CN114114885A - 一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 - Google Patents
一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114114885A CN114114885A CN202111280829.8A CN202111280829A CN114114885A CN 114114885 A CN114114885 A CN 114114885A CN 202111280829 A CN202111280829 A CN 202111280829A CN 114114885 A CN114114885 A CN 114114885A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- delay
- time
- tot
- error
- trigger signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000013139 quantization Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 25
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 6
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
- G04F10/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means
- G04F10/04—Apparatus for measuring unknown time intervals by electric means by counting pulses or half-cycles of an ac
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Unknown Time Intervals (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，包括探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器和时间细量化电路模块；所述时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成；探测器产生电荷脉冲；前置放大器对电荷脉冲放大处理后的输出在鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后，输出数字触发信号作为TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，同时TOA计数器停止对时钟信号的持续计数；时间细量化电路模块通过细量化测量来提高时间分辨率，设置合理的延时单元个数以及延时，可以在不提高工作时钟频率的条件下将时间精度提高。本发明在不引入PLL生成更高时钟频率的条件下显著提高了读出电路的时间精度，简化了设计的复杂性。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高精度时间测量前端读出电路。
背景技术
在X射线成像以及粒子轨迹重建等辐射探测***中，基于TOT模式的前端读出电路被普遍采用。TOT读出模式可以同时获得入射粒子的时间和能量信息，传统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路主要由以下部分组成：探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器，如图1所示。其工作原理是：入射粒子与探测器相互作用后，在偏置电压V_bias作用下产生电荷脉冲，前置放大器对电荷脉冲放大处理后输出幅度与入射粒子能量成正比的信号，前置放大器的输出在鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后输出一定脉冲宽度的数字触发信号，该触发信号作为TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，而TOA计数器在检测到触发信号的上升沿时停止对时钟信号的持续计数。由于前置放大器的输出信号上升时间很短，而下降时间与信号幅度成比例关系，所以触发信号的前沿可以用来标记入射粒子的到达时间，而触发信号的宽度可以用来测量入射粒子的能量。
文献【1】“X.Llopart,R.Ballabriga,M.Campbell,L.Tlustos,W.Wong,"Timepix,a65k programmable pixel readout chip for arrival time,energy and/or photoncounting measurements"，Nuclear Inst.andMethods in Physics Research,A,Vol.581,pp 485-494,2007.”采用入射粒子到达时间的测量采用图1所示的读出结构，它的时序图如图2所示。
由图2可知，当前置放大器的输出高于阈值VTH时，鉴别器输出一定宽度的触发信号，TOT对触发信号宽度范围内的时钟信号进行计数，当检测到触发信号的上升沿后，TOA计数器在下一个时钟上升沿停止计数。所以入射粒子的能量Qin和到达时间Tarrival表示为：
Qin＝NTOT·TClk·kTOT (1)
Tarrival＝(NTOA_stop-NTOA_start)·TClk-terror (2)
其中NTOT为TOT计数器的值，TClk为时钟周期，kTOT为时间能量转换系数，NTOA_stop为TOA计数器停止计数时的值，NTOA_start为TOA计数器初始计数值，terror为触发信号上升沿和TOA计数器停止计数时的时钟上升沿的时间差。
由图2及公式(2)可知，采用传统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路的时间分辨率为terror，terror的最大值为TClk，文献【1】电路的时钟频率为100MHz，这使得其时间分辨率限制在10ns。为了使图1结构的时间分辨率达到1ns，则时钟频率需要为1GHz，这样高频率的时钟只能通过片内PLL来生成，这增加了设计的复杂性，同时为了保证计数器不会计满溢出，计数器的位数也将随时钟频率的增加而增加。另一种提高图1结构时间分辨率的方法是采用更高的时钟频率对terror进行细量化测量，这种方法也涉及PLL的设计，同时也需要额外的计数器对terror的宽度进行测量。