Особенности реализации время-цифровых преобразователей на базе программирумых логических интегральных схем (обзор)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Цель данного обзора заключается в том, чтобы дать исследователям, занимающимся разработкой время-цифровых преобразователей (ВЦП) на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), наиболее полное представление о существующих подходах и методах реализации таких преобразователей. В работе приведены наиболее значимые характеристики ВЦП и описаны основные методы измерения временных интервалов, применяемые при реализации ВЦП на ПЛИС. Обозначены основные проблемы, возникающие при разработке таких схем. Кратко рассмотрены элементы ПЛИС, на которых реализуется ВЦП, и процедура калибровки ВЦП. Проанализированы подходы, применяемые для повышения разрешения и снижения нелинейности ВЦП на ПЛИС. Рассмотрены различные структуры шифраторов, применяемых в ВЦП. По результатам проведенного анализа даны рекомендации по разработке ВЦП на базе ПЛИС.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. Ю. Шелковников

Удмуртский федеральный исследовательский центр Российской академии наук

Email: shlyahtink@udman.ru

Институт механики 

Russian Federation, 426067, Ижевск, ул. Татьяны Барамзиной, 34

К. А. Шляхтин

Удмуртский федеральный исследовательский центр Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: shlyahtink@udman.ru

Институт механики 

Russian Federation, 426067, Ижевск, ул. Татьяны Барамзиной, 34

References

  1. Henzler S. // Time-to-digital converters. Dordrecht: Springer. 2010. 123 p.
  2. Gao Wu, Gao Deyuan, Wei Tingcun, Hu-Guo C., Yann Hu // 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Xian, China: IEEE. 2009. P. 1133. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2009.5138334
  3. Yuvaraj E., Upadhya S.S., Saraf M.N., John J., Satyanarayana B., Majumder G., Chithra // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. V. 2374. № 1. P. 012095. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2374/1/012095
  4. Юсупалиев У., Радомский Н.В., Коковин В.А., Шутеев С.А., Юсупалиев П.У. // ПТЭ. 2008. № 1. С. 174
  5. Maatta K., Kostamovaara J. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1998. V. 47. № 2. P. 521. https://doi.org/10.1109/19.744201
  6. Staszewski R.B., Muhammad K., Leipold D., Chih-Ming Hung, Yo-Chuol Ho, Wallberg J.L., Fernando C., Maggio K., Staszewski R., Jung T., Jinseok Koh, John S., Irene Yuanying Deng, Sarda V., Moreira-Tamayo O. et al. // IEEE J. Solid-State Circuits. 2004. V. 39. № 12. P. 2278. https://doi.org/10.1109/JSSC.2004.836345
  7. Staszewski R.B., Vemulapalli S., Vallur P., Wallberg J., Balsara P.T. // IEEE Trans. Circuits Syst. II. 2006. V. 53. № 3. P. 220. https://doi.org/10.1109/TCSII.2005.858754
  8. Liu C., Wang Y. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62. № 3. P. 773. https://doi.org/10.1109/TNS.2015.2421319
  9. Cui K., Ren Z., Li X., Liu Z., Zhu R. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2017. V. 64. № 1. P. 697. https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2632168
  10. Machado R., Cabral J., Alves F.S. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2019. V. 68. № 11. P. 4205. https://doi.org/10.1109/TIM.2019.2938436
  11. Won J.Y., Lee J.S. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2016. V. 65. № 7. P. 1678. https://doi.org/10.1109/TIM.2016.2534670
  12. Kalisz J., Pawlowski M., Pelka R. // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1987. V. 20. № 11. P. 1330. https://doi.org/10.1088/0022-3735/20/11/005
  13. Kalisz J. // Metrologia. 2004. V. 41. № 1. P. 17. https://doi.org/10.1088/0026-1394/41/1/004
  14. Лютиков И.В., Фомин А.Н., Леусенко В.А. Метрология и радиоизмерения: учебник / Под ред. Д.С. Викторова, Красноярск: Сиб. федер. университет, 2016.
  15. Baron R. // Proc. IRE. 1957. V. 45. № 1. P. 21. https://doi.org/10.1109/JRPROC.1957.278252
  16. Hoppe D.R. Time interpolator: pat. US4439046A USA. 1984.
  17. Hoppe D.R. Differential time interpolator: pat. US4433919A USA. 1984.
  18. Nutt R. // Review of Scientific Instruments. 1968. V. 39. № 9. P. 1342. https://doi.org/10.1063/1.1683667
