本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，具體地，涉及一種時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時(shí)間測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converters,TDC)技術(shù)廣泛應(yīng)用于時(shí)頻測(cè)量、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)定位、激光測(cè)距、醫(yī)療、核物理和粒子物理探測(cè)等領(lǐng)域。TDC的時(shí)間分辨率很大程度上影響著這些領(lǐng)域的先進(jìn)程度。以醫(yī)用全身正電子發(fā)射成像技術(shù)(PET)系統(tǒng)為例，相比于傳統(tǒng)無(wú)TDC的PET，時(shí)間分辨率為600ps的基于飛行時(shí)間(Time of flight,TOF)技術(shù)的PET(簡(jiǎn)稱為T(mén)OF-PET)的圖像信噪比可提高2.1倍，時(shí)間分辨率為100ps的TOF-PET的圖像信噪比可提高5.2倍。

目前在TDC中廣泛使用粗時(shí)間測(cè)量與細(xì)時(shí)間測(cè)量相結(jié)合的方法。粗時(shí)間測(cè)量是利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果計(jì)算待測(cè)輸入信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間。通過(guò)上述粗時(shí)間測(cè)量方法測(cè)量獲得的高電平持續(xù)時(shí)間與實(shí)際的高電平持續(xù)時(shí)間之間存在誤差，誤差值與待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿(本文主要以上升沿為例進(jìn)行說(shuō)明)和計(jì)數(shù)時(shí)鐘的邊沿之間的時(shí)間差相關(guān)。所述時(shí)間差可以通過(guò)細(xì)時(shí)間測(cè)量方法來(lái)測(cè)量。

目前最常用的細(xì)時(shí)間測(cè)量方法是基于FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)內(nèi)部加法進(jìn)位鏈的時(shí)間內(nèi)插法。時(shí)間內(nèi)插法的原理為利用加法進(jìn)位鏈對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行多次延時(shí)，利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)所有延時(shí)信號(hào)進(jìn)行鎖存，并根據(jù)鎖存得到的“1111…1110000…00”序列中1-0交界的位置計(jì)算待測(cè)輸入信號(hào)的上升沿與計(jì)數(shù)時(shí)鐘的上升沿之間的時(shí)間差。為了正確確定1-0交界的位置，需要保持延時(shí)信號(hào)的相位有序。例如，加法進(jìn)位鏈中第n個(gè)加法器輸出的延時(shí)信號(hào)的上升沿應(yīng)當(dāng)比第n-1個(gè)加法器輸出的延時(shí)信號(hào)的上升沿滯后一段時(shí)間。鎖存單元所接收到的各延時(shí)信號(hào)需要保持上述有序的相位關(guān)系，這可能需要依靠額外的硬件資源來(lái)控制。如果延時(shí)信號(hào)的相位關(guān)系被打亂，則時(shí)間測(cè)量的精度會(huì)受到影響。此外，由于FPGA內(nèi)部存在一些BIN寬較大(100ps左右)的加法進(jìn)位鏈，因此限制了時(shí)間內(nèi)插法的時(shí)間分辨率。目前大多采用定制波(Wave Union)的方法來(lái)消除這些較大BIN寬的影響，但消耗的FPGA內(nèi)部資源較多，且由于寄存器亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象而產(chǎn)生的“氣泡”現(xiàn)象難以解決。

因此，需要提供一種改進(jìn)的時(shí)間測(cè)量技術(shù)，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括：無(wú)序信號(hào)生成單元，用于生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)；采樣單元，與無(wú)序信號(hào)生成單元連接，用于接收多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)和待測(cè)輸入信號(hào)，利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)際采樣結(jié)果；解碼單元，與采樣單元連接，用于接收實(shí)際采樣結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際采樣結(jié)果和與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的選定時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果；以及粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元，與無(wú)序信號(hào)生成單元連接，用于接收選定時(shí)鐘信號(hào)和待測(cè)輸入信號(hào)，并以選定時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘來(lái)對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的粗時(shí)間結(jié)果。

示例性地，采樣單元還用于接收校準(zhǔn)信號(hào)，利用校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)采樣結(jié)果；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還包括：定序單元，與采樣單元和解碼單元連接，用于接收校準(zhǔn)采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，并將與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息輸出到解碼單元。

示例性地，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還包括：時(shí)鐘管理單元，用于生成校準(zhǔn)信號(hào)。

示例性地，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還包括：選擇器，與時(shí)鐘管理單元和采樣單元連接，用于接收待測(cè)輸入信號(hào)和時(shí)鐘管理單元輸出的校準(zhǔn)信號(hào)，并選擇將待測(cè)輸入信號(hào)和校準(zhǔn)信號(hào)之一輸入到采樣單元。

示例性地，無(wú)序信號(hào)生成單元包括：時(shí)鐘管理單元，用于利用鎖相環(huán)生成至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)；以及延時(shí)單元，與時(shí)鐘管理單元連接，用于對(duì)至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，以將至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

示例性地，延時(shí)單元包括以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：至少一個(gè)加法器集合、多個(gè)邏輯門(mén)電路和多條延時(shí)線。

示例性地，至少一個(gè)加法器集合用于一一對(duì)應(yīng)地接收至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)，其中，每個(gè)加法器集合用于組成一個(gè)加法進(jìn)位鏈，將所接收的初始時(shí)鐘信號(hào)作為對(duì)應(yīng)的加法進(jìn)位鏈的最低位輸入信號(hào)，并從對(duì)應(yīng)的加法進(jìn)位鏈所輸出的輸出信號(hào)中選擇預(yù)定數(shù)目的輸出信號(hào)作為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的至少一部分輸出至采樣單元。

示例性地，延時(shí)單元還包括：特定數(shù)目的查找表單元，與至少一個(gè)加法器集合中的特定數(shù)目的加法器集合一一對(duì)應(yīng)地連接；其中，至少一個(gè)加法器集合經(jīng)由特定數(shù)目的查找表單元將多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的特定數(shù)目的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)輸出至采樣單元，并將剩余的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)直接輸出至采樣單元。

示例性地，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的每個(gè)邏輯門(mén)電路用于接收至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)之一，并對(duì)所接收的初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，其中，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的至少部分邏輯門(mén)電路的延時(shí)時(shí)間彼此不同，其中，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的預(yù)定數(shù)目的邏輯門(mén)電路與采樣單元連接，預(yù)定數(shù)目的邏輯門(mén)電路用于將預(yù)定數(shù)目的延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)作為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)輸出至采樣單元。

示例性地，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目大于1，多條延時(shí)線用于一一對(duì)應(yīng)地將至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘管理單元傳輸?shù)讲蓸訂卧?，其中，多條延時(shí)線中的至少部分延時(shí)線的延時(shí)時(shí)間彼此不同。

示例性地，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目大于1，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的周期相同，并且至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的相位均勻分布在0至180°的范圍內(nèi)。

示例性地，無(wú)序信號(hào)生成單元包括：時(shí)鐘管理單元，用于利用鎖相環(huán)生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

示例性地，采樣單元包括：多個(gè)寄存器，用于一一對(duì)應(yīng)地接收多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)以待測(cè)輸入信號(hào)作為鎖存使能信號(hào)鎖存多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。

示例性地，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還包括：輸出單元，與解碼單元和粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元連接，用于輸出粗時(shí)間結(jié)果和細(xì)時(shí)間結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種時(shí)間測(cè)量方法，包括：生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)；利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，以獲得實(shí)際采樣結(jié)果；根據(jù)實(shí)際采樣結(jié)果和與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息確定待測(cè)輸入信號(hào)的第一特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的選定時(shí)鐘信號(hào)的第一特定邊沿之間的時(shí)間差，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果；以及以選定時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘來(lái)對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的粗時(shí)間結(jié)果。

示例性地，在根據(jù)實(shí)際采樣結(jié)果和與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息確定待測(cè)輸入信號(hào)的第一特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的選定時(shí)鐘信號(hào)的第一特定邊沿之間的時(shí)間差之前，時(shí)間測(cè)量方法還包括：利用校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，以獲得校準(zhǔn)采樣結(jié)果；以及根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，以獲得與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息。

