尤其是當輸入的時間間隔很大時；差分式延遲線法(Vernier Delay Line，VDL)，將待測的兩個信號每經(jīng)過一定量的延遲(兩者的延遲不同，但延遲差為一個定值)裁決一次，裁決的結(jié)果就是最后的輸出結(jié)果，該方法的精度比TDL還要高，是常用方法里精度最高的，但是芯片面積開銷比TDL的還要大。因此，一種高精度的、大輸入范圍的、面積開銷 小的TDC成為一種發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中芯片面積開銷比TDL的還要大的技術(shù)問題，本發(fā)明目的是提供一種高精度、大輸入范圍、芯片面積小的時間數(shù)字轉(zhuǎn)化器，以解決目前時間測量中遇到的
主要難題。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)有:
[0006]一粗檢測電路，具有端口一、端口二和端口三，其中:端口三接收輸入的電平信號，用于對不同的電平信號選擇不同的測量量程；端口一和端口二用于分別接收輸入兩個具有連續(xù)時間間隔的跳變沿信號，并利用粗檢測電路中的環(huán)狀延遲線對兩個具有連續(xù)的時間間隔的跳變沿信號之間的時間間隔進行粗測量，并對端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)進行計數(shù)，獲取環(huán)狀延遲線的所有裁決延遲單元的最終狀態(tài)值、獲取環(huán)狀延遲線中端口一輸入跳變沿信號的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值和獲取于端口二輸入跳變沿信號的時間余量信號；
[0007]一接口電路，其兩個輸入端連接粗檢測電路輸出端，接收并將所述裁決延遲單元的最終狀態(tài)值生成開始信號的上升沿，將所述時間余量信號生成停止信號的上升沿，獲取開始信號和停止信號的上升沿之間的時間間隔作為粗檢測電路的時間余量；
[0008]一細檢測電路，具有兩個輸入端和端口四，所述端口四用于接收輸入的控制信號，用于進一步調(diào)節(jié)控制細檢測電路的測量精度；所述兩個輸入端連接接口電路的輸出端，接收并利用細檢測電路中的差分環(huán)形振蕩器對接口電路輸出的開始信號和停止信號的上升沿之間的時間間隔進行細測量，并對差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期進行計數(shù)，生成并輸出差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值；
[0009]一計算單元，其輸入端分別與粗檢測電路的計數(shù)器的輸出端連接、與裁決延遲輸出端連接、與細檢測電路的計數(shù)器的輸出端連接，接收并將所述端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值、所述最終狀態(tài)值和所述的差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值生成并輸出含有待測時間間隔信息的數(shù)字量。
[0010]優(yōu)選實施例，粗檢測電路包括:
[0011]多個裁決延遲單元，每個裁決延遲單元有數(shù)據(jù)輸入端、時鐘輸入端、清零輸入端、選擇輸入端和一個輸出端，所述端口 二連接所有裁決延遲單元的數(shù)據(jù)端，第一個裁決延遲單元的時鐘端連接循環(huán)控制電路的輸出端；之后的每一個裁決延遲單元的時鐘端都連接其前一個裁決延遲單元的輸出端；最后一個裁決延遲單元的輸出端以內(nèi)部反饋信號的方式連接到循環(huán)控制電路的一個輸入端；后一個裁決延遲單元的輸出端連接到前一個裁決延遲單元的清零端；通過所述端口三輸入的電平信號連接到每一個裁決延遲單元的選擇端，用于切換測量量程；通過多個裁決延遲單元首尾相接，構(gòu)成了一個環(huán)狀延遲線；環(huán)狀延遲線用于對輸入的時間間隔進行粗測量，產(chǎn)生并輸出粗測量結(jié)果；
[0012]一循環(huán)控制電路，其有兩個輸入端和一個輸出端，一個輸入端連接到了所述端口一，另一個輸入端連接到最后一個裁決延遲單元的輸出端；循環(huán)控制電路的輸出端連接到了第一個裁決延遲單元的時鐘端；循環(huán)控制電路的控制信號來自所述端口一輸入的邊沿信號；循環(huán)控制電路用于端口一輸入的邊沿信號和環(huán)狀延遲線內(nèi)部反饋信號之間的切換；
[0013]一計數(shù)器，其輸入端連接到第一個裁決延遲單元的輸出端，用于產(chǎn)生并輸出端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)。
[0014]優(yōu)選實施例，細檢測電路包括:
[0015]—振蕩控制電路，其有三個輸入端，兩個輸出端，其中第一輸入端和第二輸入端連接到接口電路的輸出端，用于接收接口電路輸入的兩個上升沿信號；第三輸入端連接到相位檢測電路的輸出端；第一輸入端和第二輸入端接收的信號是邊沿信號或是脈沖信號，振蕩控制電路用于產(chǎn)生第一振蕩器和第二振蕩器的多種振蕩控制信號；