由于传统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路的时间分辨率受限于工作时钟频率，且通过提高时钟频率来提高时间分辨率的方法会增加设计难度，因此需要一种新的提高时间分辨率的读出电路结构来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，包括探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器和时间细量化电路模块；所述时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成；探测器产生电荷脉冲；前置放大器对电荷脉冲放大处理后的输出在鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后，输出数字触发信号作为TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，同时TOA计数器停止对时钟信号的持续计数；时间细量化电路模块通过细量化测量来提高时间分辨率，设置合理的延时单元个数以及延时，可以在不提高工作时钟频率的条件下将时间精度提高。本发明在不引入PLL生成更高时钟频率的条件下显著提高了读出电路的时间精度，简化了设计的复杂性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，包括探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器和时间细量化电路模块；所述时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成；
当入射粒子与所述探测器相互作用后，在偏置电压V_bias作用下产生电荷脉冲；所述前置放大器对电荷脉冲放大处理后输出幅度与入射粒子能量成正比的信号，前置放大器的输出在所述鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后，鉴别器输出一定脉冲宽度的数字触发信号，该触发信号作为所述TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，所述TOA计数器在检测到触发信号的上升沿时停止对时钟信号的持续计数；所述数字触发信号输入第一个延时单元，第一个延时单元的输出作为第二个延时单元的输入，同时第一个延时单元的输出与时钟信号一起作为第一个寄存器的输入；所述第二个延时单元的输出作为第三个延时单元的输入，同时第二个延时单元的输出与时钟信号一起作为第二个寄存器的输入；以此类推直至第n个延时单元和第n个寄存器；
所述时间细量化电路模块中延时单元总的最大延时tdelay_total由辐射探测***的工作时钟频率确定，即一个时钟周期；延迟单元和寄存器的个数n由辐射探测***的时间精度Δt确定，即n＝tdelay_total/Δt；延时单元的延时tdelay由式(3)表示：
进一步地，当鉴别器输出有效的触发信号后，时间细量化电路模块对触发信号进行n次延时，如果在每次延时后的触发信号在下一个时钟上升沿处于高电平，则对应的寄存器值置高电平；反之，第m次延时后触发信号在下一个时钟上升沿处于低电平时，相应的寄存器值置低电平；由此，terror的细量化表达式为：
terror＝(m-1)·tdelay+terror_delay (4)
其中，1≤m≤n，terror_delay为时间细量化模块的量化误差，terror_delay的最大值为tdelay；
则粒子到达时间Tarrival′表达为：
Tarrival′＝(NTOA_stop-NTOA_start)·TClk-(m-1)·tdelay-terror_delay (5)
因为terror_delay的最大值为tdelay，所以前端读出电路的时间精度为tdelay。
进一步地，n＝10。
本发明的有益效果如下：
与传统的基于TOT模式的时间测量前端读出电路相比，本发明的电路增加了时间细量化电路模块，时间细量化电路模块通过对terror进行细量化测量来提高时间分辨率，根据时间精度的设计要求，设置合理的延时单元个数n以及延时单元的延时tdelay，可以在不提高工作时钟频率的条件下将时间精度提高到tdelay。
附图说明
图1是传统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路。
图2是基于传统TOT模式的粒子到达时间测量时序图。
图3是本发明提出的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路。
图4是本发明提出的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路时序图。
图5本发明实施例的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路的仿真结果；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明涉及一种新型的基于TOT模式的时间测量前端读出电路结构，尤其涉及时间精度受***工作时钟频率限制的前端读出电路结构，适用于X射线成像以及粒子轨迹重建等辐射探测***的前端读出专用集成电路。
本发明的目的是，提出一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路结构，克服传统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路的时间分辨率受限于工作时钟频率的问题，从而显著提高基于TOT模式的时间测量前端读出电路的时间分辨率。
本发明提出了一种新型的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路结构，通过增加了由延时单元和寄存器组成的时间细量化电路模块，解决了统的基于TOT模式的粒子到达时间测量前端电路的时间分辨率受限于工作时钟频率的问题，在不引入PLL生成更高时钟频率的条件下显著提高了读出电路的时间精度，简化了设计的复杂性。
一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，包括探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器和时间细量化电路模块；所述时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成；
当入射粒子与所述探测器相互作用后，在偏置电压V_bias作用下产生电荷脉冲；所述前置放大器对电荷脉冲放大处理后输出幅度与入射粒子能量成正比的信号，前置放大器的输出在所述鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后，鉴别器输出一定脉冲宽度的数字触发信号，该触发信号作为所述TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，所述TOA计数器在检测到触发信号的上升沿时停止对时钟信号的持续计数；所述数字触发信号输入第一个延时单元，第一个延时单元的输出作为第二个延时单元的输入，同时第一个延时单元的输出与时钟信号一起作为第一个寄存器的输入；所述第二个延时单元的输出作为第三个延时单元的输入，同时第二个延时单元的输出与时钟信号一起作为第二个寄存器的输入；以此类推直至第n个延时单元和第n个寄存器；
本发明提出的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路结构如图3所示，在图1的基础上加入了时间细量化电路模块。时间细量化电路模块通过对图2中的terror进行细量化测量来提高时间分辨率，该时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成，不需要更高的时钟频率，从而避免了PLL电路的引入，简化了设计。
