En la instrumentación electrónica y el procesamiento de señales , un convertidor de tiempo a digital ( TDC ) es un dispositivo para reconocer eventos y proporcionar una representación digital de la hora en que ocurrieron. Por ejemplo, un TDC puede generar la hora de llegada de cada pulso entrante. Algunas aplicaciones desean medir el intervalo de tiempo entre dos eventos en lugar de una noción de tiempo absoluto.
En electrónica , los convertidores de tiempo a digital (TDC) o digitalizadores de tiempo son dispositivos que se utilizan comúnmente para medir un intervalo de tiempo y convertirlo en una salida digital (binaria). En algunos casos [1] los TDC de interpolación también se denominan contadores de tiempo (TC).
Los TDC se utilizan para determinar el intervalo de tiempo entre dos pulsos de señal (conocido como pulso de inicio y parada). La medición se inicia y se detiene cuando el flanco ascendente o descendente de un pulso de señal cruza un umbral establecido. Este patrón se ve en muchos experimentos físicos, como mediciones de tiempo de vuelo y vida útil en física atómica y de alta energía , experimentos que involucran alcance láser e investigación electrónica que involucra la prueba de circuitos integrados y transferencia de datos a alta velocidad. [1]
Solicitud
Los TDC se utilizan en aplicaciones donde los eventos de medición ocurren con poca frecuencia, como los experimentos de física de alta energía , donde la gran cantidad de canales de datos en la mayoría de los detectores asegura que cada canal se excitará con poca frecuencia por partículas como electrones, fotones e iones.
Medida aproximada
Si la resolución de tiempo requerida no es alta, se pueden usar contadores para realizar la conversión.
Contador básico
En su implementación más simple, un TDC es simplemente un contador de alta frecuencia que incrementa cada ciclo de reloj. El contenido actual del contador representa la hora actual. Cuando ocurre un evento, el valor del contador se captura en un registro de salida.
En ese enfoque, la medición es un número entero de ciclos de reloj, por lo que la medición se cuantifica a un período de reloj. Para obtener una resolución más fina, se necesita un reloj más rápido. La precisión de la medición depende de la estabilidad de la frecuencia del reloj.
Normalmente, un TDC utiliza una frecuencia de referencia de oscilador de cristal para una buena estabilidad a largo plazo. Los osciladores de cristal de alta estabilidad suelen tener una frecuencia relativamente baja, como 10 MHz (o resolución de 100 ns). [2] Para obtener una mejor resolución, se puede utilizar un multiplicador de frecuencia de bucle con bloqueo de fase para generar un reloj más rápido. Se podría, por ejemplo, multiplicar el oscilador de referencia de cristal por 100 para obtener una frecuencia de reloj de 1 GHz (resolución de 1 ns).
Tecnología de contador
Las altas velocidades de reloj imponen restricciones de diseño adicionales al contador: si el período del reloj es corto, es difícil actualizar el conteo. Los contadores binarios, por ejemplo, necesitan una arquitectura de transporte rápido porque esencialmente agregan uno al valor del contador anterior. Una solución es utilizar una arquitectura de mostrador híbrida. Un contador de Johnson , por ejemplo, es un contador rápido no binario. Se puede utilizar para contar muy rápidamente el recuento de pedidos inferiores; se puede utilizar un contador binario más convencional para acumular el recuento de orden superior. En ocasiones, el contador rápido se denomina preescalador .