[0016]第一振蕩器，其有一個輸入端和一個輸出端，其輸入端連接到振蕩控制電路的第一輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第一輸入端；第一振蕩器的振蕩頻率通過改變第一振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第一振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號；
[0017]第二振蕩器，其有一個輸入端和一個輸出端，其輸入端連接到振蕩控制電路的第二輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第二輸入端；第二振蕩器的振蕩頻率通過改變第二振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第二振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號；
[0018]—相位檢測電路,其有兩個輸入端和一個輸出端，其中第一輸入端連接到第一振蕩器的輸出端，第二輸入端連接到了第二振蕩器的輸出端，其輸出端連接到振蕩控制電路的第三輸入端，相位檢測電路用于檢測第一振蕩器和第二振蕩器所產(chǎn)生信號之間的相位關(guān)系，相位一致時，相位檢測電路輸出電平信號，第一振蕩器和第二振蕩器均停止振蕩；
[0019]一計數(shù)器，用于記錄第二振蕩器的周期數(shù)。
[0020]優(yōu)選實施例,粗檢測電路中的裁決延遲單元是裁決單元或是延遲單元。
[0021]優(yōu)選實施例，端口三輸入為高電平時，粗檢測電路的測量量程較大，端口三輸入為低電平時，粗檢測電路的測量量程較小。
[0022]優(yōu)選實施例，粗檢測電路的時間余量值等于接口電路輸出的開始信號和停止信號上升沿之間的時間間隔。
[0023]優(yōu)選實施例，端口四輸入為高電平時，細檢測電路的測量精度值較大，端口四輸入為低電平時，細檢測電路的測量精度值較小。
[0024]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明主要包括粗檢測電路、接口電路、細檢測電路三部分，三者共同完成時間信息到數(shù)字信息的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵就是通過將延遲線設(shè)計成環(huán)狀且將裁決單元復用做延遲單元來實現(xiàn)大范圍的測量；并利用場效應管的柵氧電容來調(diào)節(jié)差分環(huán)形振蕩器(VRO)使其兩個振蕩器的頻率差達到很小，實現(xiàn)高精度測量；最終以很小的面積開銷實現(xiàn)高精度大范圍的時間間隔測量。在粗檢測電路中，本發(fā)明通過將延遲線設(shè)計成環(huán)狀，并且將零建立時間的觸發(fā)器(裁決延遲單元)復用做一種特殊的延遲單元，同時借助于計數(shù)器來記錄端口 一輸入的信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)，這種情況下，可輸入的動態(tài)范圍大大擴展，由于是環(huán)狀，所以即使待測時間間隔較大，電路面積仍然可以很小；在接口電路中，通過設(shè)計與粗檢測電路相類似的電路，但是工作時接口電路相對于粗檢測電路要整體被延遲一段時間，這樣粗檢測電路的輸出就能用來控制接口電路的輸出使能信號，最終粗檢測電路產(chǎn)生的時間余量被準確的傳送出來，為進一步的細測做準備；在細檢測電路中，通過調(diào)節(jié)場效應管的尺寸，從而改變場效應管柵氧電容的電容值，最終改變VRO中兩個振蕩器的頻率差，通過這樣一種方式來控制和調(diào)節(jié)細測的精度，測量結(jié)束時，振蕩器停止振蕩以降低電路功耗。借助于以上所述的三個模塊，本發(fā)明中的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器就可以以很小的面積開銷獲得很高的測量精度和很大的輸入范圍。
[0025]本發(fā)明的具有測量精度高和輸入大范圍，而且芯片面積小的技術(shù)特點，具體如下:
[0026]1.輸入范圍擴展容易。該轉(zhuǎn)換器的輸入范圍主要由粗檢測電路決定，若要擴展輸入范圍，最簡單的辦法就是增加粗檢測電路中計數(shù)器的位數(shù)，計數(shù)器增加一位，輸入范圍就擴大一倍，而且這樣做并不會引起大的面積開銷。
[0027]2.細檢測電路的精度可調(diào)。因為細測電路的精度是通過改變場效應管柵氧電容來調(diào)節(jié)的，所以只要改變場效應管的尺寸，就可以調(diào)節(jié)細測的精度，具有很大的靈活性。
[0028]3.整個轉(zhuǎn)換電路功耗較低。粗檢測電路工作時，細檢測電路處于休眠狀態(tài)，細檢測電路工作時，粗檢測電路處于休眠狀態(tài)，而且無論是粗檢測電路還是細檢測電路，只要其承擔的轉(zhuǎn)換任務一結(jié)束，馬上停止工作，因此整個電路的功耗較低。
[0029]4.電路穩(wěn)定性好。體現(xiàn)在電路中所有的緩沖器都有溫度補償電路，且由場效應管柵氧電容引起的頻率差穩(wěn)定，細檢測電路的輸入端有觸發(fā)器來對輸入的時間余量信號進行濾波，所以整個電路的穩(wěn)定性好，測量結(jié)果可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的原理框圖；