  19. Kalisz J., Szplet R., Pasierbinski J., Poniecki A. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1997. V. 46. № 1. P. 51. https://doi.org/10.1109/19.552156
  20. Jinyuan Wu, Zonghan Shi, Wang I.Y. // IEEE Nuclear Science Symposium. Conference Record (IEEE Cat. No.03CH37515). Portland, OR, USA: IEEE. 2003. P. 177. https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2003.1352025
  21. Pelka R., Kalisz J., Szplet R. // Proceedings of 20th Biennial Conference on Precision Electromagnetic Measurements. Braunschweig, Germany: IEEE. 1996. P. 548. https://doi.org/10.1109/CPEM.1996.547342
  22. Wu J. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2010. V. 57. № 3. P. 1543. https://doi.org/10.1109/TNS.2010.2045901
  23. Traxler M. // 17th IEEE-NPSS Real Time Conference. Lisbon, Portugal: IEEE. 2010. P. 1. https://doi.org/10.1109/RTC.2010.5750361
  24. Carra P., Bertazzoni M., Bisogni M.G., Del Guerra A., Morrocchi M., Pazzi G., Sportelli G., Belcari N. // IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). Atlanta, GA: IEEE. 2017. P. 1. https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2017.8533060
  25. Szplet R., Kalisz J., Szymanowski R. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2000. V. 49. № 4. P. 879. https://doi.org/10.1109/19.863942
  26. Andaloussi M.S., Boukadoum M., Aboulhamid E.M. // The 14th International Conference on Microelectronics. Beirut, Lebanon: IEEE. 2002. P. 123. https://doi.org/10.1109/ICM-02.2002.1161511
  27. Чулков В.А., Медведев А.В. // ПТЭ. 2009. № 6. С. 31.
  28. Чулков В.А., Нестеренко С.А. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. № 10. С. 176.
  29. Xilinx. Virtex-5 FPGA User Guide (UG190). 2012.
  30. Xilinx. Spartan-6 FPGA Configurable Logic Block User Guide (UG384). 2010.
  31. Xilinx. 7 Series FPGAs Configurable Logic Block User Guide (UG474). 2016.
  32. Garzetti F., Corna N., Lusardi N., Geraci A. // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 85515. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3088448
  33. UltraScale Architecture Configurable Logic Block User Guide (UG574). 2017.
  34. Wu J., Shi Z. // 2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. 2008. P. 3440.
  35. Hu X., Zhao L., Liu S., Wang J., An Q. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2013. V. 60. № 5. P. 3544. https://doi.org/10.1109/TNS.2013.2265555
  36. Chen H., Li D.D.-U. // IEEE Trans. Ind. Electron. 2019. V. 66. № 4. P. 3265. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2842787
  37. Dikopoulos E., Birbas M., Birbas A. // Chips. 2022. V. 1. № 3. P. 175. https://doi.org/10.3390/chips1030012
  38. Zieliński M., Chaberski D., Kowalski M., Frankowski R., Grzelak S. // Measurement. 2004. V. 35. № 3. P. 311. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2003.12.001
  39. Daigneault M.-A., David J.P. // Proceedings of the 8th IEEE International NEWCAS Conference 2010. Montreal, QC, Canada: IEEE. 2010. P. 281. https://doi.org/10.1109/NEWCAS.2010.5603945
  40. Szplet R., Jachna Z., Kwiatkowski P., Rozyc K. // Meas. Sci. Technol. 2013. V. 24. № 3. P. 035904. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/3/035904
  41. Wang Y., Liu C. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62. № 5. P. 2003. https://doi.org/10.1109/TNS.2015.2475630
  42. Wang Y., Liu C. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2016. V. 63. № 5. P. 2632. https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2606627
  43. Wang Y., Liu C. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2016. V. 63. № 5. P. 2617. https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2596305
  44. Szplet R., Sondej D., Grzeda G. // Joint European Frequency and Time Forum & International Frequency Control Symposium (EFTF/IFC). Prague, Czech Republic: IEEE. 2013. P. 321. https://doi.org/10.1109/EFTF-IFC.2013.6702285
  45. Sondej D., Szplet R. // 24th International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL). Munich, Germany: IEEE. 2014. P. 1. https://doi.org/10.1109/FPL.2014.6927382
  46. Szplet R., Sondej D., Grzeda G. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2016. V. 65. № 8. P. 1884. https://doi.org/10.1109/TIM.2016.2555218
  47. Lusardi N., Garzetti F., Geraci A. // Review of Scientific Instruments. 2019. V. 90. № 5. P. 055113. https://doi.org/10.1063/1.5028131
