时间数字转换器

在电子仪器和信号处理中，时间数字转换器 (TDC) 是一种用于识别事件并提供事件发生时间的数字表示的设备。 例如，TDC 可能会输出每个传入脉冲的到达时间。 一些应用程序希望测量两个事件之间的时间间隔而不是一些xxx时间的概念。

在电子产品中，时间数字转换器 (TDC) 或时间数字转换器是常用于测量时间间隔并将其转换为数字（二进制）输出的设备。 在某些情况下，内插 TDC 也称为时间计数器 (TC)。

TDC 用于确定两个信号脉冲（称为开始脉冲和停止脉冲）之间的时间间隔。 当信号脉冲的上升沿或下降沿超过设定的阈值时，测量开始和停止。 在许多物理实验中都可以看到这种模式，例如原子和高能物理学中的飞行时间和寿命测量、涉及激光测距的实验以及涉及集成电路测试和高速数据传输的电子研究。

TDC 用于测量事件不经常发生的应用，例如高能物理实验，其中大多数探测器中的数据通道数量确保每个通道只会很少被电子、光子和离子等粒子激发。

如果要求的时间分辨率不高，则可以使用计数器来进行转换。

在其最简单的实现中，TDC 只是一个在每个时钟周期递增的高频计数器。 计数器的当前内容代表当前时间。 当事件发生时，计数器的值被捕获到输出寄存器中。

在该方法中，测量是整数个时钟周期，因此测量被量化为一个时钟周期。 为了获得更精细的分辨率，需要更快的时钟。 测量精度取决于时钟频率的稳定性。

通常，TDC 使用晶体振荡器参考频率以获得良好的长期稳定性。 高稳定性晶体振荡器通常频率相对较低，例如 10 MHz（或 100 ns 分辨率）。 为了获得更好的分辨率，可以使用锁相环倍频器来生成更快的时钟。 例如，可以将晶体参考振荡器乘以 100 以获得 1 GHz 的时钟速率（1 ns 分辨率）。

高时钟速率对计数器施加了额外的设计限制：如果时钟周期很短，则很难更新计数。 例如，二进制计数器需要一个快速进位架构，因为它们本质上是在先前的计数器值上加一。 一种解决方案是使用混合计数器架构。 例如，约翰逊计数器是一种快速非二进制计数器。 它可以用来非常快速地统计低订单数； 可以使用更传统的二进制计数器来累加高阶计数。 快速计数器有时称为预分频器。

用 CMOS 技术制造的计数器的速度受限于栅极和通道之间的电容以及通道和信号迹线的电阻。 两者的乘积就是截止频率。 现代芯片技术允许将多个金属层和具有大量绕组的线圈插入芯片中。这使设计人员可以针对特定频率对设备进行峰值处理，该频率可能高于原始晶体管的截止频率。

约翰逊计数器的一个峰值变体是行波计数器，它也可以实现子周期分辨率。 实现子周期分辨率的其他方法包括模数转换器和游标约翰逊计数器。

在大多数情况下，用户不想只捕获事件发生的任意时间，而是想测量时间间隔，即开始事件和停止事件之间的时间。

这可以通过测量开始和停止事件的任意时间并减去来完成。 测量可能会偏离两个计数。

如果计数器在开始事件之前保持为零，在间隔期间计数，然后在停止事件之后停止计数，则可以避免减法。

粗略计数器基于参考时钟，信号以稳定的频率 f 0 {\displaystyle f_{0}} 生成。 当检测到起始信号时，计数器开始计数时钟信号，检测到停止信号后停止计数。