[0031]圖1a粗檢測電路的輸入輸出信號波形；
[0032]圖1b接口電路的輸入輸出波形；
[0033]圖1c細檢測電路的輸入輸出波形；
[0034]圖2、圖2a及圖2b為本發(fā)明中的粗檢測電路框圖；
[0035]圖3為本發(fā)明中的粗檢測電路圖；
[0036]圖4為本發(fā)明中的接口電路圖；
[0037]圖5、圖5a及圖5b為本發(fā)明中的細檢測電路框圖；
[0038]圖6、圖6a及圖6b為本發(fā)明中的細檢測電路圖；
[0039]圖7a及圖7b為本發(fā)明中的零建立時間觸發(fā)器(SDFF)電路圖；
【具體實施方式】
[0040]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0041]如圖1所示，本發(fā)明中所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括粗檢測電路101、接口電路102、細檢測電路103和計算單元104。
[0042]一粗檢測電路101，具有端口一、端口二和端口三，其中:端口三接收輸入的電平信號，用于對不同的電平信號選擇不同的測量量程；端口一和端口二用于分別接收輸入兩個具有連續(xù)時間間隔的跳變沿信號，并利用粗檢測電路101中的環(huán)狀延遲線對兩個具有連續(xù)的時間間隔的跳變沿信號之間的時間間隔進行粗測量，并對端口 一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)進行計數(shù)，獲取環(huán)狀延遲線的所有裁決延遲單元的最終狀態(tài)值Q[M:0]、獲取環(huán)狀延遲線中端口一輸入跳變沿信號的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值NI和獲取于端口二輸入跳變沿信號的時間余量信號ST0P_D ；
[0043]一接口電路102，其兩個輸入端連接粗檢測電路101的輸出端，接收并將所述裁決延遲單元的最終狀態(tài)值生成開始信號的上升沿，并將時間余量信號生成停止信號的上升沿，獲取開始信號start和停止信號stop的上升沿之間的時間間隔作為粗檢測電路的時間
余量；
[0044]—細檢測電路103，具有兩個輸入端和端口四，所述端口四用于接收輸入的控制信號，用于進一步調(diào)節(jié)控制細檢測電路103的測量精度；所述兩個輸入端連接接口電路的輸出端，接收并利用細檢測電路103中的差分環(huán)形振蕩器對接口電路輸出的開始信號start和停止信號stop的上升沿之間的時間間隔進行細測量，并對差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期進行計數(shù)，生成并輸出差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值N2 ；
[0045]一計算單元104，其輸入端分別與粗檢測電路101的計數(shù)器的輸出端連接、與裁決延遲輸出端連接、與細檢測電路103的計數(shù)器的輸出端連接，接收并將所述端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值N2、所述最終狀態(tài)值Q[M:0]和所述的差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值NI生成并輸出含有待測時間間隔信息的數(shù)字量。
[0046]粗檢測電路101中的裁決延遲單元是裁決單元或是延遲單元。端口三輸入為高電平時，粗檢測電路101的測量量程較大，端口三輸入為低電平時，粗檢測電路101的測量量程較小。粗檢測電路101輸出的時間余量值等于接口電路102輸出的開始信號和停止信號上升沿之間的時間間隔。端口四輸入為高電平時，細檢測電路103的測量精度值較大，端口四輸入為低電平時，細檢測電路103的測量精度值較小。粗檢測電路101、接口電路102、細檢測電路103和計算單元104均由CMOS電路設(shè)計制造而成。
[0047]粗檢測電路101的工作原理如下:
[0048]首先，待測邊沿信號START和STOP分別通過端口一和端口 二輸入到粗檢測電路101中，START和STOP跳變沿之間的時間間隔就是輸入的時間量。通過端口三輸入的測量量程選擇信號SEL用于選擇粗檢測電路101的測量量程。粗檢測結(jié)束，粗檢測電路101輸出粗檢測結(jié)果:計數(shù)器的值N1、環(huán)狀延遲線中(M+1)個裁決延遲單元的最終狀態(tài)值Q[M:0]。同時粗檢測電路101將產(chǎn)生的時間余量信號ST0P_D和所有裁決延遲單元的最終狀態(tài)信號Q[M:0]輸入到接口電路102中，用于產(chǎn)生準確的時間余量信號的兩個上升沿信號，即開始信號start和停止信號stop。接口電路102將粗測過程中產(chǎn)生的時間余量信號傳遞到細檢測電路103中，同時通過端口四輸入控制信號C，用于實時調(diào)節(jié)細檢測電路103的精度?？刂菩盘朿為高電平，細檢測電路的精度值變大，控制信號c為低電平，細檢測電路103的精度值變小。細檢測結(jié)束，細檢測電路103輸出細測結(jié)果:計數(shù)器的計數(shù)值N2。粗檢測結(jié)果NI，Q[M:0]和細檢測結(jié)果N2按照如下的計算公式計算即可得到輸入的時間間隔大小。