  48. Lusardi N., Garzetti F., Geraci A. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. V. 916. P. 204. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.100
  49. Lusardi N., Garzetti F., Corna N., Marco R.D., Geraci A. // 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). Manchester, United Kingdom: IEEE. 2019. P. 1. https://doi.org/10.1109/NSS/MIC42101.2019.9059958
  50. Kim J., Jung J.H., Choi Y., Jung J., Lee S. // Nuclear Engineering and Technology. 2023. V. 55. № 2. P. 484. https://doi.org/10.1016/j.net.2022.10.010
  51. Sui T., Zhao Z., Xie S., Xie Y., Zhao Y., Huang Q., Xu J., Peng Q. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2019. V. 68. № 10. P. 3647. https://doi.org/10.1109/TIM.2018.2880940
  52. Palani L., Rajagopal S., Ramana Rao Y.V. // Microprocessors and Microsystems. 2020. V. 73. P. 102974. https://doi.org/10.1016/j.micpro.2019.102974
  53. Sail E., Vesterbacka M. // 2004 IEEE Region 10 Conference TENCON 2004. Chiang Mai, Thailand: IEEE. 2004. P. 250. https://doi.org/10.1109/TENCON.2004.1414916
  54. Bui Van Hieu, Seunghyun Beak, Seunghwan Choi, Jongkook Seon, Jeong T.T. // International Conference on Communications and Electronics 2010. Nha Trang: IEEE. 2010. P. 102. https://doi.org/10.1109/ICCE.2010.5670690
  55. Latha P., Dr. R. Sivakumar, I. P. Pavithra // International Journal of Engineering and Techniques. 2018. V. 4. № 3. P. 7
  56. Daegyu Lee, Jincheol Yoo, Kyusun Choi, Ghaznavi J. // 45th Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2002. MWSCAS-2002. Tulsa, OK, USA: IEEE. 2002. V. 2. P. II-87. https://doi.org/10.1109/MWSCAS.2002.1186804
  57. Shen Q., Zhao L., Liu S.-B., Liao S.-K., Qi B.-X., Hu X.-Y., Peng C.-Z., An Q. // Chinese Phys. C. 2013. V. 37. № 10. P. 106102. https://doi.org/10.1088/1674-1137/37/10/106102
  58. Wang Y., Kuang J., Liu C., Cao Q. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2017. V. 64. № 10. P. 2713. https://doi.org/10.1109/TNS.2017.2746626
  59. Tontini A., Gasparini L., Pancheri L., Passerone R. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2018. V. 65. № 2. P. 680. https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2790703
  60. Kaes F., Kanan R., Hochet B., Declercq M. // IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). Hong Kong, China: IEEE. 1997. V. 1. P. 5.
  61. Adamic M., Trost A. // Austrochip Workshop on Microelectronics (Austrochip). Vienna, Austria: IEEE. 2019. P. 29. https://doi.org/10.1109/Austrochip.2019.00017
  62. Favi C., Charbon E. // Proceedings of the ACM/SIGDA international symposium on Field programmable gate arrays. Monterey California USA: ACM. 2009. P. 113. https://doi.org/10.1145/1508128.1508145
  63. Гурин Е.И., Дятлов Л.Е., Коннов Н.Н., Попов К.В., Севастьянов А.В. // ПТЭ. 2004. № 4. С. 44.
  64. Cui K., Li X., Liu Z., Zhu R. // IEEE Trans. Radiat. Plasma Med. Sci. 2017. V. 1. № 5. P. 391. https://doi.org/10.1109/TRPMS.2017.2712260
  65. Cui K., Li X. // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2020. V. 69. № 8. P. 5941. https://doi.org/10.1109/TIM.2019.2959423
  66. Xu G., Zha B., Xia T., Zheng Z., Zhang H. // Applied Sciences. 2022. V. 12. № 15. P. 7674. https://doi.org/10.3390/app12157674

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of the digital converter based on the vernier method.

Download (18KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. TDC circuits based on a delay line: a – a method based on a line of EC and synchronous D-triggers; b – a method based on a delay line of D-triggers with a static input C; c – a vernier method using two delay lines; d – a vernier method using a delay line of D-triggers with a static input C.

Download (51KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Natta method: a – VDC diagram; b – timing diagrams.

Download (38KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Xilinx FPGA blocks on which the delay line is implemented: a – CARRY4, b – CARRY8.

Download (73KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The bit transfer chain of the FPGA adders from Intel (Altera), on which the delay line is implemented.

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences