專利名稱：基于pci-e的高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設(shè)計是一種時間測量領(lǐng)域的電子設(shè)備，其主要實現(xiàn)的功能是對多個脈沖 到達(dá)時間進(jìn)行精確測量。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)的發(fā)展和測量技術(shù)的進(jìn)步，人類對物理世界的探索越來越深入， 在研究微觀世界時，某些物理事件發(fā)生的時間間隔很短暫，例如說某種粒子的 飛行時間，或者是某種光波的傳輸時間，對于這種極小的物理時間測量精度的 要求也越來越高，在這種需求下， 一種專門精確測量時間的儀器一時間-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生了。
時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter,下文簡稱TDC )在檢測 系統(tǒng)中的作用是記錄信號的到達(dá)時刻和數(shù)量。此外它還有發(fā)出電子引出脈沖和 離子引出脈沖的作用。
以下是國外目前時間測量相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)狀
1. 單芯片實現(xiàn)方案
單芯片的實現(xiàn)方案主要是由一塊專用集成芯片完成時間測量過程中的采 樣，存儲，計算，處理和傳輸?shù)炔僮?，國外相關(guān)產(chǎn)品有德國ACAM公司的 TDC-GP1 ， TDC-GP2等產(chǎn)品，
TDC-GP1的主要指標(biāo)最高測量精度125ps，測通道2個，每次測量打擊數(shù) 4個，最大測量范圍200ms
TDC-GP2的主要指標(biāo)最高測量精度50ps，測通道2個，每次測量打擊數(shù) 4個，最大測量范圍4ms
存在的不足l每次測量打擊數(shù)只有4個，無法實現(xiàn)持續(xù)打擊，2.測量范 圍只有200ms。
2. 多芯片實現(xiàn)方案
多芯片的實現(xiàn)方案主要是把時間測量過程中的采樣，存儲，計算，處理和 傳輸?shù)炔僮饔刹煌男酒瓿桑ǔ２捎玫姆椒ㄊ且园蹇ǖ男问綄⒏鞣N芯片集 成在一起，國外相關(guān)產(chǎn)品有美國0RTEC公司的9353，瑞士 Acqiris的TC840， TC890等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的性能如下9353:測量精度100ps，測量通道1個，持續(xù)打擊率10M/s，最大測量 范圍6. 7ms。
TC890:測量精度50ps，測量通道6個，持續(xù)打擊率25M/s，最大測量 范圍10. 48ms。
目前此類產(chǎn)品的最大瓶頸在于測量持續(xù)打擊率只有25M/s，當(dāng)外界的打擊 次數(shù)超過這個時，就會出現(xiàn)測量錯誤。
PCI Express是新一代的計算機(jī)總線接口，通常簡稱為PCIe或者PCI-E， PCI Express采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，比起PCI以及更早期的 計算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總 線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達(dá)到PCI所不能 提供的高帶寬。通過PCI-E接口， TDC的傳輸速度可以大大提升，從而提高其 測量速度。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明介紹了一種基于PCI-E的高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計與實現(xiàn)
方法，其主要特點(diǎn)在于采用多芯片方案，使用集成芯片構(gòu)成電路實現(xiàn)功能，
具有功能靈活強(qiáng)大的特點(diǎn)；基于串并轉(zhuǎn)換原理設(shè)計電路，采用FPGA
(Field-programmable gate array (現(xiàn)場可編程門陣列))進(jìn)行高速并行處 理；基于PCIE接口，可以高速傳輸采集數(shù)據(jù)，不僅保證了高精度，同時保證 了高速度。本發(fā)明的電路連接是輸入信號連接信號調(diào)理l，信號調(diào)理l連接 串并轉(zhuǎn)換模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理器件，數(shù)據(jù)處理器件連接PCI-E總 線，數(shù)據(jù)處理器件連接信號調(diào)理2，信號調(diào)理2輸出輸出信號，高速時鐘與串 并轉(zhuǎn)換模塊連接，為串并轉(zhuǎn)換模塊提供一個高速穩(wěn)定的時鐘。
本發(fā)明信號處理過程如下輸入信號(通常為微弱的電信號)經(jīng)過信號調(diào) 理電路1轉(zhuǎn)換為CML電平信號，然后輸入到串并轉(zhuǎn)換模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊將該 信號轉(zhuǎn)換為16路并行LVDS電平信號，送入數(shù)據(jù)處理器件進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理