[0049]當端口三輸入的電平信號SEL為高電平時，且端口四輸入的控制信號C為低電平時，計算公式如下:
[0050]t = t纖測結(jié)果+t細檢測結(jié)果
[0051 ] =NlX (M+1) X Rl+P X R1+N2 X R3
[0052]t 粗檢測結(jié)果=NlX (M+1) XR1+PXR1
[0053]t細檢測結(jié)果=N2XR3
[0054]當端口三輸入的電平信號SEL為低電平時，且端口四輸入的控制信號C為低電平時，計算公式如下:
[0055]t = t纖測結(jié)果+t細檢測結(jié)果
[0056]=NlX (M+1) X R2+P X R2+N2 X R3
[0057]t 粗檢測結(jié)果=NlX (M+1) X R2+P X R2
[0058]t細檢測結(jié)果=N2XR3
[0059]當端口三輸入的電平信號SEL為高電平時，且端口四輸入的控制信號C為高電平時，計算公式如下:
[0060]t = t纖測結(jié)果+t細檢測結(jié)果
[0061 ] =NlX (M+1) X Rl+P X R1+N2 X R4
[0062]t 粗檢測結(jié)果=NlX (M+1) XR1+PXR1
[0063]t細檢測結(jié)果=N2XR4[0064]當端口三輸入的電平信號SEL為低電平時，且端口四輸入的控制信號C為高電平時，計算公式如下:
[0065]t = t纖測結(jié)果+t細檢測結(jié)果
[0066]=NlX (M+1) X R2+P X R2+N2 X R4
[0067]t 粗檢測結(jié)果=NlX (M+1) X R2+P X R2
[0068]t細檢測結(jié)果=N2XR4
[0069]上式中，t代表輸入的時間量，其等于粗檢測電路101的結(jié)果與細檢測電路的結(jié)果之和。其中，NI是粗檢測電路101中計數(shù)器的輸出值，(M+1)是粗檢測電路101中環(huán)狀延遲線里裁決延遲單元的個數(shù)，Rl是粗檢測電路101在端口三輸入的電平信號SEL為高電平時的測量精度，R2是粗檢測電路101在端口三輸入的電平信號SEL為低電平時的測量精度；P是從Q[0]到Q[M]的序列中出現(xiàn)I時經(jīng)歷的裁決延遲單元的個數(shù)(等同于從Q[0]到Q[M]的序列中出現(xiàn)I時經(jīng)歷的O的個數(shù))，例如當Q[M:0]=…0001000時，從Q[O]到Q[M]，序列中出現(xiàn)I時經(jīng)歷的裁決延遲單元的個數(shù)為3(即出現(xiàn)I時經(jīng)歷的O的個數(shù)為3)，所以這種情況下P = 3。N2是細檢測電路103中計數(shù)器的輸出值，R3是為細檢測電路103在端口四輸入的C為低電平時的測量精度，R4是為細檢測電路103在端口四輸入的C為高電平時的測量精度。R1、R2、R3、R4在電路設(shè)計制造好之后是確定的常量?？梢钥闯?，輸入的時間量t最終可以由數(shù)字量N1、Q[M:0](可換算為P值)、N2來表示。正是以這樣一種方式，實現(xiàn)了時間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。
[0070]圖1a給出了粗檢測電路101的輸入輸出波形。從端口一輸入START信號為一個上升沿信號，從端口二輸入的STOP信號為一個下降沿信號，START上升沿和STOP下降沿之間的時間間隔即為待測的時間間隔。在整個粗檢測過程中，端口三輸入的SEL信號為高，表示此時粗檢測電路101支持的輸入 范圍比較大。裁決延遲單元的輸出為Q[O]-Q[M]，相鄰兩個裁決延遲單元的輸出波形對應上升沿之間的時間間隔代表粗檢測電路101的測量精度。例如在圖1a中，Q[0]的第一個上升沿和Q[l]的第一個上升沿之間的時間間隔就等于粗檢測電路的測量精度。在同一裁決延遲單元的輸出波形中，相鄰兩個上升沿之間的時間間隔等于端口一輸入的START信號沿著環(huán)狀延遲線傳播一圈所經(jīng)歷的延遲時間。ST0P_D信號來自延遲之后的端口輸入信號STOP，ST0P_D仍然是一個下降沿。計數(shù)器的計數(shù)值NI代表了端口一輸入的START信號在環(huán)狀延遲線中循環(huán)的次數(shù)，即START信號沿著環(huán)狀延遲線傳播的圈數(shù)。所有裁決延遲單元的最終狀態(tài)值和計數(shù)器的計數(shù)值NI為粗檢測電路101的測量結(jié)果。
[0071]圖1b給出了接口電路102的輸入輸出波形。粗檢測電路101中的裁決延遲單元的輸出輸入到接口電路102用于產(chǎn)生開始信號start，start為一個脈沖信號。粗檢測電路101輸出的時間余量信號31'(^_0輸入到接口電路用于產(chǎn)生停止信號stop，stop為一個上升沿信號。Start脈沖的上升沿和stop上升沿時間的時間間隔就是粗檢測電路的時間余量。產(chǎn)生的時間余量被傳遞到細檢測電路103用于進一步的測量。
