《时间测量方法》PPT课件

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1、近代信息处理（第十七讲）——时间测量方法（1）刘树彬2011.04.202011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬2时间应用基础研究原子核和粒子物理研究、地球动力学研究、相对论研究应用研究、国防、国民经济建设航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬3固定靶实验中的时间测量高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一加速的脉冲束流轰击固定靶，产生的次级粒子被固定靶后面的探测器“墙”检测对每个事例，束流探测器探测到每个束流作为每个事例的“起始”信号，所有探测器的输出经

2、甄别后接到时间测量电路中作为“停止”信号2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬4对撞实验中的时间测量高能物理等物理实验中探索物质亚原子级精细结构的基本手段之一两束粒子被加速后相撞，对撞后产生的次级粒子从对撞点向四周飞行，围绕着对撞点放置大量探测器通过测量带电粒子的飞行时间△t，结合径迹探测器测量同一粒子的动量p和飞行径迹长度l，得到粒子的本征质量m0，鉴别出带电粒子的种类2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬5粒子物理实验中的时间测量TOF:TimeofFlight2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬6飞行时间质谱仪中的时间测量1/2mv2=

3、eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/22011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬7激光测距中的时间测量由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管雪崩光电二极管：内部具有放大功能的光学传感器，能检测极其微弱的光信号记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的往返时间tD=ct/2要想使分辨率达到10cm，则传输时间的测量分辨率好于600ps2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬8子弹速度测量中的时间测量2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬9超声波流量

4、测试里的时间测量2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬10超声波厚度、密度检测中的时间测量厚度检测密度检测2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬11时间测量电路的性能参数动态范围（measurementrange,MR）分辨率（resolution/leastsignificantbit/quantizationstep,LSB/Bin）精度（standardmeausrementuncertainty/randomerror,RMS）非线性（DNL、INL）死时间（deadtime）读出速度……2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬12基本的

5、时间测量方法波形数字化甄别与数字变换定时甄别：将一个物理事例的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号前沿定时过零定时恒比定时……时间数字变换（TDC）2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬13TDC的分类按实现手段分类模拟式（TAC+ADC……）数字式（计数器型……）按测量对象分类起停型（Start-StopType）TDC时间戳型（TimeStampType）TDC流水线型（Pipeline）TDC事例驱动型（DataDriven）TDC如何得到高的时间分辨？2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬14TAC时间测量（起停型）较小的死时间取决于ADC转换

6、时间可达到较高分辨率目前LSB：1ps~20ps容易受环境温度和外界干扰影响影响时间测量精度的主要因素：恒流源的稳定性、充电电容的线性、电路噪声（特别是积分环节上的噪声），及后续ADC电路的特性2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬15简单起停型TAC工作波形图（1）正常工作2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬16起停型TAC工作波形图（2）有起无停/超出动态范围先停后起2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬17差分电流积分TAC工作原理2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬18差分电流积分TAC工作波形2011-04-20中

7、国科学技术大学快电子实验室刘树彬19时幅变换的性能指标及测量时间测量精度积分非线性微分非线性2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬20Wilkinson型TDC（双斜率型TDC）2011-04-20中国科学技术大学快电子实验室刘树彬21直接时间数字变换（计数器型）易于实现异步计数器同步计数器格雷码计数器容易得到大的动态范围增加一个触发器即扩大一倍动态范围精度不易提高1GHz时钟频率LS