La velocidad de los contadores fabricados en tecnología CMOS está limitada por la capacitancia entre la puerta y el canal y por la resistencia del canal y las trazas de señal. El producto de ambos es la frecuencia de corte. La tecnología de chips moderna permite que se inserten en el chip múltiples capas de metal y, por lo tanto, bobinas con un gran número de devanados. Esto permite que los diseñadores alcancen el pico del dispositivo para una frecuencia específica , que puede estar por encima de la frecuencia de corte del transistor original. [ cita requerida ]
Una variante de pico del contador Johnson es el contador de ondas viajeras que también logra una resolución de subciclo. Otros métodos para lograr una resolución de subciclo incluyen convertidores de analógico a digital y contadores Vernier Johnson . [ cita requerida ]
Medir un intervalo de tiempo
En la mayoría de las situaciones, el usuario no solo desea capturar un momento arbitrario en el que ocurre un evento, sino que desea medir un intervalo de tiempo, el tiempo entre un evento de inicio y un evento de parada.
Eso se puede hacer midiendo un tiempo arbitrario tanto los eventos de inicio como de parada y restando. La medición puede estar desfasada en dos conteos.
La resta se puede evitar si el contador se mantiene en cero hasta el evento de inicio, cuenta durante el intervalo y luego deja de contar después del evento de parada.
Los contadores aproximados se basan en un reloj de referencia con señales generadas a una frecuencia estable . [1] Cuando se detecta la señal de inicio, el contador comienza a contar las señales de reloj y termina el conteo después de que se detecta la señal de parada. El intervalo de tiempo entre el inicio y la parada es entonces
con , el número de conteos y , el período del reloj de referencia .
Contador estadístico
Dado que las señales de inicio, parada y reloj son asíncronas, existe una distribución de probabilidad uniforme de los tiempos de las señales de inicio y parada entre dos pulsos de reloj subsiguientes. Esta desafinación de la señal de inicio y parada de los pulsos de reloj se denomina error de cuantificación .
Para una serie de mediciones en el mismo intervalo de tiempo constante y asincrónico, se miden dos números diferentes de pulsos de reloj contados. y (ver foto). Estos ocurren con probabilidades
con la parte fraccionaria de. El valor para el intervalo de tiempo se obtiene luego por
Medir un intervalo de tiempo usando un contador aproximado con el método de promediado descrito anteriormente es relativamente lento debido a las muchas repeticiones que se necesitan para determinar las probabilidades. y . En comparación con los otros métodos descritos más adelante, un contador aproximado tiene una resolución muy limitada (1ns en el caso de un reloj de referencia de 1 GHz ), pero satisface su rango de medición teóricamente ilimitado.
Medida fina
En contraste con el contador aproximado de la sección anterior, aquí se presentan métodos de medición fina con mucha mejor precisión pero un rango de medición mucho más pequeño. [1] Se están examinando métodos analógicos como el estiramiento del intervalo de tiempo o la doble conversión, así como los métodos digitales , como las líneas de retardo con tapping y el método Vernier. Aunque los métodos analógicos aún obtienen mejores precisiones, la medición de intervalo de tiempo digital a menudo se prefiere debido a su flexibilidad en la tecnología de circuitos integrados y su robustez frente a perturbaciones externas como cambios de temperatura.
La precisión de la implementación del contador está limitada por la frecuencia del reloj. Si el tiempo se mide por recuentos completos, entonces la resolución se limita al período del reloj. Por ejemplo, un reloj de 10 MHz tiene una resolución de 100 ns. Para obtener una resolución más fina que un período de reloj, existen circuitos de interpolación de tiempo. [3] Estos circuitos miden la fracción de un período de reloj: es decir, el tiempo entre un evento de reloj y el evento que se mide. Los circuitos de interpolación a menudo requieren una cantidad significativa de tiempo para realizar su función; en consecuencia, el TDC necesita un intervalo de silencio antes de la siguiente medición.
Interpolador de rampa
Cuando no es factible contar porque la frecuencia del reloj sería demasiado alta, se pueden utilizar métodos analógicos. Los métodos analógicos se utilizan a menudo para medir intervalos que están entre 10 y 200 ns. [4] Estos métodos suelen utilizar un condensador que se carga durante el intervalo que se mide. [5] [6] [7] [8] Inicialmente, el condensador se descarga a cero voltios. Cuando ocurre el evento de arranque, el capacitor se carga con una corriente constante I 1 ; la corriente constante hace que el voltaje v en el capacitor aumente linealmente con el tiempo. El voltaje ascendente se llama rampa rápida. Cuando ocurre el evento de parada, se detiene la corriente de carga. El voltaje en el capacitor v es directamente proporcional al intervalo de tiempo T y se puede medir con un convertidor analógico-digital (ADC). La resolución de tal sistema está en el rango de 1 a 10 ps. [9]
Aunque se puede utilizar un ADC separado, el paso de ADC a menudo se integra en el interpolador. Se utiliza una segunda corriente constante I 2 para descargar el condensador a una velocidad constante pero mucho más lenta (la rampa lenta). La rampa lenta puede ser 1/1000 de la rampa rápida. Esta descarga efectivamente "estira" el intervalo de tiempo; [10] El condensador tardará 1000 veces más en descargarse a cero voltios. El intervalo extendido se puede medir con un contador. La medición es similar a la de un convertidor analógico de doble pendiente .
La conversión de doble pendiente puede llevar mucho tiempo: mil o más tics de reloj en el esquema descrito anteriormente. Eso limita la frecuencia con la que se puede realizar una medición (tiempo muerto). La resolución de 1 ps con un reloj de 100 MHz (10 ns) requiere una relación de estiramiento de 10,000 e implica un tiempo de conversión de 150 μs. [10] Para reducir el tiempo de conversión, el circuito interpolador se puede utilizar dos veces en una técnica de interpolador residual . [10] La rampa rápida se utiliza inicialmente como se indicó anteriormente para determinar el tiempo. La rampa lenta está solo en 1/100. La rampa lenta cruzará cero en algún momento durante el período del reloj. Cuando la rampa cruza cero, la rampa rápida se activa nuevamente para medir el tiempo de cruce ( t residual ). En consecuencia, el tiempo se puede determinar en 1 parte en 10,000.
Los interpoladores se utilizan a menudo con un reloj de sistema estable. El evento de inicio es asincrónico, pero el evento de parada es un reloj de seguimiento. [6] [8] Por conveniencia, imagine que la rampa rápida aumenta exactamente 1 voltio durante un período de reloj de 100 ns. Suponga que el evento de inicio ocurre a 67,3 ns después de un pulso de reloj; el integrador de rampa rápida se activa y comienza a subir. El evento de inicio asincrónico también se enruta a través de un sincronizador que toma al menos dos pulsos de reloj. En el siguiente pulso de reloj, la rampa ha subido a 0,327 V. En el segundo pulso de reloj, la rampa ha subido a 1,327 V y el sincronizador informa que se ha visto el evento de inicio. La rampa rápida se detiene y comienza la rampa lenta. La salida del sincronizador se puede utilizar para capturar la hora del sistema de un contador. Después de 1327 relojes, la rampa lenta vuelve a su punto de partida y el interpolador sabe que el evento ocurrió 132,7 ns antes de que informara el sincronizador.
En realidad, el interpolador está más involucrado porque hay problemas con el sincronizador y la conmutación de corriente no es instantánea. [11] Además, el interpolador debe calibrar la altura de la rampa a un período de reloj. [12]
Vernier
Interpolador Vernier
El método de nonio es más complicado. [13] El método involucra un oscilador disparable [14] y un circuito de coincidencia. En el evento, se almacena el contador de reloj entero y se inicia el oscilador. El oscilador disparado tiene una frecuencia ligeramente diferente a la del oscilador de reloj. En aras del argumento, digamos que el oscilador activado tiene un período que es 1 ns más rápido que el reloj. Si el evento ocurrió 67 ns después del último reloj, entonces la transición del oscilador disparada se deslizará -1 ns después de cada pulso de reloj subsiguiente. El oscilador disparado estará a 66 ns después del siguiente reloj, a 65 ns después del segundo reloj, y así sucesivamente. Un detector de coincidencia busca cuando el oscilador disparado y el reloj cambian al mismo tiempo, y eso indica la fracción de tiempo que debe agregarse.