[0072]圖1c給出了細檢測電路103的輸入輸出波形。細檢測電路103的輸入為接口電路102輸出的開始信號start和停止信號stop。在start和stop上升沿到來之前,端口四輸入的控制信號C變?yōu)榈碗娖剑硎敬藭r細檢測電路103的測量精度較高。計數(shù)器記錄了細檢測電路中振蕩器的振蕩周期數(shù)N2作為細檢測電路103的測量結(jié)果。[0073]如圖2、圖2a及圖2b所示為本發(fā)明中的粗檢測電路101框圖，粗檢測電路101包含多個裁決延遲單元302、303...3n，每個裁決延遲單元302、303...3n有數(shù)據(jù)輸入端、時鐘輸入端、清零輸入端、選擇輸入端和一個輸出端，所述端口二連接所有裁決延遲單元的數(shù)據(jù)端，第一個裁決延遲單元的時鐘端連接循環(huán)控制電路301的輸出端；之后的每一個裁決延遲單元的時鐘端都連接其前一個裁決延遲單元的輸出端；最后一個裁決延遲單元的輸出端以內(nèi)部反饋信號的方式連接到循環(huán)控制電路301的一個輸入端；后一個裁決延遲單元的輸出端連接到前一個裁決延遲單元的清零端；通過所述端口三輸入的電平信號連接到每一個裁決延遲單元的選擇端，用于切換測量量程；通過多個裁決延遲單元首尾相接，構(gòu)成了一個環(huán)狀延遲線；環(huán)狀延遲線用于對輸入的時間間隔進行粗測量，產(chǎn)生并輸出粗測量結(jié)果；
[0074]一循環(huán)控制電路301，其有兩個輸入端和一個輸出端，一個輸入端連接到了所述端口一，另一個輸入端連接到最后一個裁決延遲單元的輸出端；循環(huán)控制電路的輸出端連接到了第一個裁決延遲單元的時鐘端；循環(huán)控制電路的控制信號來自所述端口一輸入的邊沿信號；循環(huán)控制電路用于端口一輸入的邊沿信號和環(huán)狀延遲線內(nèi)部反饋信號之間的切換；
[0075]還包含一個計數(shù)器275，其輸入端連接到第一個裁決延遲單元的輸出端，用于產(chǎn)生并輸出端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)。
[0076]粗檢測電路101的詳細工作原理如下:
[0077]輸入信號分別從端口一，端口二和端口三輸入，端口一將先到的邊沿信號START輸入到循環(huán)控制電路301中，端口二將后到的邊沿信號STOP輸入到所有裁決延遲單元302、303、…3n的數(shù)據(jù)端，端口三將測量范圍選擇信號SEL輸入到了所有裁決延遲單元302、303、…3n的選擇端。循環(huán)控制電路301的輸出端連接到了第一個裁決延遲單元302的時鐘端，最后一個裁決延遲單元3n的輸出端作為內(nèi)部反饋信號輸入到循環(huán)控制電路301。這樣，所有的裁決延遲單元302、303、…3n和循環(huán)控制電路301構(gòu)成了一個環(huán)狀延遲線，對從端口一和端口二輸入的時間間隔進行粗測量。所有裁決延遲單元302、303、…3n的輸出值和計數(shù)器275的輸出值共同構(gòu)成了粗檢測電路101的測量結(jié)果。電路開始工作時，循環(huán)控制電路301的輸出端為端口一輸入的信號,在端口一的信號被輸入之后,循環(huán)控制電路301的輸出端切換為內(nèi)部反饋信號。循環(huán)控制電路301保證了最后一個裁決延遲單元3n的輸出能被正確的回送到第一個裁決延遲單元302的時鐘端，使得環(huán)狀延遲線能正常工作。計數(shù)器275記錄了最后一個裁決延遲單元3n輸出端的反饋次數(shù)，也就是內(nèi)部反饋信號的循環(huán)次數(shù)，η是自然數(shù)。
[0078]粗檢測電路101如圖3所示，待測的輸入信號叫做START和STOP，分別從端口一和端口二輸入，START為一個上升沿信號，而STOP為一個下降沿信號。測量量程選擇信號SEL從端口三輸入，SEL可以是高電平也可以是低電平，這里不妨假設(shè)SEL信號為高電平。START信號經(jīng)過多路選擇器280和緩沖器281之后分別輸入到D觸發(fā)器201 (圖2、圖2a和圖2b中的D觸發(fā)器均為零建立時間觸發(fā)器，簡稱SDFF)的時鐘端，STOP信號經(jīng)過多路選擇器282和緩沖器283之后輸入到D觸發(fā)器201的數(shù)據(jù)端。D觸發(fā)器201進行第一次裁決以確定此時時鐘端和數(shù)據(jù)端兩個信號邊沿的先后順序，之后START信號又經(jīng)過D觸發(fā)器201的CLK-Q延遲、多路選擇器290和緩沖器291的延遲，由D觸發(fā)器202進行第二次裁決，且D觸發(fā)器202的緩沖輸出Q[l]反相后作為D觸發(fā)器201的清零信號R，也就是說D觸發(fā)器201的高電平狀態(tài)在維持一段時間之后被清零，這樣做是為下一循環(huán)中的裁決做準備。依此類推，經(jīng)過(M+1)次裁決后START信號從D觸發(fā)器272的輸出重新回到多路選擇器280的輸入端，此時多路選擇器280的選擇信號即切換信號已經(jīng)切換為反饋信號輸入，因此又可以重復進行上述的裁決過程，同時與緩沖器291相連的計數(shù)器275的值增加1，代表一次循環(huán)。多路選擇器280的選擇信號即切換信號來自延遲之后的START信號，這也是本發(fā)明的特色之一。當D觸發(fā)器首次出現(xiàn)裁決結(jié)果為零的情況時，粗檢測結(jié)束。計數(shù)器275的最終值NI和(M+1)個D觸發(fā)器的最終狀態(tài)Q[M:0] —起構(gòu)成了粗檢測結(jié)果?？梢钥闯?，在測量過程中，當SEL信號為高電平時，D觸發(fā)器既是裁決單元又被復用做延遲單元，測量量程比較大；當SEL信號為低電平時，D觸發(fā)器只是作為裁決單元，因此測量量程較小。除此之外，零建立時間D觸發(fā)器的應用保證了裁決的準確性。在傳統(tǒng)的延遲線中，延遲線的長度正比于待測的時間間隔，時間間隔越大，延遲線越長，電路的面積也越大，而在本發(fā)明中，延遲線設(shè)計成環(huán)狀，時間間隔很大時電路的面積仍然很小?？傊謾z測電路101以很小的面積開銷，得到了大的輸入范圍，是本發(fā)明的主要特色。
