基于延迟线内插法的时间间隔测量电路

在时间同步系统中，时间间隔的测量至关重要。提高时间间隔测量的精度，可以让整个定位系统的定位更精确。延迟线内插法是近年来广泛研究和采用的一种时间间隔测量方法。同时内插法结合电子计数器可以扩大测量量程，从而同时达到高精度、大量程的测量需求。本文针对定位系统时间间隔测量的需求，采用全定制芯片实现方式，在0.18 um COMS工艺下，实现了128级延时单元的延时链，仿真单级延时67 ps，实际测试该芯片的测量精度在1 ns以内。

时间间隔测量技术在电子通信、核能科学、脉冲激光测距、电子测量设备、频率综合、医疗设备等研究领域都有着广泛的工业用途。在人员或物体定位系统，例如电力设备巡检实时定位系统中，有时间同步和测距模块，使得时间间隔的测量成为其中关键的部分，定位系统的精度关键取决于时间间隔测量的精度。因而为了达到好的系统性能，提高时间间隔测量的精度至关重要。

目前常用的时间间隔测量方法有如下分类：数字计数器法、模拟内插法、时间幅度转换法、游标卡尺法、“粗”计数和“细”时间测量组合的方法等。为了能同时满足高精度和大量程的需求，目前主流方案是所谓的“粗”计数和“细”时间测量组合[1]，这里“粗”计数即数字计数器法，采用格雷码计数器实现，“细”时间测量依靠内插技术。本文着重研究基于门延时的延迟线内插技术(又称为时间数字转换器TDC: time-to-digital converter)，通过对一种典型的延时链的片上实现，验证和分析时间间隔测量系统性能的影响因素。

2. 时间间隔测量原理 延迟线内插法实现时间间隔测量包含粗测和精测两部分。

待测时间T 定义为输入给start 和stop 通道的两个脉冲的上升沿之间的时间间隔。这个时间间隔通过TDC 模块来测量，包括脉冲计数器和延迟链， 见图1。

时间间隔测量系统有如下几个关键特征参数[2]：精度/分辨率/最低有效位，最小可测量间隔，测量范围，单脉冲精度，噪声，差分非线性，死时间与测量率，功耗，PVT 工艺拐角稳定性等。

延迟线内插技术能使得时间间隔测量系统在大的测量范围内，保证精确的分辨率和单脉冲精度。图2 前端检测, 时间分辨器start通道延时链脉冲计数器Time-to-Digital Converter（TDC）stop通道T物理事件数据输出 Figure 1. Scheme of time interval measurement with delay line interpolation 图1. 延迟线内插法测量时间的基本原理图