所述时间细量化电路模块中延时单元总的最大延时tdelay_total由辐射探测***的工作时钟频率确定，即一个时钟周期；延迟单元和寄存器的个数n由辐射探测***的时间精度Δt确定，即n＝tdelay_total/Δt；延时单元的延时tdelay由式(3)表示：
本发明的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路结构中的时间细量化电路的时序图如图4所示。当鉴别器输出有效的触发信号后，时间细量化电路模块对触发信号进行n次延时，如果在每次延时后的触发信号在下一个时钟上升沿处于高电平，则对应的寄存器值置高电平；反之，第m次延时后触发信号在下一个时钟上升沿处于低电平时，相应的寄存器值置低电平；由此，terror的细量化表达式为：
terror＝(m-1)·tdelay+terror_delay (4)
其中，1≤m≤n，terror_delay为时间细量化模块的量化误差，terror_delay的最大值为tdelay；
则粒子到达时间Tarrival′表达为：
Tarrival′＝(NTOA_stop-NTOA_start)·TClk-(m-1)·tdelay-terror_delay (5)
因为terror_delay的最大值为tdelay，所以前端读出电路的时间精度为tdelay。时间精度相比于文献[1]有很明显的提高，且本发明电路结构的时间精度提高不受限于工作时钟频率。
具体实施例：
本发明的基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路的仿真结果如图5所示，纵坐标表示时间测量误差，横坐标表示入射粒子。工作时钟频率为100MHz，延时单元的个数n为10，延时单元的延时tdelay为1ns。由图5可知，对10个间隔小于1ns的电流脉冲信号进行达到时间进行仿真，文献【1】电路的时间分辨率为10ns，而本发明电路的时间分辨率为1ns，相比于文献【1】，本发明的时间分辨率提高了10倍，极大的改善了基于TOT模式的时间测量前端读出电路的时间精度。
Claims (3)
1.一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，其特征在于，包括探测器、前置放大器、鉴别器、TOT计数器、TOA计数器和时间细量化电路模块；所述时间细量化电路模块由n个延时单元和n个寄存器组成；
当入射粒子与所述探测器相互作用后，在偏置电压V_bias作用下产生电荷脉冲；所述前置放大器对电荷脉冲放大处理后输出幅度与入射粒子能量成正比的信号，前置放大器的输出在所述鉴别器输入端与阈值电压VTH进行比较后，鉴别器输出一定脉冲宽度的数字触发信号，该触发信号作为所述TOT计数器的门控信号对时钟Clk进行计数，所述TOA计数器在检测到触发信号的上升沿时停止对时钟信号的持续计数；所述数字触发信号输入第一个延时单元，第一个延时单元的输出作为第二个延时单元的输入，同时第一个延时单元的输出与时钟信号一起作为第一个寄存器的输入；所述第二个延时单元的输出作为第三个延时单元的输入，同时第二个延时单元的输出与时钟信号一起作为第二个寄存器的输入；以此类推直至第n个延时单元和第n个寄存器；
所述时间细量化电路模块中延时单元总的最大延时tdelay_total由辐射探测***的工作时钟频率确定，即一个时钟周期；延迟单元和寄存器的个数n由辐射探测***的时间精度Δt确定，即n＝tdelay_total/Δt；延时单元的延时tdelay由式(3)表示：
2.根据权利要求1所述的一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，其特征在于，当鉴别器输出有效的触发信号后，时间细量化电路模块对触发信号进行n次延时，如果在每次延时后的触发信号在下一个时钟上升沿处于高电平，则对应的寄存器值置高电平；反之，第m次延时后触发信号在下一个时钟上升沿处于低电平时，相应的寄存器值置低电平；由此，terror的细量化表达式为：
terror＝(m-1)·tdelay+terror_delay (4)
其中，1≤m≤n,terror_delay为时间细量化模块的量化误差，terror_delay的最大值为tdelay；
则粒子到达时间Tarrival′表达为：
Tarrival′＝(NTOA_stop-NTOA_start)·TClk-(m-1)·tdelay-terror_delay (5)
因为terror_delay的最大值为tdelay，所以前端读出电路的时间精度为tdelay。
3.根据权利要求1所述的一种基于TOT模式的高精度时间测量前端读出电路，其特征在于，n＝10。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111280829.8A CN114114885A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111280829.8A CN114114885A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114114885A true CN114114885A (zh) | 2022-03-01 |
Family
ID=80380018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111280829.8A Pending CN114114885A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114114885A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116827314A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-09-29 | 成都电科星拓科技有限公司 | 一种高精度数字检沿电路及时钟周期量化方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001124813A (ja) * | 1999-10-27 | 2001-05-11 | Nec Ic Microcomput Syst Ltd | クロックデューティ検査回路およびクロックデューティ検査が可能なマイクロコンピュータ |
| CN102073268A (zh) * | 2009-11-24 | 2011-05-25 | 华东光电集成器件研究所 | 一种高精度脉冲时间间隔测量电路 |
| CN102141772A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-08-03 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法 |
| CN102882527A (zh) * | 2011-07-11 | 2013-01-16 | 山东欧龙电子科技有限公司 | 时间数字转换器及时间数字转换方法 |
| CN108599743A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-09-28 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种基于相位补偿的精密数字延时同步方法 |