El diseño del interpolador es más complicado. El reloj activable debe calibrarse al reloj. También debe comenzar de forma rápida y limpia.
Método Vernier
El método Vernier es una versión digital del método de estiramiento del tiempo. Dos osciladores ligeramente desafinados (con frecuencias y ) inician sus señales con la llegada de la salida y la señal de parada. Tan pronto como los bordes anteriores de las señales del oscilador coincidan, la medición finaliza y el número de períodos de los osciladores ( y respectivamente) conducen al intervalo de tiempo original :
Dado que los osciladores altamente confiables con frecuencia estable y precisa siguen siendo un gran desafío, uno también se da cuenta del método a vernier a través de dos líneas de retardo con derivaciones utilizando dos tiempos de retardo de celda ligeramente diferentes.. Esta configuración se denomina línea de retardo diferencial o línea de retardo a vernier .
En el ejemplo presentado aquí, la primera línea de retardo afiliada a la señal de inicio contiene celdas de flip-flops D con retardoque inicialmente están configurados como transparentes. Durante la transición de la señal de inicio a través de una de esas celdas, la señal se retrasa pory el estado del flip-flop se muestrea como transparente. La segunda línea de retardo perteneciente a la señal de parada está compuesta por una serie de búferes no inversores con retardo. Al propagarse a través de su canal, la señal de parada bloquea los flip-flops de la línea de retardo de la señal de inicio. Tan pronto como la señal de parada pasa la señal de inicio, esta última se detiene y todos los flip-flops sobrantes se muestrean opacos. De manera análoga al caso anterior de los osciladores, el intervalo de tiempo deseado es entonces
con n el número de celdas marcadas como transparentes.
Línea de retardo tocada
En general, una línea de retardo pulsada contiene varias celdas con tiempos de retardo bien definidos.. Al propagarse a través de esta línea, la señal de inicio se retrasa. El estado de la línea se muestrea en el momento de la llegada de la señal de parada. Esto se puede realizar, por ejemplo, con una línea de celdas D-flip-flop con un tiempo de retardo. La señal de inicio se propaga a través de esta línea de flip-flops transparentes y se retrasa en un cierto número de ellos. La salida de cada flip-flop se muestrea sobre la marcha. La señal de parada bloquea todos los flip-flops mientras se propaga a través de su canal sin retardo y la señal de inicio no puede propagarse más. Ahora, el intervalo de tiempo entre la señal de inicio y parada es proporcional al número de flip-flops que se muestrearon como transparentes.
Medición híbrida
Los contadores pueden medir intervalos largos pero tienen una resolución limitada. Los interpoladores tienen alta resolución pero no pueden medir intervalos largos. Un enfoque híbrido puede lograr intervalos largos y alta resolución. [1] El intervalo largo se puede medir con un contador. La información del contador se complementa con dos interpoladores de tiempo: un interpolador mide el intervalo (corto) entre el evento de inicio y un evento de reloj siguiente, y el segundo interpolador mide el intervalo entre el evento de parada y un evento de reloj siguiente. La idea básica tiene algunas complicaciones: los eventos de inicio y parada son asincrónicos y uno o ambos pueden ocurrir cerca de un pulso de reloj. El contador y los interpoladores deben estar de acuerdo en hacer coincidir los eventos del reloj de inicio y finalización. Para lograr ese objetivo, se utilizan sincronizadores.
El enfoque híbrido común es el método Nutt . [15] En este ejemplo, el circuito de medición fina mide el tiempo entre el pulso de inicio y parada y el respectivo segundo pulso de reloj más cercano del contador grueso ( T inicio , T parada ), detectado por el sincronizador (ver figura). Por tanto, el intervalo de tiempo deseado es
con n el número de pulsos de reloj del contador y T 0 el período del contador aproximado.