示例性地，校準(zhǔn)信號(hào)包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的第二特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在第二特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的每種取值的出現(xiàn)比例，以確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間確定基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)序；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例；以及至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。

示例性地，對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的任一待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔，則根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且所包含的基準(zhǔn)信號(hào)的取值與在第二特定邊沿后出現(xiàn)的電平一致的兩種組合取值中的任一種在參考周期中所占時(shí)間小于或等于預(yù)定時(shí)間間隔，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第一輔助信號(hào)，根據(jù)第一輔助信號(hào)、待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況，并根據(jù)待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況、第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第一輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值、每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔并且第一采樣結(jié)果中第一輔助信號(hào)在周期起始位置處的取值與在第二特定邊沿前出現(xiàn)的電平一致；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括三種不同的組合取值，其中，在三種不同的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值僅出現(xiàn)一次，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第二輔助信號(hào)，并根據(jù)第二采樣結(jié)果中第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第二輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且在第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值出現(xiàn)兩次。

示例性地，校準(zhǔn)信號(hào)包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；重復(fù)執(zhí)行以下定序操作直至確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序?yàn)橹梗焊鶕?jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的第二特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在第二特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、滿足預(yù)設(shè)條件的待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間，并根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，預(yù)設(shè)條件包括待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)設(shè)時(shí)間段，預(yù)設(shè)時(shí)間段與預(yù)定時(shí)間間隔相關(guān)；選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的已定序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為新的基準(zhǔn)信號(hào)；以及基于統(tǒng)一的周期起始位置對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行校正。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時(shí)間測(cè)量方法，由于利用無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間測(cè)量，因此可以避免較大BIN寬的存在，使得時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠具有很高的時(shí)間分辨率。此外，上述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器所需要的硬件資源少，生產(chǎn)成本低。

在發(fā)明內(nèi)容中引入了一系列簡(jiǎn)化的概念，這些概念將在具體實(shí)施方式部分中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。

以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施方式及其描述，用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意性框圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意性框圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的示意性框圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的延時(shí)單元與采樣單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的示例性時(shí)序圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、采用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的采樣結(jié)果的示意圖；

圖7示出兩種在周期起始位置處取值不同的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為普通均勻分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為特殊分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖；

圖10a和10b分別示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的兩種特殊分布的示意圖；

圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為集中分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖；

圖12示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的針對(duì)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試所獲得的高斯分布結(jié)果；以及

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間測(cè)量方法的示意性流程圖。

具體實(shí)施方式

在下文的描述中，提供了大量的細(xì)節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明可以無(wú)需一個(gè)或多個(gè)這樣的細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時(shí)間測(cè)量方法，其通過(guò)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)測(cè)量待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間信息。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時(shí)間測(cè)量方法中，無(wú)需保證時(shí)鐘信號(hào)的相位有序，可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)更精細(xì)的時(shí)間測(cè)量。

本文所述的待測(cè)輸入信號(hào)可以是任何需要測(cè)量其時(shí)間信息的電信號(hào)。例如，待測(cè)輸入信號(hào)可以是PET系統(tǒng)的讀出電路所輸出的電信號(hào)。當(dāng)PET系統(tǒng)的前端光子檢測(cè)器檢測(cè)到伽瑪光子時(shí)，可以輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)通常稱為HIT。待測(cè)輸入信號(hào)可以是所述脈沖信號(hào)。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的示意性框圖。如圖1所示，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100包括無(wú)序信號(hào)生成單元110、采樣單元120、解碼單元130和粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元140。

無(wú)序信號(hào)生成單元110用于生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。無(wú)序信號(hào)生成單元110生成的多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期相同，但是相位和占空比不完全相同。該多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是無(wú)序的，它們的上升沿或下降沿(或說(shuō)高電平區(qū)域或低電平區(qū)域)并未有序地、規(guī)律性地分布，而是分散地、無(wú)規(guī)律性地分布在整個(gè)時(shí)鐘周期(即無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期)中。

采樣單元120與無(wú)序信號(hào)生成單元110連接，用于接收多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)和待測(cè)輸入信號(hào)，利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)際采樣結(jié)果。

示例性地，可以利用待測(cè)輸入信號(hào)作為鎖存使能信號(hào)來(lái)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行鎖存。當(dāng)待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿(例如上升沿)到達(dá)時(shí)，多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)被鎖存。在已獲知多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的情況下，根據(jù)利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的采樣結(jié)果可以計(jì)算出待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差，即可以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間信息。

解碼單元130與采樣單元120連接，用于接收實(shí)際采樣結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際采樣結(jié)果和與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的選定時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果。

示例性地，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100還可以包括單獨(dú)的存儲(chǔ)單元，與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息可以存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)單元中。示例性地，解碼單元130內(nèi)部可以包括存儲(chǔ)單元，與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息可以存儲(chǔ)在解碼單元130的存儲(chǔ)單元中。示例性地，與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息還可以存儲(chǔ)在如下文所述的定序單元中。定序單元確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序之后，可以建立定序查找表，并將與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息存儲(chǔ)在定序查找表中。

所述選定時(shí)鐘信號(hào)可以是多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的任一時(shí)鐘信號(hào)，其可以任意選擇，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限制?？梢詮亩鄠€(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中任意選擇一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為粗時(shí)間計(jì)數(shù)所用的時(shí)鐘信號(hào)，解碼單元130可以僅確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與所選擇的時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差。當(dāng)然，解碼單元130也可以確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與所有無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差。上述特定邊沿可以是上升沿或下降沿，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限制。

粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元140與無(wú)序信號(hào)生成單元110連接，用于接收選定時(shí)鐘信號(hào)和待測(cè)輸入信號(hào)，并以選定時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘來(lái)對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的粗時(shí)間結(jié)果。

粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元140的工作方式與常規(guī)技術(shù)中的粗時(shí)間計(jì)數(shù)方式一致。示例性地，粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元140可以采用直接計(jì)數(shù)法對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

由上文所述可知，粗時(shí)間結(jié)果是利用諸如直接計(jì)數(shù)法所計(jì)算獲得的待測(cè)輸入信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間的初步測(cè)量結(jié)果。該初步測(cè)量結(jié)果與待測(cè)輸入信號(hào)的實(shí)際的高電平持續(xù)時(shí)間之間存在一定誤差。細(xì)時(shí)間測(cè)量主要是為了測(cè)量上述誤差多大。因此，待測(cè)輸入信號(hào)的時(shí)間信息可以包括粗時(shí)間結(jié)果和細(xì)時(shí)間結(jié)果兩方面。所獲得的粗時(shí)間結(jié)果和細(xì)時(shí)間結(jié)果可以傳輸?shù)綍r(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的處理單元中進(jìn)行進(jìn)一步處理，也可以輸出到外部設(shè)備以由外部設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步處理。

在現(xiàn)有技術(shù)中，粗時(shí)間測(cè)量是利用計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，細(xì)時(shí)間測(cè)量是利用同樣的計(jì)數(shù)時(shí)鐘對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)的多個(gè)延時(shí)信號(hào)進(jìn)行鎖存，來(lái)確定待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿與該計(jì)數(shù)時(shí)鐘的邊沿(例如待測(cè)輸入信號(hào)的上升沿與該計(jì)數(shù)時(shí)鐘的上升沿)之間的時(shí)間差。而根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，細(xì)時(shí)間測(cè)量是利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，以確定待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿與選定時(shí)鐘信號(hào)的邊沿(例如待測(cè)輸入信號(hào)的上升沿與選定時(shí)鐘信號(hào)的上升沿)之間的時(shí)間差。粗時(shí)間測(cè)量是利用選定時(shí)鐘信號(hào)對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)?？梢?jiàn)，上述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100的時(shí)間測(cè)量方式與現(xiàn)有技術(shù)中的時(shí)間測(cè)量方式是不同的，尤其細(xì)時(shí)間測(cè)量的區(qū)別很大。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，由于用來(lái)進(jìn)行待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間測(cè)量的時(shí)鐘信號(hào)是無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，其上升沿或下降沿(或說(shuō)高電平區(qū)域或低電平區(qū)域)可以任意地、分散地分布在整個(gè)時(shí)鐘周期中，因此可以避免較大BIN寬的存在，使得時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠具有很高的時(shí)間分辨率。此外，電路的布局布線、器件的響應(yīng)速度等都會(huì)對(duì)信號(hào)的延時(shí)產(chǎn)生影響，因此保持信號(hào)無(wú)序比保持信號(hào)有序更容易實(shí)現(xiàn)。由于無(wú)需保持時(shí)鐘信號(hào)的相位有序，因此上述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器所需要的硬件資源少，生產(chǎn)成本低。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還可以包括輸出單元。圖2示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器200的示意性框圖。應(yīng)理解，圖2所示的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器200僅是示例而非限制，本發(fā)明并不局限于圖2所示的電路結(jié)構(gòu)。