器件將信號內(nèi)的脈沖到達(dá)時間和次數(shù)進(jìn)行計算，然后將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符 合PCI-E協(xié)議的數(shù)據(jù)包，經(jīng)PCI-E總線傳輸給計算機(jī)進(jìn)行分析，計算機(jī)上有相
應(yīng)的專用分析軟件，可以實現(xiàn)譜圖的顯示，保存和打印等功能。同時計算機(jī)可 以通過軟件設(shè)定輸出信號的頻率，脈寬，并且以寫寄存器的形式通過PCI-E總 線傳輸給數(shù)據(jù)處理器件，數(shù)據(jù)處理器件收到指令后，產(chǎn)生用戶所需要的時鐘或 觸發(fā)信號，經(jīng)過信號調(diào)理2調(diào)理后，產(chǎn)生輸出信號。本發(fā)明的有益效果在于
1. 測量精度高，最小分辨率可以達(dá)到100ps
2. 測量范圍大，單次測量最大范圍可以達(dá)到6s (在100ps分辨率時)
3. 持續(xù)打擊率可以達(dá)到100M/s
4. 突發(fā)打擊率可以達(dá)到5G/s
5. 可多通道同時工作
6. 功能靈活，可升級

圖1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖具體實施方式
TDC系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，輸入信號經(jīng)前端信號調(diào)理電路l、串 并轉(zhuǎn)換電路后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理器件處理通過PCI-E 8x總線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。 圖中各個方框的作用如下
信號調(diào)理1:把外界物理過程產(chǎn)生的微弱電信號轉(zhuǎn)換為串并轉(zhuǎn)換芯片可以 識別的邏輯電平信號；
信號調(diào)理2:把數(shù)據(jù)處理器件產(chǎn)生的LVTTL電平的時鐘、觸發(fā)等信號轉(zhuǎn)換 為外界所需電平信號；
串并轉(zhuǎn)換把一路高速串行信號轉(zhuǎn)換為多路低速并行信號，方便后面數(shù)據(jù) 處理器件接收和處理-，
高速時鐘為串并轉(zhuǎn)換模塊提供一個高速穩(wěn)定的時鐘；
數(shù)據(jù)處理器件將串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對到達(dá)脈沖進(jìn)行計時，計 數(shù)，并轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)據(jù)格式；控制板上外圍器件；實現(xiàn)PCI-E協(xié) 議的數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)通過PCI-E接口傳輸給計算機(jī)；
PCI-E 8x總線是TDC與計算機(jī)的物理接口；
電源為板上各個器件供電。
權(quán)利要求1、基于PCI-E的高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包括信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件，其特征在于輸入信號連接信號調(diào)理(1)，信號調(diào)理(1)連接串并轉(zhuǎn)換模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理器件，數(shù)據(jù)處理器件連接PCI-E總線，數(shù)據(jù)處理器件連接信號調(diào)理(2)，信號調(diào)理(2)輸出輸出信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PCI-E的高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在 于高速時鐘與串并轉(zhuǎn)換模塊連接。
專利摘要本實用新型涉及一種基于PCI-E的高速時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包括信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件，輸入信號連接信號調(diào)理1，信號調(diào)理1連接串并轉(zhuǎn)換模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理器件，數(shù)據(jù)處理器件連接PCI-E總線，數(shù)據(jù)處理器件連接信號調(diào)理2，信號調(diào)理2輸出輸出信號。采用多芯片方案，使用集成芯片構(gòu)成電路，具有功能靈活強(qiáng)大的特點(diǎn)；基于串并轉(zhuǎn)換原理設(shè)計電路；基于PCIE接口，可以高速傳輸采集數(shù)據(jù)，不僅保證了高精度，同時保證了高速度。
文檔編號G04F10/04GK201289593SQ20082005439
公開日2009年8月12日 申請日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者凱 劉, 佳 吳, 欣 徐, 楠 李 申請人:徐 欣;吳 佳;劉 凱;李 楠