Historia
La medición del tiempo ha jugado un papel crucial en la comprensión de la naturaleza desde los tiempos más remotos. Comenzando con relojes impulsados por el sol, la arena o el agua , podemos usar relojes hoy en día, basados en los resonadores de cesio más precisos .
El primer predecesor directo de un TDC fue inventado en el año 1942 por Bruno Rossi para la medición de la vida útil de los muones . [16] Fue diseñado como un convertidor de tiempo a amplitud , cargando constantemente un capacitor durante el intervalo de tiempo medido. El voltaje correspondiente es directamente proporcional al intervalo de tiempo que se examina.
Si bien los conceptos básicos (como los métodos de Vernier ( Pierre Vernier 1584-1638) y el estiramiento del tiempo) de dividir el tiempo en intervalos medibles aún están actualizados, la implementación cambió mucho durante los últimos 50 años. Comenzando con los tubos de vacío y los transformadores de núcleo de ferrita, esas ideas se implementan en el diseño de semiconductores de óxido metálico complementario ( CMOS ) en la actualidad. [17]
Errores
- Alguna información de [1]
Incluso con respecto a los métodos de medición precisos presentados, todavía hay errores que uno puede desear eliminar o al menos considerar. Las no linealidades de la conversión de tiempo a digital, por ejemplo, pueden identificarse tomando un gran número de mediciones de una fuente distribuida de Poisson (prueba de densidad de código estadístico). [18] Pequeñas desviaciones de la distribución uniforme revelan las no linealidades. De manera inconveniente, el método de densidad de código estadístico es bastante sensible a los cambios de temperatura externos. Por lo tanto, se recomiendan circuitos de retardo estabilizador o de bucle de bloqueo de fase (DLL o PLL).
De manera similar, se pueden eliminar los errores de compensación (lecturas distintas de cero en T = 0).
Para intervalos de tiempo largos, el error debido a inestabilidades en el reloj de referencia ( jitter ) juega un papel importante. Por lo tanto, se necesitan relojes de calidad superior para dichos TDC.
Además, las fuentes de ruido externas se pueden eliminar en el posprocesamiento mediante métodos de estimación robustos . [19]
Configuraciones
Los TDC se construyen actualmente como dispositivos de medición independientes en experimentos físicos o como componentes del sistema como tarjetas PCI. Pueden estar formados por circuitos discretos o integrados.
El diseño del circuito cambia con el propósito del TDC, que puede ser una muy buena solución para los TDC de disparo único con tiempos muertos prolongados o alguna compensación entre el tiempo muerto y la resolución para los TDC de disparo múltiple.
Generador de retardo
El convertidor de tiempo a digital mide el tiempo entre un evento de inicio y un evento de parada. También hay un convertidor de tiempo digital a tiempo o un generador de retardo . El generador de retardo convierte un número en un retardo de tiempo. Cuando el generador de retardo recibe un pulso de inicio en su entrada, emite un pulso de parada después del retardo especificado. Las arquitecturas para TDC y generadores de retardo son similares. Ambos usan contadores para retrasos largos y estables. Ambos deben considerar el problema de los errores de cuantificación del reloj.
Por ejemplo, Tektronix 7D11 Digital Delay usa una arquitectura de contador. [20] Se puede establecer un retardo digital de 100 ns a 1 s en incrementos de 100 ns. Un circuito analógico proporciona un retardo fino adicional de 0 a 100 ns. Un reloj de referencia de 5 MHz impulsa un bucle de bloqueo de fase para producir un reloj estable de 500 MHz. Es este reloj rápido el que está activado por el evento de inicio (con retraso fino) y determina el error de cuantificación principal. El reloj rápido se divide en 10 MHz y se envía al contador principal. [21] El error de cuantificación del instrumento depende principalmente del reloj de 500 MHz (pasos de 2 ns), pero también entran otros errores; se especifica que el instrumento tiene 2,2 ns de fluctuación . El tiempo de reciclaje es de 575 ns.