圖2所示的無(wú)序信號(hào)生成單元210、采樣單元220、解碼單元230和粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元240與圖1所示的無(wú)序信號(hào)生成單元110、采樣單元120、解碼單元130和粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元140的結(jié)構(gòu)和工作原理一致，不再贅述。如圖2所示，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器200還可以包括輸出單元250。

輸出單元250與解碼單元230和粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元240連接，用于輸出粗時(shí)間結(jié)果和細(xì)時(shí)間結(jié)果。

示例性地，輸出單元250可以包括先入先出(First Input First Output,FIFO)單元和通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)單元。

輸出單元250可以將粗時(shí)間結(jié)果和細(xì)時(shí)間結(jié)果一起輸出到外部設(shè)備，例如移動(dòng)終端、個(gè)人計(jì)算機(jī)或服務(wù)器等，以方便外部設(shè)備對(duì)接收到的時(shí)間信息進(jìn)行進(jìn)一步處理。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還可以包括定序單元。繼續(xù)參考圖2，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器200還可以包括定序單元260。

采樣單元120還可以用于接收校準(zhǔn)信號(hào)，利用校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)采樣結(jié)果。定序單元260與采樣單元220和解碼單元230連接，用于接收校準(zhǔn)采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，并將與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息輸出到解碼單元230。

為了測(cè)量待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間信息，需要知道多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。在一個(gè)示例中，可以在時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器200第一次工作時(shí)，使用定序單元260確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序(可以稱為定序)。之后每次測(cè)量待測(cè)輸入信號(hào)的時(shí)間信息時(shí)，可以使用存儲(chǔ)好的與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息。在另一個(gè)示例中，可以在每次測(cè)量待測(cè)輸入信號(hào)的時(shí)間信息之前，均使用定序單元260確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。

使用定序單元260確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的過(guò)程可以視為校準(zhǔn)過(guò)程。在校準(zhǔn)過(guò)程中，采樣單元220利用校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。定序單元260接收采樣單元220的采樣結(jié)果并根據(jù)該采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，采樣單元220利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。解碼單元230接收采樣單元220的采樣結(jié)果，并根據(jù)該采樣結(jié)果與已確定的多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序來(lái)確定待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿的位置，并由此可以確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與任一無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差。

“定序”就是確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的高電平區(qū)域和低電平區(qū)域在一個(gè)時(shí)鐘周期中的準(zhǔn)確位置，或者確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿在一個(gè)時(shí)鐘周期中的準(zhǔn)確位置。

定序單元260可以建立定序查找表(Look-Up-Table,LUT)以便在解碼過(guò)程中使用。下面的表1示例性地示出定序查找表的一種形式。如表1所示，定序查找表可以記錄n個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的高電平范圍和低電平范圍。當(dāng)然，n個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的高電平范圍和低電平范圍是以某一預(yù)設(shè)時(shí)刻為時(shí)間軸起點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算的。該預(yù)設(shè)時(shí)刻可以是n個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的某一時(shí)鐘信號(hào)的高電平起始時(shí)刻。

表1.定序查找表結(jié)構(gòu)

在建立定序查找表的情況下，“解碼”就是根據(jù)定序過(guò)程產(chǎn)生的定序查找表得出待測(cè)輸入信號(hào)的上升沿和/或下降沿在一個(gè)時(shí)鐘周期中的準(zhǔn)確位置。例如，假設(shè)實(shí)際采樣結(jié)果為“10100011……11000”(n位)，從最低位開(kāi)始解碼，第1位信號(hào)值為‘0’，假設(shè)根據(jù)定序查找表得到的時(shí)間范圍為I₁＝(200,500)，同理可以得到第2位、第3位到第n位信號(hào)值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍，分別用I₂、I₃、……I_n-1、I_n表示，則待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿(上升沿或下降沿)在時(shí)鐘周期中的位置即為對(duì)上述各個(gè)時(shí)間范圍進(jìn)行交集運(yùn)算所獲得的結(jié)果：I＝I₁∩I₂∩I₃……∩I_n-1∩I_n。可選地，可以取I的中點(diǎn)值作為該待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿(上升沿或下降沿)所在位置的最終結(jié)果。

可以理解，如果用于粗時(shí)間測(cè)量的選定時(shí)鐘信號(hào)是其高電平起始時(shí)刻作為定序查找表的時(shí)間軸起點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)，則通過(guò)上述方式計(jì)算獲得的待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿(上升沿或下降沿)在時(shí)鐘周期中的位置即為待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果。如果用于粗時(shí)間測(cè)量的選定時(shí)鐘信號(hào)不是其高電平起始時(shí)刻作為定序查找表的時(shí)間軸起點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)，則根據(jù)定序查找表可以確定選定時(shí)鐘信號(hào)的邊沿在時(shí)鐘周期中的位置，結(jié)合計(jì)算獲得的待測(cè)輸入信號(hào)的邊沿在時(shí)鐘周期中的位置同樣可以確定待測(cè)輸入信號(hào)的特定邊沿與選定時(shí)鐘信號(hào)的特定邊沿之間的時(shí)間差，即可獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，無(wú)序信號(hào)生成單元110(或210)可以包括時(shí)鐘管理單元和延時(shí)單元。圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器300的示意性框圖。圖3所示的采樣單元320、解碼單元330、粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元340、輸出單元350和定序單元360與圖2所示的采樣單元220、解碼單元230、粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元240、輸出單元250和定序單元260的結(jié)構(gòu)和工作原理一致，不再贅述。圖3所示的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器300的無(wú)序信號(hào)生成單元包括時(shí)鐘管理單元312和延時(shí)單元314。

時(shí)鐘管理單元312用于利用鎖相環(huán)生成至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)。延時(shí)單元314與時(shí)鐘管理單元312連接，用于對(duì)至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，以將至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

時(shí)鐘管理單元312可以利用FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘管理模塊(Digit Clock Manager,DCM)實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘管理單元312內(nèi)部包括鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)，鎖相環(huán)可以根據(jù)需要產(chǎn)生具有各種周期(或說(shuō)頻率)和相位的時(shí)鐘信號(hào)。

延時(shí)單元314可以是各種合適的能夠?qū)r(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)的裝置。示例性而非限制性地，延時(shí)單元314可以通過(guò)緩沖器延時(shí)、邏輯門(mén)延時(shí)或線路延時(shí)等方式使初始時(shí)鐘信號(hào)在延時(shí)單元314內(nèi)部發(fā)生延時(shí)。延時(shí)單元314還可以包括加法器，通過(guò)加法器組成的加法進(jìn)位鏈對(duì)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)。

延時(shí)單元314在對(duì)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)時(shí)，可以對(duì)不同的初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行不同量的延時(shí)，以盡量使延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿(或說(shuō)高電平區(qū)域或低電平區(qū)域)分散地分布在整個(gè)時(shí)鐘周期中。延時(shí)單元314所輸出的時(shí)鐘信號(hào)的相位無(wú)需保證一定的順序，因此對(duì)于延時(shí)單元314的硬件及軟件設(shè)計(jì)要求都比較低。

每個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)可以延時(shí)產(chǎn)生任意數(shù)目的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限制。

利用延時(shí)單元314可以比較方便地生成所需的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，延時(shí)單元314可以包括以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：至少一個(gè)加法器集合、多個(gè)邏輯門(mén)電路和多條延時(shí)線。示例性而非限制性地，可以采用加法器、邏輯門(mén)或延時(shí)線等對(duì)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，至少一個(gè)加法器集合用于一一對(duì)應(yīng)地接收至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)，其中，每個(gè)加法器集合用于組成一個(gè)加法進(jìn)位鏈，將所接收的初始時(shí)鐘信號(hào)作為對(duì)應(yīng)的加法進(jìn)位鏈的最低位輸入信號(hào)，并從對(duì)應(yīng)的加法進(jìn)位鏈所輸出的輸出信號(hào)中選擇預(yù)定數(shù)目的輸出信號(hào)作為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的至少一部分輸出至采樣單元。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的延時(shí)單元與采樣單元的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖4所示的示例中，時(shí)鐘管理單元312所生成的初始時(shí)鐘信號(hào)為4路，即clk1、clk2、clk3、clk4。延時(shí)單元314所輸出的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)為96路。如圖4所示，延時(shí)單元314包括4個(gè)加法器集合。每個(gè)加法器集合包括40個(gè)加法器，組成一個(gè)40位的加法進(jìn)位鏈。采樣單元320包括96個(gè)寄存器。圖4所示的延時(shí)單元和采樣單元的結(jié)構(gòu)僅是示例而非限制。例如，延時(shí)單元314中的加法器集合的數(shù)目、每個(gè)加法器集合中的加法器的數(shù)目、輸出至采樣單元320的時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目及采樣單元320中的相應(yīng)的寄存器的數(shù)目均是可以任意設(shè)定的，并不局限于圖4所示的示例。

延時(shí)單元314與采樣單元320可以實(shí)現(xiàn)一種新的時(shí)間內(nèi)插方式。如圖4所示，延時(shí)單元314可以產(chǎn)生96路無(wú)序同周期的方波信號(hào)，其可將粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元340中用來(lái)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期分成96*2份。在采樣單元320中由待測(cè)輸入信號(hào)或校準(zhǔn)信號(hào)使能96個(gè)寄存器來(lái)對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行鎖存。

如圖4所示，clk1、clk2、clk3和clk4為PLL產(chǎn)生的四個(gè)頻率為1GHz，相位分別是0°、45°、90°和135°的初始時(shí)鐘信號(hào)，它們分別輸入四個(gè)40位的加法進(jìn)位鏈中作為最低位加法器的一個(gè)輸入。下面以clk1為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)clk1為低電平0時(shí)，對(duì)應(yīng)的加法進(jìn)位鏈的輸出Sum0～Sum39都為1；當(dāng)clk1跳變?yōu)楦唠娖?時(shí)，輸出Sum0～Sum39將依次變?yōu)?。因此，Sum0～Sum39都是頻率為1GHz的方波信號(hào)?？梢詮腟um0～Sum39中選取24路信號(hào)引入到采樣單元320中，通過(guò)采樣單元320中的寄存器進(jìn)行鎖存(即采樣)。在校準(zhǔn)階段，鎖存使能信號(hào)signal為校準(zhǔn)信號(hào)。在實(shí)際測(cè)量階段，鎖存使能信號(hào)signal為待測(cè)輸入信號(hào)。對(duì)clk2、clk3、clk4執(zhí)行相同操作，即可得到96位同周期、不同相位的時(shí)鐘信號(hào)及其采樣結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，延時(shí)單元314還可以包括：特定數(shù)目的查找表單元，與至少一個(gè)加法器集合中的特定數(shù)目的加法器集合一一對(duì)應(yīng)地連接；其中，至少一個(gè)加法器集合經(jīng)由特定數(shù)目的查找表單元將多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的特定數(shù)目的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)輸出至采樣單元320，并將剩余的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)直接輸出至采樣單元320。

在FPGA中搭建時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以采用Quartus Prime編譯器進(jìn)行自動(dòng)布局布線。布局布線會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)的傳輸路線存在差異。在將加法器集合輸出的時(shí)鐘信號(hào)輸入到采樣單元320的各寄存器的過(guò)程中，可以使某些時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)由查找表(LUT)單元輸入寄存器。LUT單元可以進(jìn)一步導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生延時(shí)。經(jīng)過(guò)不同的路徑和不同的LUT單元，時(shí)鐘信號(hào)的延時(shí)情況也不同。在加法進(jìn)位鏈輸出端到寄存器的輸入端之間，有些時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)了LUT單元的緩沖，有些則直接連入寄存器中。LUT單元帶來(lái)的延時(shí)，加上路徑延時(shí)的不同，可以拉大各路時(shí)鐘信號(hào)之間的相位差異。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的每個(gè)邏輯門(mén)電路用于接收至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)之一，并對(duì)所接收的初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，其中，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的至少部分邏輯門(mén)電路的延時(shí)時(shí)間彼此不同，其中，多個(gè)邏輯門(mén)電路中的預(yù)定數(shù)目的邏輯門(mén)電路與采樣單元320連接，預(yù)定數(shù)目的邏輯門(mén)電路用于將預(yù)定數(shù)目的延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)作為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)輸出至采樣單元。

可以使用邏輯門(mén)電路取代上述至少一個(gè)加法器集合中的加法器。邏輯門(mén)電路具有延時(shí)功能，作用與加法器類似。示例性地，時(shí)鐘管理單元312可以生成具有不同相位的多個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)，并將其分別輸入到不同邏輯門(mén)電路。示例性地，時(shí)鐘管理單元312也可以生成一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)，并將其輸入到不同邏輯門(mén)電路。示例性地，與采樣單元320連接的預(yù)定數(shù)目的邏輯門(mén)電路可以是多個(gè)邏輯門(mén)電路中的一部分或者全部。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目大于1，多條延時(shí)線用于一一對(duì)應(yīng)地將至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘管理單元312傳輸?shù)讲蓸訂卧?20，其中，多條延時(shí)線中的至少部分延時(shí)線的延時(shí)時(shí)間彼此不同。

可以單純地采用延時(shí)時(shí)間不同的多條延時(shí)線對(duì)初始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，以獲得多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。例如，至少部分延時(shí)線的長(zhǎng)度可以彼此不同，以使得其延時(shí)時(shí)間彼此不同。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目大于1，至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的周期相同，并且至少一個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的相位均勻分布在0至180°的范圍內(nèi)。

參考圖4，初始時(shí)鐘信號(hào)共有4路，即clk1、clk2、clk3、clk4。clk1、clk2、clk3和clk4的相位分別是0°、45°、90°和135°，這四個(gè)初始時(shí)鐘信號(hào)的相位均勻地分布在0至180°的范圍內(nèi)。示例性而非限制地，可以使按順序排列的兩個(gè)相鄰初始時(shí)鐘信號(hào)的相位間隔等于或大致等于180°/n，n為初始時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)目，這樣可以使初始時(shí)鐘信號(hào)的相位盡量均勻地分布。通過(guò)引入存在相位差的多路初始時(shí)鐘信號(hào)，可以保證最終獲得的多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的邊沿在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)分布得較為分散和均勻，不會(huì)出現(xiàn)BIN寬很大的情況。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，無(wú)序信號(hào)生成單元110(或210)可以包括時(shí)鐘管理單元，用于利用鎖相環(huán)生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

示例性地，可以利用FPGA中的PLL直接生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。PLL可以根據(jù)需要生成各種周期、相位的時(shí)鐘信號(hào)，因此可以利用PLL直接生成周期相同、相位不同的多個(gè)信號(hào)作為所需的無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

可以理解，上述生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的方式僅是示例而非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀本文可以想到其他采用合適的硬件和/或軟件來(lái)生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的方式，其均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100(200、300)還可以包括：時(shí)鐘管理單元，用于生成校準(zhǔn)信號(hào)。