[0079]小于粗檢測電路103所能分辨的最小時間間隔，即D觸發(fā)器的CLK-Q延遲、一個多路選擇器280和一個緩沖器291的延遲之和，這部分時間間隔叫做時間余量將會被接口電路102傳出。接口電路102如圖4所示，控制電路705的輸出為三態(tài)緩沖器701，702，703的使能信號和三態(tài)反相器704的使能信號，三態(tài)緩沖器的輸入為粗檢測電路中裁決延遲單元的輸出Q[M:0]，三態(tài)緩沖器的輸出為開始信號start ;三態(tài)反相器的輸入為粗檢測電路輸出的時間余量信號ST0P_D，三態(tài)反相器的輸出為停止信號stop。這樣，粗檢測電路的裁決延遲單元輸出Q[M: O]和時間余量信號ST0P_D轉(zhuǎn)化為接口電路的開始信號start和停止信號stop。最終粗檢測電路101產(chǎn)生的時間余量被準確的傳送出來，為進一步的細測做好準備。
[0080]細檢測電路103的框圖如圖5、圖5a及圖5b所示。主要包括5個模塊，分別是振蕩控制電路601，第一振蕩器407，第二振蕩器408，相位檢測電路604和計數(shù)器415，其特點包括:
[0081]振蕩控制電路601,其有三個輸入端,兩個輸出端,其中第一輸入端和第二輸入端連接到接口電路的輸出端，用于接收接口電路輸入的兩個上升沿信號，即開始信號start和停止信號stop ;第三輸入端連接到相位檢測電路的輸出端；第一輸入端和第二輸入端接收的信號是邊沿信號或是脈沖信號，振蕩控制電路601用于產(chǎn)生第一振蕩器407和第二振蕩器408的多種振蕩控制信號；
[0082]第一振蕩器407,其有一個輸入端和一個輸出端,其輸入端連接到振蕩控制電路的第一輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第一輸入端；第一振蕩器的振蕩頻率通過改變第一振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第一振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號；
[0083]第二振蕩器408,其有一個輸入端和一個輸出端,其輸入端連接到振蕩控制電路的第二輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第二輸入端；第二振蕩器的振蕩頻率通過改變第二振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第二振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號；
[0084]相位檢測電路604,其有兩個輸入端和一個輸出端,其中第一輸入端連接到第一振蕩器407的輸出端，第二輸入端連接到了第二振蕩器408的輸出端，其輸出端連接到振蕩控制電路的第三輸入端，相位檢測電路用于檢測第一振蕩器和第二振蕩器所產(chǎn)生信號之間的相位關(guān)系，相位一致時，相位檢測電路輸出電平信號，第一振蕩器和第二振蕩器均停止振蕩；
[0085]計數(shù)器415，用于記錄第二振蕩器的周期數(shù)。
[0086]細檢測電路103的具體工作原理如下:
[0087]振蕩控制電路601用于接收從第一輸入端和第二輸入端輸入的時間余量信號,信號可以是邊沿信號也可以是脈沖信號。還用于接受從第三輸入端輸入的停止振蕩信號，用于停止第一振蕩器407和第二振蕩器408的振蕩。振蕩控制電路601的第一輸出端輸入到了第一振蕩器407,用于啟動或停止第一振蕩器407的振蕩,振蕩控制電路601的第二輸出端輸入到了第二振蕩器408，用于啟動或停止第二振蕩器2的振蕩。當?shù)谝徽袷幤?07和第二振蕩器408的相位對齊時，相位檢測電路604輸出低電平到振蕩控制單路601，之后第一振蕩器407和第二振蕩器408均停止振蕩，細檢測電路進入低功耗模式。計數(shù)器415記錄了第二振蕩器408所振蕩的周期數(shù)，計數(shù)器415的數(shù)值代表了細檢測電路103的測量結(jié)果。
[0088]接口電路102的輸出信號作為細檢測電路103的輸入信號，細檢測電路103如圖
6、圖6a和圖6b所示。輸出的時間余量信號分別叫做開始信號和停止信號，開始信號一到來，第一振蕩器407起振，停止信號到來后，第二振蕩器408才起振，且設(shè)計時保證第一振蕩器407的振蕩頻率略小于第二振蕩器408振蕩頻率，微小的頻率差具體是這樣實現(xiàn)的:開始時，第一振蕩器407和第二振蕩器408的振蕩頻率相同，而且振蕩器407和408均由緩沖器418構(gòu)成，通過在兩個振蕩環(huán)410和412中分別加載不等量的場效應管柵氧電容，其中通過開關(guān)c控制的柵氧電容422主要用來對抗制造過程中由于工藝抖動所導致的頻率差變化，也可以用來進一步調(diào)節(jié)第一振蕩器407和第二振蕩器408的頻率差，頻率差即為細檢測電路103的測量精度。不斷調(diào)節(jié)柵氧電容420和柵氧電容421使頻率差即細測精度達到預期值為止，其中柵氧電容420和柵氧電容421的調(diào)節(jié)是通過改變柵氧電容420和柵氧電容421所對應的場效應管的尺寸來實現(xiàn)的，這也是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一。若干周期之后，當?shù)谝徽袷幤?07和第二振蕩器408的相位對齊時，由D觸發(fā)器402，403和與非門404構(gòu)成的相位檢測電路604輸出低電平，與輸入信號相連的D觸發(fā)器400和401均被清零，第一振蕩器407和第二振蕩器408停止振蕩。由于在相位檢測電路604中用到的D觸發(fā)器是零建立時間的D觸發(fā)器，所以相位檢測的準確性很高，對提高細檢測電路103的測量精度有很大作用。與第二振蕩器408相連的計數(shù)器415記錄了第二振蕩器408停振前所產(chǎn)生的周期數(shù)N2。因為當輸入的時間間隔小于第一振蕩器407的一個振蕩周期時,第一振蕩器407和第二振蕩器408停止振蕩前經(jīng)歷的周期數(shù)相同，用一個計數(shù)器415對其中一個振蕩器進行計數(shù)即可。這里，與輸入信號相連的兩個D觸發(fā)器400和401的作用主要有三個:一是對輸入信號開始信號start和停止信號stop進行濾波，確保輸入信號有較大抖動時第一振蕩器407和第二振蕩器408仍然可以正常工作；二是在第一振蕩器407和第二振蕩器408的相位對齊時，即細測結(jié)束時第一振蕩器407和第二振蕩器408能及時的停止工作以降低電路功耗；三是因為引入了 D觸發(fā)器400和401，所以輸入的開始信號和停止信號既可以是邊沿信號也可以是脈沖信號。計數(shù)器415的最終值N2代表了細檢測電路103的測量結(jié)果。
[0089]粗檢測電路101和細檢測電路103中用到的零建立時間D觸發(fā)器(SDFF)電路結(jié)構(gòu)如圖7a和圖7b所示。該觸發(fā)器共有5個端口，分別是:數(shù)據(jù)輸入端D，清零輸入端R，時鐘輸入端clk_s，以及輸出端Q和反相輸出端QB。數(shù)據(jù)輸入端D用于輸入數(shù)據(jù)；清零輸入端用于輸入清零信號；時鐘輸入端用于輸入時鐘信號，且由clk_s信號產(chǎn)生了圖7a中的clk_m、clk_sb、clk_mb信號；輸出端Q和反相輸出端QB的輸出波形是反相的關(guān)系。主從式觸發(fā)器的建立時間是由主鎖存器的傳輸延遲引起的，因此將主鎖存器的時鐘Clk_m相對于從鎖存器的時鐘clk_s延遲一定的時間，D觸發(fā)器的建立時間就可以調(diào)為零。在本發(fā)明中，設(shè)計了一種延遲時間可調(diào)的延遲電路，具體是:clk_m相對于clk_s有反相器501和反相器503的延遲，并且在反相器501和503中間加了場效應管柵氧電容505，通過調(diào)節(jié)場效應管的尺寸來調(diào)節(jié)柵氧電容505的值,進一步調(diào)節(jié)clk_m和clk_s之間的延遲,使的延遲電路的總延遲恰好等于觸發(fā)器在沒有引入延遲電路時的建立時間。而反相時鐘clk_sb和Clk_mb都接反相器501的輸出。通過以上措施使得觸發(fā)器的建立時間在任何情況下都近似為零，即當D觸發(fā)器的時鐘上升沿和數(shù)據(jù)上升沿同時到達時，D觸發(fā)器仍然可以正常工作輸出高電平。零建立時間D觸發(fā)器中主鎖存器和從鎖存器時鐘之間的延遲電路設(shè)計也是本發(fā)明的特色之一 O
[0090]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，設(shè)有: 一粗檢測電路，具有端口一、端口二和端口三，其中:端口三接收輸入的電平信號，用于對不同的電平信號選擇不同的測量量程；端口一和端口二用于分別接收輸入兩個具有連續(xù)時間間隔的跳變沿信號，并利用粗檢測電路中的環(huán)狀延遲線對兩個具有連續(xù)的時間間隔的跳變沿信號之間的時間間隔進行粗測量，并對端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)進行計數(shù)，獲取環(huán)狀延遲線的所有裁決延遲單元的最終狀態(tài)值、獲取環(huán)狀延遲線中端口一輸入跳變沿信號的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值和獲取于端口二輸入跳變沿信號的時間余量信號; 一接口電路，其兩個輸入端連接粗檢測電路輸出端，接收并將所述裁決延遲單元的最終狀態(tài)值生成開始信號的上升沿，并將所述時間余量信號生成停止信號的上升沿，獲取開始信號和停止信號的上升沿之間的時間間隔作為粗檢測電路的時間余量； 一細檢測電路，具有兩個輸入端和端口四，所述端口四用于接收輸入的控制信號，用于進一步調(diào)節(jié)控制細檢測電路的測量精度；所述兩個輸入端連接接口電路的輸出端，接收并利用細檢測電路中的差分環(huán)形振蕩器對接口電路輸出的開始信號和停止信號的上升沿之間的時間間隔進行細測量，并對差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期進行計數(shù)，生成并輸出差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值； 一計算單元，其輸入端分別與粗檢測電路的計數(shù)器的輸出端連接、與裁決延遲輸出端連接、與細檢測電路的計數(shù)器的輸出端連接，接收并將所述端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)計數(shù)值、所述最終狀態(tài)值和所述的差分環(huán)形振蕩器中振蕩器的振蕩周期計數(shù)值生成并輸出含有待測時間間隔信息的數(shù)字量。
