1 引言

　　空間探測(cè)技術(shù)的日益發(fā)展，帶動(dòng)了等離子成分探測(cè)技術(shù)，在如今的一些深空探測(cè)中，有著越來越重要的地位。飛行時(shí)間法，是空間等離子成分探測(cè)主要的方法，也就是說，通過測(cè)量粒子飛過一定距離所需要的時(shí)間來鑒別粒子成分。

　　在國外，該技術(shù)發(fā)展得已經(jīng)非常成熟了，但在國內(nèi)，還是僅僅起步階段，并且存在很多困難，其中關(guān)鍵的問題就是快電子學(xué)技術(shù)。為了能夠探索出一種測(cè)量這種納秒量級(jí)時(shí)間間隔的方法，首先必須模擬出來這種納秒量級(jí)的時(shí)間信號(hào)，從而找出一種測(cè)量該時(shí)間間隔的方法。本文將主要探討這個(gè)基于飛行時(shí)間法的納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)。

　　2 設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成

　　納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)由三部分組成，CPU模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊，其邏輯框圖如圖1所示。

　　2.1 CPU模塊

　　該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘模塊及配置電路組成。其中主要的部分為FPGA芯片，它是整個(gè)CPU模塊的。

　　CPU模塊的主要功能：

　?。?）模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)。

　　（2）接收時(shí)間間隔測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，將時(shí)間間隔測(cè)量模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部FIFO。

　?。?）FIFO緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸模塊。

　?。?）控制測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序。

　　其中模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)是整個(gè)CPU模塊的，本文選用了Xilinx公司Virtex-2系列的FPGA，利用其內(nèi)部的DCM（數(shù)字時(shí)鐘管理器，DigitalClockManager）模塊將時(shí)鐘信號(hào)倍頻到300MHz左右，通過計(jì)數(shù)的方法來產(chǎn)生起始脈沖和停止脈沖，從而產(chǎn)生納秒量級(jí)的時(shí)間間隔信號(hào)。

　　2.2 時(shí)間間隔測(cè)量模塊

　　時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)，作為整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其性能直接決定了時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的高否。本文選取了德國ACAM公司的時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP1。