示例性地，校準(zhǔn)信號(hào)可以包括采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期存在一定關(guān)系的采樣信號(hào)及采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期完全無(wú)關(guān)的采樣信號(hào)。也就是說(shuō)，校準(zhǔn)信號(hào)也可以是具有一定周期的時(shí)鐘信號(hào)，因此可以采用時(shí)鐘管理單元生成。用于生成校準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)鐘管理單元可以與上述用于生成初始時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘管理單元312是同一單元。

示例性地，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器還包括選擇器。返回參考圖3，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器300還可以包括選擇器370。選擇器370與時(shí)鐘管理單元312和采樣單元320連接，用于接收待測(cè)輸入信號(hào)和時(shí)鐘管理單元312輸出的校準(zhǔn)信號(hào)，并選擇將待測(cè)輸入信號(hào)和校準(zhǔn)信號(hào)之一輸入到采樣單元320。選擇器370由控制信號(hào)來(lái)控制將哪個(gè)信號(hào)輸入到采樣單元320進(jìn)行采樣。雖然圖3中示出粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元340與選擇器370連接，待測(cè)輸入信號(hào)經(jīng)由選擇器370輸入粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元340，但是可以理解的是，待測(cè)輸入信號(hào)也可以直接輸入粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元340。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，采樣單元120(220、320)可以包括多個(gè)寄存器，多個(gè)寄存器用于一一對(duì)應(yīng)地接收多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)以待測(cè)輸入信號(hào)作為鎖存使能信號(hào)鎖存多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。

上文已經(jīng)參考圖4描述了采樣單元中的寄存器的結(jié)構(gòu)及工作原理，在此不再贅述。應(yīng)注意，在實(shí)際測(cè)量待測(cè)輸入信號(hào)的時(shí)間信息時(shí)，以待測(cè)輸入信號(hào)作為鎖存使能信號(hào)鎖存多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，而在校準(zhǔn)過(guò)程中，需要以校準(zhǔn)信號(hào)作為鎖存使能信號(hào)鎖存多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

下面結(jié)合圖5至圖11描述上述定序單元260(或360)的定序過(guò)程。在下面關(guān)于定序過(guò)程的描述中，沿用圖4所示的96路無(wú)序時(shí)鐘信號(hào)的示例。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的示例性時(shí)序圖。在圖5中，線段510和520分別表示一個(gè)時(shí)鐘周期T的起始位置和結(jié)束位置，線段530表示某一次的采樣位置。圖5示出的是96路無(wú)序時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序圖。當(dāng)利用校準(zhǔn)信號(hào)或待測(cè)輸入信號(hào)采樣時(shí)，在線段530所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻可以獲得一次采樣結(jié)果，如圖5所示。

下面描述定序單元260的定序過(guò)程的兩個(gè)示例。

第一示例

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，校準(zhǔn)信號(hào)可以包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果可以包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，定序單元260(或360)可以通過(guò)以下方式確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的每種取值的出現(xiàn)比例，以確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間確定基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)序；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例；以及對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。

為了實(shí)現(xiàn)定序，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器100(200、300)可以實(shí)施以下幾個(gè)步驟：選擇基準(zhǔn)信號(hào)、采用第一采樣信號(hào)進(jìn)行采樣、采用第二采樣信號(hào)進(jìn)行采樣、逐個(gè)信號(hào)進(jìn)行定序。具體描述如下：

(1)、選擇基準(zhǔn)信號(hào)

示例性而非限制性地，當(dāng)采用加法器實(shí)現(xiàn)延時(shí)單元314時(shí)，定序單元260(或360)可以從多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇與加法進(jìn)位鏈中的最低位輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。選定基準(zhǔn)信號(hào)之后，可以以基準(zhǔn)信號(hào)的高電平起始位置作為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)完整時(shí)鐘周期的起始位置，即t＝0的位置。基準(zhǔn)信號(hào)的高電平起始位置可以根據(jù)第一采樣結(jié)果確定，其將在下文中描述。為了方便后續(xù)的定序步驟，基準(zhǔn)信號(hào)最好選取占空比接近50％的時(shí)鐘信號(hào)。

(2)、采用第一采樣信號(hào)進(jìn)行采樣

在一個(gè)示例中，可以采用49M時(shí)鐘對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。49M時(shí)鐘是頻率為49MHz的時(shí)鐘，其時(shí)鐘周期為10⁶/49ps?？梢詫?duì)49M時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在每經(jīng)過(guò)490027個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)采樣一次。兩次采樣之間的時(shí)間間隔(即采樣周期)是固定值，大小為490027×10⁶/49ps。

沿用上述示例，假設(shè)無(wú)序信號(hào)生成單元110(或210)采用1GHz的時(shí)鐘來(lái)生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，則多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期為1000ps。第一采樣信號(hào)的采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期之間存在以下關(guān)系：

參考式(1)可知，采用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，采樣周期10⁶×490027/49ps是無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期1000ps的10000551倍與20.4ps之和，20.4ps即為本文所述的預(yù)定時(shí)間間隔。因此，假設(shè)第1次采樣位于時(shí)鐘信號(hào)X的第1個(gè)周期的第10ps處，則第2次采樣將位于時(shí)鐘信號(hào)X的第10000552個(gè)周期的第30.4ps處，第三次采樣將位于時(shí)鐘信號(hào)X的第2001103個(gè)周期的第50.8ps處，依此類推。應(yīng)當(dāng)理解，每49次連續(xù)的采樣結(jié)果可以代表在同一個(gè)完整的1000ps周期內(nèi)進(jìn)行采樣所獲得的采樣結(jié)果，因此兩次采樣的時(shí)間間隔可以視為20.4ps。在校準(zhǔn)過(guò)程中，可以進(jìn)行大量(例如次數(shù)在1000次以上)采樣，根據(jù)采樣結(jié)果估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)在某一周期內(nèi)的高電平起始位置。將該高電平起始位置后面的最近采樣位置近似為周期起始位置，并選擇從該周期起始位置開(kāi)始計(jì)算的49次采樣結(jié)果作為利用第一采樣信號(hào)在無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行采樣所獲得的采樣結(jié)果。此外，還可以將以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段作為參考周期。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、采用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的采樣結(jié)果的示意圖。在圖6中，兩個(gè)較長(zhǎng)的線段分別表示參考周期的實(shí)際的周期起始位置和實(shí)際的周期結(jié)束位置，較短的線段表示采樣位置。

可以將如圖6所示的采樣序號(hào)為1的采樣位置近似為參考周期的周期起始位置，這是采用具有固定時(shí)間間隔的采樣信號(hào)進(jìn)行采樣的目的所在。實(shí)際上，采樣序號(hào)為1的采樣位置非常接近實(shí)際的周期起始位置，采樣序號(hào)為49的采樣位置非常接近實(shí)際的周期結(jié)束位置。由于是近似結(jié)果，所以會(huì)導(dǎo)致一定誤差，這將在下文討論。確定周期起始位置之后，多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值即可確定。應(yīng)注意，在圖6至圖11中，所標(biāo)識(shí)出的周期起始位置為實(shí)際的周期起始位置。

可以理解的是，如果各路時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值確定，則其在參考周期內(nèi)的大致波形分布就可以確定了，如圖7所示。圖7示出兩種在周期起始位置處取值不同的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況?？梢岳斫?，如果某時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值為低電平，則其波形分布應(yīng)類似于圖7所示的上方波形，即在一個(gè)參考周期中，時(shí)鐘信號(hào)的中間部分為高電平區(qū)域，兩側(cè)為低電平區(qū)域。同樣，如果某時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值為高電平，則其波形分布應(yīng)類似于圖7所示的下方波形，即在一個(gè)參考周期中，時(shí)鐘信號(hào)的中間部分為低電平區(qū)域，兩側(cè)為高電平區(qū)域。