2.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，粗檢測電路包括: 多個裁決延遲單元，每個裁決延遲單元有數(shù)據(jù)輸入端、時鐘輸入端、清零輸入端、選擇輸入端和一個輸出端，所述端口二連接所有裁決延遲單元的數(shù)據(jù)端，第一個裁決延遲單元的時鐘端連接循環(huán)控制電路的輸出端；之后的每一個裁決延遲單元的時鐘端都連接其前一個裁決延遲單元的輸出端；最后一個裁決延遲單元的輸出端以內(nèi)部反饋信號的方式連接到循環(huán)控制電路的一個輸入端；后一個裁決延遲單元的輸出端連接到前一個裁決延遲單元的清零端；通過所述端口三輸入的電平信號連接到每一個裁決延遲單元的選擇端，用于切換測量量程；通過多個裁決延遲單元首尾相接，構(gòu)成了一個環(huán)狀延遲線；環(huán)狀延遲線用于對輸入的時間間隔進行粗測量，產(chǎn)生并輸出粗測量結(jié)果； 一循環(huán)控制電路，其有兩個輸入端和一個輸出端，一個輸入端連接到了所述端口一，另一個輸入端連接到最后一個裁決延遲單元的輸出端；循環(huán)控制電路的輸出端連接到了第一個裁決延遲單元的時鐘端；循環(huán)控制電路的控制信號來自所述端口一輸入的邊沿信號；循環(huán)控制電路用于端口一輸入的邊沿信號和環(huán)狀延遲線內(nèi)部反饋信號之間的切換； 一計數(shù)器，其輸入端連接到第一個裁決延遲單兀的輸出端，用于產(chǎn)生并輸出端口一輸入的跳變沿信號在環(huán)狀延遲線中的循環(huán)次數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，細檢測電路包括: 一振蕩控制電路，其有三個輸入端，兩個輸出端，其中第一輸入端和第二輸入端連接到接口電路的輸出端，用于接收接口電路輸入的兩個上升沿信號；第三輸入端連接到相位檢測電路的輸出端；第一輸入端和第二輸入端接收的信號是邊沿信號或是脈沖信號，振蕩控制電路用于產(chǎn)生第一振蕩器和第二振蕩器的多種振蕩控制信號； 第一振蕩器，其有一個輸入端和一個輸出端，其輸入端連接到振蕩控制電路的第一輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第一輸入端；第一振蕩器的振蕩頻率通過改變第一振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第一振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號; 第二振蕩器，其有一個輸入端和一個輸出端，其輸入端連接到振蕩控制電路的第二輸出端，其輸出端連接到相位檢測電路的第二輸入端；第二振蕩器的振蕩頻率通過改變第二振蕩器內(nèi)部場效應管的柵氧電容而實現(xiàn)微調(diào)，第二振蕩器用于產(chǎn)生振蕩頻率可調(diào)的振蕩信號; 一相位檢測電路，其有兩個輸入端和一個輸出端，其中第一輸入端連接到第一振蕩器的輸出端，第二輸入端連接到了第二振蕩器的輸出端，其輸出端連接到振蕩控制電路的第三輸入端，相位檢測電路用于檢測第一振蕩器和第二振蕩器所產(chǎn)生信號之間的相位關(guān)系，相位一致時，相位檢測電路輸出電平信號，第一振蕩器和第二振蕩器均停止振蕩； 一計數(shù)器，用于記錄第二振蕩器的周期數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，粗檢測電路中的裁決延遲單元是裁決單元或是延遲單元。
5.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，端口三輸入為高電平時，粗檢測電路的測量量程較大，端口三輸入為低電平時，粗檢測電路的測量量程較小。
6.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，粗檢測電路的時間余量值等于接口電路輸出的開始信號和停止信號上升沿之間的時間間隔。
7.如權(quán)利要求1所述的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于，端口四輸入為高電平時，細檢測電路的測量精度值較大，端口四輸入為低電平時，細檢測電路的測量精度值較小。
【文檔編號】H03M1/50GK103516367SQ201210211299
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月20日
【發(fā)明者】王新剛, 楊海鋼 申請人:中國科學院電子學研究所