　　其性能指標(biāo)如下：

　?、匐p通道，250ps的分辨率或者單通道125ps的分辨率。

　?、诿總€(gè)通道可進(jìn)行四次采樣，排序則可達(dá)8次采樣。

　?、蹆蓚€(gè)通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15ns。

　?、苡袃蓚€(gè)測(cè)量范圍：3ns～7.6μs；60ns～200ms（有前置配器，只使用于單通道）。

　?、蓦p通道的8個(gè)事件可以一個(gè)一個(gè)的任意測(cè)量，沒有時(shí)間間隔限制。

　?、薹直媛收{(diào)整模式：通過軟件對(duì)分辨率進(jìn)行石英準(zhǔn)確性調(diào)整。

　?、哂兴膫€(gè)端口用來測(cè)量電阻、電容和電感。測(cè)量輸入的邊緣靈敏性是可調(diào)的。

　?、嘤行У膬?nèi)置16位運(yùn)算器，測(cè)量結(jié)果可以被校準(zhǔn)或者乘以一個(gè)24位的整數(shù)。

　?、徇\(yùn)算器用于計(jì)算的時(shí)間是獨(dú)立于外部時(shí)鐘的，整個(gè)校準(zhǔn)和乘法的時(shí)間大約為4μs。

　?、鈨?nèi)部多可存儲(chǔ)4個(gè)校準(zhǔn)值或者8個(gè)非校準(zhǔn)測(cè)量值。

　?、闲?zhǔn)和控制時(shí)鐘頻率為500kHz～35MHz（高于100MHZ將用到內(nèi)部的前置配器）。

　?、泄I(yè)溫度范圍為-40～+85℃；工作電壓：2.7～5.5V；低功耗，可用電池驅(qū)動(dòng)。

　　TDC-GPI提供了三種測(cè)量方式供用戶選擇，其具體參數(shù)和時(shí)序邏輯如下：

　　（1）測(cè)量范圍一

　　GP1據(jù)供了兩個(gè)測(cè)量通道；每個(gè)通道的分辨率是250ps，它基本的測(cè)量范圍是15位。兩個(gè)通道具有完全相同的分辨率，共用一個(gè)START信號(hào)和至多四個(gè)獨(dú)立的STOP輸入信號(hào)進(jìn)行比較，時(shí)限為15ns。START和STOP信號(hào)必須持續(xù)2.5ns以上，否則芯片無法辨識(shí)。STOP信號(hào)之間可進(jìn)行相互的比較，無時(shí)限。量程為3ns～7.6μs，兩個(gè)通道可進(jìn)行排序，這樣可使1通道允許8個(gè)脈沖輸入，但通道2的STOP輸入被忽略。圖2為測(cè)量時(shí)序。

　　（2）測(cè)量范圍二

　　為進(jìn)行大量程時(shí)間測(cè)量，芯片引入了一個(gè)16位的前置配器。該模式下芯片只有通道1可用，正常模式下允許4個(gè)脈沖輸入。STOP信號(hào)之間不能相互比較，僅STOP與STSR信號(hào)可進(jìn)行比較。量程60ns～200ms。圖3為測(cè)量時(shí)序。

　　其測(cè)量原理如下：輸入START信號(hào)芯片內(nèi)部迅速測(cè)量出這個(gè)信號(hào)與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差tPC1，之后計(jì)數(shù)器開始工作，得到此前置配器的工作周期數(shù)period。這時(shí)重新激活芯片內(nèi)部測(cè)量單元，測(cè)量出輸入的STOP信號(hào)的個(gè)脈沖上升沿與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差tpc2，tpc3是STOP信號(hào)的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差。tcal1十一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，tcal2是兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。根據(jù)圖6可以得出START信號(hào)與STOP信號(hào)個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為：

　　其中cc表示前置配器的計(jì)數(shù)值。

　　（3）可調(diào)整模式

　　在此模式下兩通道數(shù)值有非常的校準(zhǔn)環(huán)路，可以通過程序中的設(shè)置來調(diào)整，可調(diào)整模式不需要START信號(hào)。因此多只能通過通道1和通道2共引入8個(gè)STOP輸人，此時(shí)任意兩個(gè)STOP信號(hào)均可以進(jìn)行比較，量程為3ns～3.8μs，但芯片耗電量比較大，大約為25mA。其測(cè)量時(shí)序如圖4所示。

　　上述三種測(cè)量方式，各自都有自己的特點(diǎn)，適用于不同的條件，測(cè)量的分辨率也有很大不同。在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)所測(cè)等離子體的能量范圍和通道個(gè)數(shù)以及所要求的分辨率，來具體的選擇適用哪種模式。

　　本文選擇測(cè)量范圍一，具體的寄存器配置如下：Reg0：0x48；Reg1：0x4B；Reg2：0x01；Reg3：0xXX；Reg4：0x40；Reg5：0xXX；Reg6：0x02；Reg7：0x01；Reg8：0x00；Reg9：0x00；Reg10：0x80。

　　2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　該模塊主要包括USB2.0控制器、PC機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)和固件程序等。在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，為了更好地與PC機(jī)通信，并獲得很快的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋K選用USB接口。

　　本文選用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，這是一種帶USB接口的單片機(jī)芯片，雖然采用低價(jià)的8051單片機(jī)，但仍然能獲得很高的速度。通過系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，包括固件、應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　通過試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量出時(shí)間間隔范圍為3.5ns～7.2μs，分辨率能達(dá)到500ps，測(cè)量誤差約為2%（其中時(shí)間間隔越短，誤差越大）部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

　　4 結(jié)語

　　通過實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍為3.5ns～7.2μs，測(cè)量誤差在允許范圍之內(nèi)，其主要性能指標(biāo)能滿足測(cè)量要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于電路中有納秒量級(jí)的高頻信號(hào)，因此在后續(xù)的電路設(shè)計(jì)中，將進(jìn)一步提高抗干擾能力。以滿足我國深空探測(cè)中等離子成分探測(cè)的需要。