(3)、采用第二采樣信號(hào)進(jìn)行采樣

在本步驟中，可以使用統(tǒng)計(jì)法采樣法，即利用與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期(或說(shuō)頻率)完全無(wú)關(guān)的時(shí)鐘進(jìn)行大量采樣。只要采樣次數(shù)足夠多，采樣信號(hào)可以在無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)均勻分布。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)采樣，可以利用第二采樣信號(hào)進(jìn)行大量(例如5000次)采樣。在一個(gè)示例中，可以采用9.992038M時(shí)鐘(頻率為9.992038MHz)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣。與49M時(shí)鐘類似地，使用9.992038M時(shí)鐘進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采樣時(shí)，也可以對(duì)時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，在經(jīng)過(guò)若干次時(shí)鐘周期之后采樣一次。

通過(guò)對(duì)得到的第二采樣結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到96路時(shí)鐘信號(hào)中兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的任意組合取值的出現(xiàn)比例，進(jìn)而可以獲得任意組合取值在參考周期中所占時(shí)間。例如，如果期望得到基準(zhǔn)信號(hào)與第10路信號(hào)的組合取值為“11”的時(shí)間間隔，只需要統(tǒng)計(jì)出第二采樣結(jié)果中出現(xiàn)基準(zhǔn)信號(hào)＝‘1’且第10路信號(hào)＝‘1’的采樣結(jié)果的次數(shù)，記為F11，則基準(zhǔn)信號(hào)與第10路信號(hào)的組合取值“11”在參考周期中所占時(shí)間t可以表示為下式：

在式(2)中，N為第二采樣結(jié)果中的所有采樣結(jié)果的數(shù)目，T為多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期。

(4)、逐個(gè)信號(hào)進(jìn)行定序

首先對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行定序。如上文所述，在確定周期起始位置時(shí)，需要確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平起始位置。當(dāng)然，基準(zhǔn)信號(hào)的低電平起始位置也可以視為周期起始位置，為了描述方便，本文僅以其高電平起始位置作為示例進(jìn)行描述。示例性地，可以從第一采樣結(jié)果中找出代表基準(zhǔn)信號(hào)從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖降膬蓚€(gè)相鄰采樣位置處的取值，這兩個(gè)取值分別為‘0’和‘1’。可以確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平起始位置在這兩個(gè)采樣位置之間。隨后，可以將所找出的取值為‘1’的采樣位置視為周期起始位置。此外，還可以將該周期起始位置視為基準(zhǔn)信號(hào)的上升沿在參考周期中的位置。

隨后，可以統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的每種取值的出現(xiàn)比例，以確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平在參考周期中所占時(shí)間。已知基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值為‘1’以及基準(zhǔn)信號(hào)的高電平在參考周期中所占時(shí)間，可以非常容易地確定基準(zhǔn)信號(hào)的下降沿在參考周期中的位置。當(dāng)確定基準(zhǔn)信號(hào)的上升沿和下降沿的位置時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)的定序完成。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，定序單元260(或360)通過(guò)以下方式實(shí)施對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的步驟：對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的任一待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔，則根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且所包含的基準(zhǔn)信號(hào)的取值與在第二特定邊沿后出現(xiàn)的電平一致的兩種組合取值中的任一種在參考周期中所占時(shí)間小于或等于預(yù)定時(shí)間間隔，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第一輔助信號(hào)，根據(jù)第一輔助信號(hào)、待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況，并根據(jù)待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況、第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第一輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值、每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔并且第一采樣結(jié)果中第一輔助信號(hào)在周期起始位置處的取值與在第二特定邊沿前出現(xiàn)的電平一致；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括三種不同的組合取值，其中，在三種不同的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值僅出現(xiàn)一次，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第二輔助信號(hào)，并根據(jù)第二采樣結(jié)果中第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第二輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且在第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值出現(xiàn)兩次。

在對(duì)其他時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行定序時(shí)，可以根據(jù)它們與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位關(guān)系，將它們分為三類進(jìn)行定序：普通均勻分布、特殊分布和集中分布。

(a)、普通均勻分布

均勻分布是指待定序的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿分別分布在基準(zhǔn)信號(hào)的高電平時(shí)段和低電平時(shí)段。也就是說(shuō)，分布情況為均勻分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值：“11”、“10”、“01”和“00”。均勻分布可以分為普通均勻分布和特殊分布兩種情況。普通均勻分布是指待定序的時(shí)鐘信號(hào)的四種組合取值在參考周期中所占時(shí)間均大于預(yù)定時(shí)間間隔，在上文所述的示例中該預(yù)定時(shí)間間隔為20.4ps。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值可以包括待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在前基準(zhǔn)信號(hào)的取值在后以及基準(zhǔn)信號(hào)的取值在前待定序的時(shí)鐘信號(hào)取值在后這兩種情況。也就是說(shuō)，在描述時(shí)鐘信號(hào)的組合取值時(shí)，本文并未限定各時(shí)鐘信號(hào)的取值的排列順序，在示例中特別指出的除外。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為普通均勻分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖。如上文所述，在確定周期起始位置之后，可以確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值。參考圖8，待定序的時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值為‘0’。

此外，可以計(jì)算第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的各種組合取值的出現(xiàn)比例，即計(jì)算組合取值為“11”、“10”、“00”、“01”這四種情況的出現(xiàn)比例。根據(jù)每種組合取值的出現(xiàn)比例可以確定該組合取值在參考周期中所占時(shí)間，即圖8中序號(hào)為1、2、3、4的四段時(shí)間間隔，計(jì)算方式可以參考式(2)。根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值可以確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的大致波形分布，結(jié)合“11”、“10”、“00”、“01”這四種組合取值在參考周期中所占時(shí)間，可以很容易地求得待定序的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿與下降沿在參考周期中的位置，完成相應(yīng)的定序查找表。

(b)、特殊分布

特殊分布是均勻分布中的特殊情況。由于在確定周期起始位置時(shí)，將在基準(zhǔn)信號(hào)的特定邊沿的出現(xiàn)位置(例如上文所述的高電平起始位置)后面的最近采樣位置(如圖6所示的采樣序號(hào)為1的采樣位置)近似為周期起始位置，并將在該最近采樣位置處獲得的采樣結(jié)果作為各無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值，因此可能出現(xiàn)由于時(shí)鐘信號(hào)在實(shí)際的周期起始位置處的取值與在該最近采樣位置處的取值不同而導(dǎo)致的誤差。圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為特殊分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖。如圖9所示，待定序的時(shí)鐘信號(hào)在實(shí)際的周期起始位置處的取值為‘0’，但其在采樣序號(hào)為1的采樣位置處的取值為‘1’。因此，將采樣序號(hào)為1的采樣位置近似為周期起始位置會(huì)造成待定序的時(shí)鐘信號(hào)的初始取值判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而造成待定序的時(shí)鐘信號(hào)的整個(gè)波形分布判斷錯(cuò)誤。

由圖9所示的波形可知，在基準(zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值“11”或“10”(基準(zhǔn)信號(hào)的取值在前，待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在后)小于或等于預(yù)定時(shí)間間隔(例如20.4ps)的情況下，可能出現(xiàn)上述波形分布判斷錯(cuò)誤。因此，可以將這種情況稱為特殊分布情況。總之，如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且所包含的基準(zhǔn)信號(hào)的取值與在特定邊沿(如圖9所示的上升沿)后出現(xiàn)的電平(如圖9所示的高電平)一致的兩種組合取值(如圖9所示的組合取值“11”和“10”)中的任一種在參考周期中所占時(shí)間小于或等于預(yù)定時(shí)間間隔，則確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布屬于特殊分布。

雖然上面描述了特殊分布的特點(diǎn)，然而滿足上述特點(diǎn)的波形分布卻不一定會(huì)導(dǎo)致波形分布判斷錯(cuò)誤。實(shí)際上，特殊分布可以分為兩種情況。圖10a和10b分別示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的兩種特殊分布的示意圖。

在圖10a和圖10b中，基準(zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值“10”(基準(zhǔn)信號(hào)的取值在前，待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在后)的時(shí)間間隔都小于預(yù)定時(shí)間間隔(例如20.4ps)，但是只有圖10a的波形分布可能會(huì)由于近似錯(cuò)誤而導(dǎo)致波形分布判斷錯(cuò)誤。