Así como un TDC puede usar la interpolación para obtener una resolución más fina que la de un período de reloj, un generador de retardo puede usar técnicas similares. El sintetizador de tiempo de alta resolución Hewlett-Packard 5359A proporciona retardos de 0 a 160 ms, tiene una precisión de 1 ns y alcanza una fluctuación típica de 100 ps. [22] El diseño utiliza un oscilador de bloqueo de fase activado que funciona a 200 MHz. La interpolación se realiza con una rampa, un convertidor de digital a analógico de 8 bits y un comparador. La resolución es de unos 45 ps.
Cuando se recibe el pulso de inicio, entonces cuenta hacia atrás y emite un pulso de parada. Para un jitter bajo, el contador síncrono tiene que alimentar un indicador de cero desde el bit más significativo hasta el bit menos significativo y luego combinarlo con la salida del contador Johnson.
Se podría usar un convertidor de digital a analógico (DAC) para lograr una resolución de subciclo, pero es más fácil usar contadores Vernier Johnson o contadores Johnson de onda viajera.
El generador de retardo se puede utilizar para la modulación de ancho de pulso , por ejemplo, para impulsar un MOSFET para cargar una celda de Pockels dentro de 8 ns con una carga específica.
La salida de un generador de retardo puede generar un convertidor de digital a analógico y, por lo tanto, se pueden generar pulsos de altura variable. Esto permite igualar los niveles bajos que necesita la electrónica analógica, niveles más altos para ECL e incluso niveles más altos para TTL . Si se activa una serie de DAC en secuencia, se pueden generar formas de pulso variables para tener en cuenta cualquier función de transferencia.
Ver también
- Frecuencia de muestreo
- Multivibrador
- LIDAR
- Tiempo de vuelo
Referencias
- ^ a b c d e f Kalisz, Józef (febrero de 2004), "Revisión de métodos para mediciones de intervalos de tiempo con resolución de picosegundos", Metrologia , Institute of Physics Publishing, 41 (1): 17–32, Bibcode : 2004Metro..41 ... 17K , doi : 10.1088 / 0026-1394 / 41/1/004
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- ^ Tiempo y frecuencia de la A a la Z , Instituto Nacional de Estándares y Tecnología,
por ejemplo, multiplicar la frecuencia base de tiempo a 100 MHz hace posible una resolución de 10 ns, e incluso se han construido contadores de 1 ns utilizando una base de tiempo de 1 GHz. Sin embargo, una forma más común de aumentar la resolución es detectar partes de un ciclo de base de tiempo a través de la interpolación y no estar limitado por el número de ciclos completos. La interpolación ha hecho que las TIC de 1 ns sean algo común, e incluso están disponibles las TIC de 20 picosegundos.
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- ^ Kalisz 2004 , p. 20. Kalisz afirma que Stanford Research Systems SR620 utiliza este método.
- ↑ a b c Eskeldson, Kellum y Whiteman 1993 , p. 27 que dice: "Efectivamente, el interpolador magnifica la interpolación o el intervalo de incertidumbre por la relación de las corrientes de carga y descarga".
- ^ Eskeldson, Kellum y Whiteman 1993 , p. 27
- ^ Sasaki y Jensen 1980 , p. 23 afirmando: "En la práctica, las fuentes de corriente y otros circuitos utilizados para construir los interpoladores están sujetos a variaciones operativas a lo largo de la temperatura y el tiempo. Los interpoladores del 5360A estaban en una cavidad aislada especial y tenían varios ajustes. El 5335A usa una técnica de autocalibración que no se ve afectado por la temperatura y no necesita ajustes ".
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enlaces externos
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- CMOS de onda viajera
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