-
2021
- 2021-11-01 CN CN202111280829.8A patent/CN114114885A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001124813A (ja) * | 1999-10-27 | 2001-05-11 | Nec Ic Microcomput Syst Ltd | クロックデューティ検査回路およびクロックデューティ検査が可能なマイクロコンピュータ |
| CN102073268A (zh) * | 2009-11-24 | 2011-05-25 | 华东光电集成器件研究所 | 一种高精度脉冲时间间隔测量电路 |
| CN102141772A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-08-03 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法 |
| CN102882527A (zh) * | 2011-07-11 | 2013-01-16 | 山东欧龙电子科技有限公司 | 时间数字转换器及时间数字转换方法 |
| CN108599743A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-09-28 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种基于相位补偿的精密数字延时同步方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 王伟明等: "高精度延时电路在激光测距仪器检测中的应用研究", 《光电子技术》 * |
| 蔡红霞等: "基于FPGA脉冲激光测距高精度时间间隔的测量", 《计算机与数字工程》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116827314A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-09-29 | 成都电科星拓科技有限公司 | 一种高精度数字检沿电路及时钟周期量化方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI373621B (en) | Device for jitter measurement and method thereof | |
| Stricker-Shaver et al. | Novel calibration method for switched capacitor arrays enables time measurements with sub-picosecond resolution | |
| Deng et al. | Development of an eight-channel time-based readout ASIC for PET applications | |
| US10416295B2 (en) | Interpolation measurement of the arrival time and/or amplitude of a digitized electronic pulse | |
| AU2006202661B2 (en) | High resolution time interval measurement apparatus and method | |
| CN106443184B (zh) | 一种相位检测装置及相位检测方法 | |
| CN105301627A (zh) | 一种能谱分析方法、能谱分析***及伽马射线探测*** | |
| Zhang et al. | A low-power time-to-digital converter for the CMS endcap timing layer (ETL) upgrade | |
| Chen et al. | MuTRiG: a mixed signal Silicon Photomultiplier readout ASIC with high timing resolution and gigabit data link | |
| CN114114885A (zh) | 一种基于tot模式的高精度时间测量前端读出电路 | |
| CN113092858A (zh) | 一种基于时频信息测量的高精度频标比对***及比对方法 | |
| CN108736885B (zh) | 锁相环时钟边沿触发的时钟分相法 | |
| Muntean et al. | Blumino: The first fully integrated analog SiPM with on-chip time conversion | |
| CN105141294A (zh) | 双预置甄别门控型恒比定时甄别器及数字恒比定时甄别方法 | |
| Musrock et al. | Performance characteristics of a new generation of processing circuits for PET applications | |
| CZ20032393A3 (cs) | Zařízení pro měření časových intervalů | |
| Martin et al. | The 5ns peaking time transimpedance front end amplifier for the silicon pixel detector in the NA62 Gigatracker | |
| Van Blerkom | Modelling TDC circuit performance for SPAD sensor arrays | |
| Fujita et al. | Test of charge-to-time conversion and multi-hit TDC technique for the BELLE CDC readout | |
| Chen et al. | Multi-channel time-tagging module for fast-timing Resistive Plate Chamber detectors | |
| Andjelkovic et al. | Design of an on-chip system for the SET pulse width measurement | |
| CN105092876A (zh) | 速度传感器抗干扰脉冲计数方法和装置 | |
| Voelker et al. | A low power oscillator based TDC with in-system non-linearity correction | |
| Kluge et al. | An ultra fast 100 ps, 100µm 3D pixel imager | |
| Spieler | Electronics Part II |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220301 |