為了區(qū)分這兩種情況，可以引入第一輔助信號(hào)，如圖10a和圖10b所示。該第一輔助信號(hào)具有以下特點(diǎn)：自身已經(jīng)完成定序；基準(zhǔn)信號(hào)與第一輔助信號(hào)的四種組合取值“11”、“10”、“01”和“00”在參考周期中所占時(shí)間都大于預(yù)定時(shí)間間隔(例如20.4ps)；第一輔助信號(hào)在周期起始位置處的取值(如圖6所示的采樣序號(hào)為1的采樣位置處的采樣結(jié)果)與在特定邊沿(如圖9所示的上升沿)前出現(xiàn)的電平(如圖9所示的低電平)一致。

加入第一輔助信號(hào)之后，對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)、待定序的時(shí)鐘信號(hào)和第一輔助信號(hào)的組合取值來(lái)說(shuō)，圖10a會(huì)有“100”出現(xiàn)，而圖10b有“101”出現(xiàn)。由此可以完成兩種特殊分布的區(qū)分。如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布屬于圖10a所示的那種情況，則可以重新確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值，例如原本是‘1’的修正為‘0’。隨后可以根據(jù)修正后的待定序的時(shí)鐘信號(hào)與在周期起始位置處的取值與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布屬于圖10b所示的那種情況，則可以采用與普通均勻分布一樣的方式確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。

(c)、集中分布

集中分布是指待定序的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿都落在基準(zhǔn)信號(hào)的高電平時(shí)段或都落在基準(zhǔn)信號(hào)的低電平時(shí)段。圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分布情況為集中分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的示意圖。

從圖11中可以看出，基準(zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值只包括三種不同的組合取值：“10”、“11”、“00”(基準(zhǔn)信號(hào)的取值在前，待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在后)。在這三個(gè)組合取值中，待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值‘1’僅出現(xiàn)了一次。

從圖11中可以看出，基準(zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值“10”被分成了兩份。在不借助輔助信號(hào)的情況下，這兩段分開(kāi)的時(shí)間間隔無(wú)法求出。因此，可以引入一個(gè)具有以下特點(diǎn)的第二輔助信號(hào)：屬于均勻分布并且自身已經(jīng)完成定序；能夠?qū)⒒鶞?zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值“11”分成兩段，即圖11中所示的t1和t2。當(dāng)某時(shí)鐘信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值(圖11所示的示例中為‘1’)出現(xiàn)兩次時(shí)，可以認(rèn)為該時(shí)鐘信號(hào)能夠?qū)⒒鶞?zhǔn)信號(hào)的組合取值“11”分成兩段。例如在圖11所示的示例中，第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值包括“10”和“11”(待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在前，第二輔助信號(hào)的取值在后)。

從圖11可知，根據(jù)第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值“01”和“11”(輔助信號(hào)的取值在前，待定序的時(shí)鐘信號(hào)的取值在后)在參考周期中所占時(shí)間，可以確定t1和t2的大小。由于第二輔助信號(hào)已經(jīng)完成定序，因此其上升沿位置是已知的，可以將其上升沿位置設(shè)為t0。待定序的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿與下降沿位置分別為：t0-t1和t0+t2。由此可以完成待定序的時(shí)鐘信號(hào)的定序。

總之，在逐個(gè)信號(hào)定序過(guò)程中，可以將多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)分為三種類別進(jìn)行定序。由于特殊分布和集中分布信號(hào)的定序過(guò)程中都需要均勻分布信號(hào)作為輔助信號(hào)，因此如果一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值“10”、“11”、“01”、“00”并且這四種組合取值在參考周期中所占時(shí)間都大于預(yù)定時(shí)間間隔(例如20.4ps)，則可以最先對(duì)其進(jìn)行定序，以便為特殊分布或集中分布信號(hào)提供輔助。

第二示例

示例性地，校準(zhǔn)信號(hào)可以包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，定序單元260(或360)可以通過(guò)以下方式確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；重復(fù)執(zhí)行以下定序操作直至確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序?yàn)橹梗焊鶕?jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的第二特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在第二特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、滿足預(yù)設(shè)條件的待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間，并根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，預(yù)設(shè)條件包括待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)設(shè)時(shí)間段，預(yù)設(shè)時(shí)間段與預(yù)定時(shí)間間隔相關(guān)；選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的已定序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為新的基準(zhǔn)信號(hào)；以及基于統(tǒng)一的周期起始位置對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行校正。

在本示例中，定序過(guò)程可以由以下幾個(gè)步驟組成：

1)、選擇一路時(shí)鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。

2)、根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值確定周期起始位置，并根據(jù)第一采樣結(jié)果求出各路時(shí)鐘信號(hào)在周期起始位置處的取值。

3)、根據(jù)第二采樣結(jié)果求出基準(zhǔn)信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的四種組合取值“10”“11”“01”“00”中的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間，如圖8所示的序號(hào)為1、2、3、4的四段時(shí)間間隔。如果這四段時(shí)間間隔都大于某一預(yù)設(shè)時(shí)間段，則根據(jù)第一采樣結(jié)果及第二采樣結(jié)果，就可以確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。在本步驟中確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的方式與上述針對(duì)分布情況為普通均勻分布的待定序的時(shí)鐘信號(hào)的定序過(guò)程類似，此處不再贅述。預(yù)設(shè)時(shí)間段與預(yù)定時(shí)間間隔相關(guān)，其可以根據(jù)需要設(shè)定。例如，假設(shè)預(yù)定時(shí)間間隔為20.4ps，則預(yù)設(shè)時(shí)間段可以是預(yù)定時(shí)間間隔的兩倍左右，例如45ps。

4)、在已經(jīng)完成定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)作為新的基準(zhǔn)信號(hào)，以繼續(xù)對(duì)沒(méi)有完成定序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行定序。

5)、重復(fù)執(zhí)行步驟2)、3)和4)直到所有的時(shí)鐘信號(hào)都完成定序。

6)、基于統(tǒng)一的周期起始位置對(duì)得到的定序結(jié)果進(jìn)行處理。由于在上述循環(huán)過(guò)程中，基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生改變，因此每次定序所采用的周期起始位置可能是不同的，因此需要對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行統(tǒng)一校正。可以理解，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)與自身定序時(shí)所使用的基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位關(guān)系是已確定的，其所使用的基準(zhǔn)信號(hào)與其他的基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位關(guān)系也是已確定的，所以通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)之間的相位關(guān)系，經(jīng)過(guò)若干次時(shí)序校正，最終可以將所有時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序調(diào)整為以同一周期起始位置為起點(diǎn)。

與第一示例中的定序方法相比，第二示例中的定序方法更加簡(jiǎn)單和易于實(shí)施。

示例性地，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以采用任何合適的硬件、軟件和/或固件實(shí)現(xiàn)。例如，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以采用PFGA實(shí)現(xiàn)。

示例性地，可以通過(guò)以下方式測(cè)試所搭建的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間測(cè)量精度。例如，可以搭建兩個(gè)通道的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使用同一待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。由于待測(cè)輸入信號(hào)到達(dá)兩個(gè)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的路徑延時(shí)不同，因此兩個(gè)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣結(jié)果在解碼以后獲得的時(shí)間值應(yīng)該具有固定的差值。在實(shí)際測(cè)試中，該差值呈現(xiàn)高斯分布，該高斯分布的半高寬(full width at half maximum,FWHM)即為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間分辨率。圖12示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的針對(duì)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試所獲得的高斯分布結(jié)果。

由圖12中可以看出，F(xiàn)WHM值(即時(shí)間測(cè)量精度)為61.5ps左右。該結(jié)果與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的理論時(shí)間測(cè)量精度還具有一定差距，因此仍然存在繼續(xù)改進(jìn)的空間。

