NANCHANG UNIVERSITY学士学位论文THESIS OF BACHELOR（2009—2013年）题目基于FPGA的时间-数字转换器设计学院：信息工程学院系电子系专业班级：电子信息工程093班基于FPGA的时间-数字转换器设计摘要时间是物质存在和运动的基本属性之一，它是科学研究、科学实验和工程技术等领域的必不可少的参量。
时间-数字转换器作为时间测量技术的核心，在诸多领域都有广泛的应用。
实现时间-数字转换电路的方法有许多种，如计数器法、电流积分法、门延迟法以及FPGA法等。
本论文设计的是基于FPGA的时间-数字转换器，设计思想是以计数器为粗时间间隔测量单元，门延迟为细时间间隔测量单元，最终基于FPGA实现TDC系统。
设计借助了Verilog HDL语言对FPGA 进行设计，完成了边缘检测、计数器及串口输出的软件设计，实现了测量范围为30min，分辨率达1ns的大范围、高分辨率TDC系统的设计。
本系统可移植性强，在提高时钟频率和门延迟精度后可应用于微粒子探测、激光测距和定时定位等领域。
关键词：时间-数字转换器FPGA 计数器门延迟分辨率AbstractDesign of Time to Digital Converter based on FPGAAbstractTime is one of the basic attribute of material’s existence and exercise, it’s an essential parameter of scientific researches, scientific experiments, engineering technology and other technology fields. Time-digital converter, as a time measurement technology core, are widely used in many fields.There are many ways to implement the time-digital converter, such as the counter method, the current integration method, the gate delay method and the FPGA method. This thesis designed a FPGA based TDC, the design idea is using the counter as a crude time interval measurement, the gate delay as a precise time interval measurement, and finally, the system is achieved by the FPGA. In the design, with the language of Verilog HDL, we achieved the software design of the edge detection, the counter and the outputting of serial. A measurement range of 30min, 1ns resolution of the large-scale, high-resolution TDC system is designed. This system is portable, if the clock frequency and the accuracy of gate delay are improved, it can be used in particle detection, laser ranging and timing positioning and any other fields.Keywords: Time to Digital Converter; FPGA; Counter; Gate delay; Resolution目录摘要 (I)ABSTRACT (II)前言 (1)1.1选课的背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3课题所做的工作及论文章节安排 (2)1.3.1设计思想 (2)1.3.2论文章节安排 (2)时间-数字转换技术研究与分析 (4)2.1时间-数字转换电路的应用领域研究 (4)2.2时间-数字转换电路实现方法分析比较 (4)2.2.1计数器法 (4)2.2.2电流积分法 (5)2.2.3门延迟法 (6)2.2.4 FPGA法 (6)2.3 小结 (6)时间数字转换系统的硬件设计 (7)3.1硬件系统总体设计 (7)3.2开发板介绍 (7)3.3 FPGA芯片介绍 (9)3.3.1 FPGA简介及Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N芯片概述 (9)3.3.2Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N芯片的特点 (10)3.4 FPGA开发流程 (10)3.4.1功能定义和器件选型 (10)3.4.2设计输入 (11)3.4.3布线布局 (11)3.5 Quartus II仿真平台介绍 (12)3.5.1设计输入 (12)3.5.2项目编译 (13)3.5.3项目仿真 (13)时间-数字转换系统的软件设计 (14)4.1 Verilog语言介绍 (14)4.2基于Verilog语言的FPGA总体设计 (14)4.2.1设计目标及核心原理 (14)4.2.2边缘检测工作原理及设计 (16)4.2.3计数器工作原理及设计 (16)4.2.4门延迟细计数原理及设计 (18)4.2.5数据计算模块原理 (20)4.2.6串口输出模块设计 (20)系统测试 (22)5.1 边缘检测仿真 (22)5.2计数器仿真 (22)5.3串口发送数据仿真 (23)5.4时间-数字转换系统测试 (23)总结 (25)参考文献（Reference） (26)致谢 (27)附录 (28)第一章前言1.1选课的背景及意义时间既是一个抽象的概念，又是物质存在和运动的基本属性之一。
精密的时间在科学研究和实验当中充当着重要物理参量，为所有的时序系统和动力学系统提供了必不可少的时基坐标。
传统的时间概念有两种含义，一种是指时间坐标系统中的某一时刻；另一种指时间系统中的一段时间间隔。
本文所讨论的时间均指后者。
时间-数字转换器（TDC）是时间间隔测量的工具，它在各个领域都有着广泛的应用。
TDC技术原本用于核物理实验的高能粒子检测，近几年，随着科技的不断进步和人们生活水平的不断提升，人们对食品和药品的安全性越发关注，这就要求一个高速率、高精度的检测设备。
TDC技术作为一种成熟的微小粒子检测技术，近几年中取得了比较大的进步。
TDC技术也被广泛的应用于有机合成、石油化工、农药残留检测等方面，具有良好的发展前景。
在国防建设和国民经济等领域，TDC技术的发展意义重大。
精确的时间间隔测量技术（ps级）在定位定时、激光测距、航天遥控、物理实验和天文实验等领域都具有非常广泛的应用。
TDC技术是时间间隔测量的主要实现途径，其发展和应用对于整个国防建设和人民生活水平的提高都具有非常重大的意义。
目前，世界各强国都在努力地发展这项技术。
TDC技术的发展前景广，应用范围大，且具有较大的进步空间，本课题决定研究时间-数字转换器的设计及实现。
1.2国内外研究现状近些年来，TDC技术在自动检测设备、激光探测、频率测量、相位测量、医疗图形扫描等研究领域得到广泛的应用。
美、日、欧等国家都对时间间隔测量技术作了大量研究，他们利用集成电路领域的优势，发展了大量精确的时间间隔测量技术。
在美国，PTTI年会决定每年对该专题进行讨论，美国国家科学院已把它作为评估国防力量的重要标志之一。
同时，时间间隔测量技术也被列为国家须大力发展的科学技术。
然而相对来说，我国的TDC技术起步较晚，在近几年才相继有专家对这方面技术进行研究。
加之国外对此技术的控制非常严格，缺乏必要的支持和交流，这使得我国的TDC技术几乎是在完全空白的基础上进行研究和发展的。
因此，我国在这方面的技术还比较落后，急需大力的发展和研究。
目前，国外实现TDC电路的方法有很多种，且趋于成熟。
早期的TDC电路一般由印刷电路板上的分立元件组成，然而分立元件占用面积大、功耗高、一致性差，且元件经常受到环境因素的影响，使得电路的稳定性较差。
后期的TDC 设计分为两种：一种用几个独立的集成电路搭建一个或几个TDC；另一种用的是单独的专用TDC芯片，通常是ASCI。
这两种设计都具有各自的特点。
其中，专用的TDC芯片一般是为某种功能而定型设计的，其性价比高，适用于各种工程的大量使用。
然而，正因其定型性高，在兼容性方面显得比较差，而且相对来说TDC芯片的开发成本很高，一般在小规模实验中，往往需要购买别人研制的专用TDC。
使用若干个集成电路搭建的TDC的方法具有更强的灵活性，实验者可以根据本实验的需要来设计TDC，这种方法通常被小规模实验者所青睐。
总体看来，这两种实现方法都存在各自的缺点和弊端，一定程度上限制了TDC技术的开发应用。
近几年来，可编程的ASCI技术得到迅速的发展，包括CPLD和FPGA，而其中的FPGA的发展十分显著。
有些FPGA芯片都已经达到了ASCI工艺水平，它们具有很高的密度，且能工作在较高速的片上时钟下。
目前，FPGA工艺使TDC设计向低成本、低功耗和高集成度方向发展。
基于FPGA的TDC电路设计工艺简单、成本低、设计难度小且流片成功率高。
在技术上，许多国家在利用FPGA设计时间数字转换器已趋于成熟。
例如美国的ORTEC公司、德国的ACAM 公司等均开发了属于自己的相关TDC产品，其指标可达100ps至14ps。
1.3课题所做的工作及论文章节安排1.3.1设计思想本文的总体设计思想是利用计数器和延迟门分别对时间进行粗测量和细测量。
在软件设计方面采用Verilog语言对FPGA芯片进行程序设计。
在硬件设计中，配备了50MHz频率的时钟，采用Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N为核心芯片，实现对外围电路控制和计算，并将结果通过串口转USB接口传输到PC机从而实现仿真。
1.3.2论文章节安排本文分六个章节对课题进行论述：第一章前言，本章节概述了TDC的作用和国内外发展现状，介绍了课题的背景及意义，并从总体上概括了实现本课题的设计思想；第二章TDC技术的研究与分析，本章节列举了TDC技术在各领域的应用，并介绍分析了几种实现时间-数字转换器的方法，确定了本课题研究的方向；第三章系统硬件介绍，本章节介绍了TDC硬件系统的构成框图，着重介绍了所选用的FPGA芯片以及课题设计中所用到的仿真软件；第四章FPGA软件设计，本章节介绍了硬件描述语言Verilog，并重点阐述了基于FPGA实现TDC的设计方案，包括计数器法和延迟门法，给出了相应的框图和工作原理；第五章系统测试，本章节给出了TDC系统各个模块的仿真测试结果，验证了设计的正确性；第六章总结，对设计过程和内容进行了总结。