下面描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的完整工作步驟。

(1)、系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行定序。

使用49M時(shí)鐘進(jìn)行固定時(shí)間間隔的采樣，近似得到96路無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)在一個(gè)時(shí)鐘周期的周期起始位置處的取值。隨后，使用9.992038M時(shí)鐘進(jìn)行統(tǒng)計(jì)法采樣，得到96路無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的任何組合取值在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所占的時(shí)間間隔。將時(shí)鐘信號(hào)分為三類逐個(gè)定序，并完成相應(yīng)的定序查找表。

(2)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)。

將待測(cè)輸入信號(hào)輸入粗時(shí)間計(jì)數(shù)單元，得到粗時(shí)間結(jié)果。將待測(cè)輸入信號(hào)輸入采樣單元，鎖存96路無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)鎖存結(jié)果進(jìn)行解碼，得到細(xì)時(shí)間結(jié)果。將細(xì)時(shí)間結(jié)果與粗時(shí)間結(jié)果組合后，通過(guò)輸出單元輸出至外部設(shè)備。

相比于目前的基于“Wave union”等技術(shù)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1))、時(shí)間分辨率高，且可以靈活調(diào)整。

假設(shè)無(wú)序信號(hào)生成單元生成96路無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)，則這些時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿可以將一個(gè)時(shí)鐘周期T分為96*2＝192份，采用的時(shí)鐘周期為1000ps。經(jīng)測(cè)試，95％以上的BIN寬都在20ps以下，最大的BIN寬只有30ps左右，因此時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器擁有很高的時(shí)間分辨率。

此外，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間分辨率可以靈活調(diào)整。例如，如果需要更高的時(shí)間分辨率的話，可以增加無(wú)序信號(hào)生成單元所生成的時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù)；反之，減少所生成的時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù)即可?？梢?jiàn)，調(diào)整時(shí)間分辨率的方式非常方便簡(jiǎn)捷。

(2)、當(dāng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器時(shí)，所消耗的FPGA內(nèi)部資源較少，在一個(gè)FPGA芯片內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)通道。

例如，可以將消耗資源較多、設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜的定序單元和解碼單元放在FPGA內(nèi)嵌的NIOS II軟核中執(zhí)行。在這種情況下，完成單通道TDC所需要的資源平均為10個(gè)邏輯陣列塊(Logic Array Block,LAB)左右。如果將上述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部具有上千個(gè)可用LAB的FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，則可實(shí)現(xiàn)一百多個(gè)通道的TDC。

盡管所消耗的資源較少，但根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間測(cè)量精度并不低。由上面的測(cè)試環(huán)節(jié)可知，目前的時(shí)間測(cè)量精度已經(jīng)到達(dá)60ps左右，并且有較大的提升空間。

根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種時(shí)間測(cè)量方法。圖13示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的時(shí)間測(cè)量方法1300的示意性流程圖。如圖13所示，時(shí)間測(cè)量方法1300包括以下步驟。

在步驟S1310，生成多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)。

在步驟S1320，利用待測(cè)輸入信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，以獲得實(shí)際采樣結(jié)果。

在步驟S1330，根據(jù)實(shí)際采樣結(jié)果和與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息確定待測(cè)輸入信號(hào)的第一特定邊沿與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的選定時(shí)鐘信號(hào)的第一特定邊沿之間的時(shí)間差，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的細(xì)時(shí)間結(jié)果。

在步驟S1340，以選定時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘來(lái)對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得待測(cè)輸入信號(hào)的粗時(shí)間結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在步驟S1330之前，時(shí)間測(cè)量方法1300還可以包括：利用校準(zhǔn)信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，以獲得校準(zhǔn)采樣結(jié)果；以及根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，以獲得與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序相關(guān)的時(shí)序信息。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，校準(zhǔn)信號(hào)包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的第二特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在第二特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的每種取值的出現(xiàn)比例，以確定基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間；根據(jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和基準(zhǔn)信號(hào)的高電平和/或低電平在參考周期中所占時(shí)間確定基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)序；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，統(tǒng)計(jì)第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例；以及對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、除基準(zhǔn)信號(hào)以外的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，至少根據(jù)第一采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值和第二采樣結(jié)果中該時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例，確定該時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的任一待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔，則根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且所包含的基準(zhǔn)信號(hào)的取值與在第二特定邊沿后出現(xiàn)的電平一致的兩種組合取值中的任一種在參考周期中所占時(shí)間小于或等于預(yù)定時(shí)間間隔，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第一輔助信號(hào)，根據(jù)第一輔助信號(hào)、待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況，并根據(jù)待定序的時(shí)鐘信號(hào)的波形分布情況、第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第一輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值、每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間間隔并且第一采樣結(jié)果中第一輔助信號(hào)在周期起始位置處的取值與在第二特定邊沿前出現(xiàn)的電平一致；如果待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括三種不同的組合取值，其中，在三種不同的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值僅出現(xiàn)一次，則從已定序的時(shí)鐘信號(hào)中選擇第二輔助信號(hào)，并根據(jù)第二采樣結(jié)果中第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，第二輔助信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且在第二輔助信號(hào)與待定序的時(shí)鐘信號(hào)的組合取值中待定序的時(shí)鐘信號(hào)的特定取值出現(xiàn)兩次。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，校準(zhǔn)信號(hào)包括采樣周期等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的整數(shù)倍與預(yù)定時(shí)間間隔之和的第一采樣信號(hào)和采樣周期與多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期無(wú)關(guān)的第二采樣信號(hào)，校準(zhǔn)采樣結(jié)果包括利用第一采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第一采樣結(jié)果和利用第二采樣信號(hào)對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣所獲得的第二采樣結(jié)果，根據(jù)校準(zhǔn)采樣結(jié)果確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序包括：選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為基準(zhǔn)信號(hào)；重復(fù)執(zhí)行以下定序操作直至確定多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序?yàn)橹梗焊鶕?jù)第一采樣結(jié)果中基準(zhǔn)信號(hào)的取值估計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)的第二特定邊沿的出現(xiàn)位置，確定在第二特定邊沿的出現(xiàn)位置后面的最近采樣位置為周期起始位置，并確定以周期起始位置為起點(diǎn)的、持續(xù)時(shí)間等于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的周期的時(shí)間段為參考周期；對(duì)于多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的、滿足預(yù)設(shè)條件的待定序的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值的出現(xiàn)比例確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間，并根據(jù)第一采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在周期起始位置處的取值、第二采樣結(jié)果中待定序的時(shí)鐘信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值確定待定序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序，其中，預(yù)設(shè)條件包括待定序的時(shí)鐘信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的組合取值包括四種不同的組合取值并且每種組合取值在參考周期中所占時(shí)間大于預(yù)設(shè)時(shí)間段，預(yù)設(shè)時(shí)間段與預(yù)定時(shí)間間隔相關(guān)；選擇多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)中的已定序的時(shí)鐘信號(hào)之一作為新的基準(zhǔn)信號(hào)；以及基于統(tǒng)一的周期起始位置對(duì)多個(gè)無(wú)序的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行校正。

上文已經(jīng)結(jié)合附圖1至12描述了時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的各單元的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以上關(guān)于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的描述以及附圖1至12，能夠理解本文所公開(kāi)的時(shí)間測(cè)量方法1300的實(shí)施方式及其優(yōu)點(diǎn)等，為了簡(jiǎn)潔，本文不對(duì)此進(jìn)行贅述。

應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個(gè)可以是通過(guò)同一個(gè)硬件項(xiàng)來(lái)具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。例如，本文所述的“第一特定邊沿”和“第二特定邊沿”僅用于區(qū)分兩個(gè)邊沿的目的，“第一特定邊沿”和“第二特定邊沿”可以是相同類型的邊沿(例如均為上升沿或均為下降沿)，也可以是不同類型的邊沿(例如一個(gè)是上升沿，一個(gè)是下降沿)。

本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)上述實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說(shuō)明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書(shū)及其等效范圍所界定。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開(kāi)的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、或者計(jì)算機(jī)軟件和電子硬件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來(lái)執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)使用不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)設(shè)備，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。