基于FPGA 的TDC 系统偏差修正方法的研究

引言

时间数字转换器（TDC）用于将时间间隔模拟量转换为数字量，在高能物理实验、通信、卫星导航等领域广泛应用，且各领域对其测量精度的要求日益提高 [1]。当前提升 TDC 分辨率主要有两种方法：一是通过时间延展法“放大”待测时间进行测量；二是利用时间内插法，以小时间分度获取高精度，其中基于延迟链技术的时间内插法发展迅速。插值法结合大步长计数与精密测量，可兼顾动态范围与精度，而延时单元的性能直接影响 TDC 的时间分辨能力 [2]。高分辨率 TDC 多在 ASIC 芯片上实现，但存在价格高、开发周期长的问题。相比之下，基于 FPGA芯片的TDC 因成本低、开发灵活、周期短而备受关注。不过，FPGA 实现的TDC 存在较大系统偏差，FPGA 工艺、仪器误差及硬件电路走线等因素都会影响测量结果，尤其在高精度时间间隔计数中影响显著。本文以 Xilinx 公司的 ZYNQ7010 为实验芯片，通过实验分析提出系统偏差修正方案，建立不同参考时钟下的拟合模型，有效提升了 TDC 的测量准确度。

1 测试原理及方法

基于 FPGA 的 TDC 时间间隔测量采用粗测与细测结合的双模式架构。粗测模块利用 250MHz 时钟计数器记录起始信号与终止信号间的脉冲数 N，测量结果为 ，量程可达 1 秒。细测模块通过 FPGA 内部 96级加法进位延迟链（单级延迟 30-68ps ，平均 42ps ），测量起始信号上升沿和终止信号上升沿与下一时钟沿的时间差：通过串行加法器级联专用进位链，利用 D 触发器捕捉进位信号传播位置，结合已知延迟单元时延计算精细间隔 [3]，分辨率优于 100ps ，最终测量结果为 ^+- 。系统偏差主要来源于 FPGA 工艺导致的进位链延迟不一致、时钟漂移、外部电路走线误差及信号噪声等。针对偏差，采用最小二乘法建立一次线性拟合模型，通过高精度标校仪器 53230A 获取真值 [4]，拟合得到反映时钟漂移的斜率 k 和硬件固定偏差的截距 b，实现系统偏差修正。测试平台基于 ZYNQ7010 开发板搭建，搭配移相电路板、铯钟 / 铷钟参考时钟及53230A 标校仪器。信号经整形后输入 FPGA，测量结果通过串口传输至计算机，与标校真值对比分析偏差，为模型构建提供数据基础。系统测试平台连接示意图如图1 所示：

实验分别采用铯钟和铷钟作为参考时钟，测试时间间隔范围 10ns-1s。铯钟条件下，原始系统偏差范围 350-650ps ，均值 514ps ，拟合模型为，修正后偏差缩至 -90～+80ps ，均值 39ps 。铷钟条件下，原始偏差范围 200-900ps ，均值 555ps ，拟合模型为 ，修正后偏差缩至 -67～+76ps ，均值 49ps 。选取任意时间间隔验证，修正后系统偏差均控制在 100ps 以下，验证了模型的普适性。

3 结论

基于 FPGA 的 TDC 系统偏差修正方法通过粗 / 细测架构与一次线性拟合模型，有效解决了硬件非理想性及时钟漂移导致的测量误差，实验表明该方法可将系统偏差控制在 100ps 以下，显著提升测量准确度。方法具有通用性，适用于不同稳定性时钟，且基于商用 FPGA 实现，成本低、开发灵活 [5]。未来可引入温度补偿或自适应算法，进一步提升复杂环境下的测量性能，推动 FPGA-TDC 在高精度时间测量领域的广泛应用。

参考文献

[1] 赵侃, 梁双有, 陈法喜, 等. 精密时间间隔计数器的研制[J]. 中国科学（物理 学力学天文学）,2011,41(5):602- 606.DOI:10.1360/132011-329.

[2] 黄春申 , 周严 , 张晶 . 基于 FPGA 的时间数字转换技术综述 [J].飞控与探测 ,2023,6(6):51- 62.

[3] 尹文芹 , 施韶华 , 刘音华 , 等 . 基于 FPGA 实现 T DC 的布局布线优化方法研究 [J]. 时间频率学报 ,2018,41(1):27- 36. DOI:10.13875/j.issn.1674- 0637.2018- 01- 0027- 10.

[4] 金博存 , 杨瑞强 . 基于 FPGA 的 T DC 设计及非线性校正 [J]. 真空与低温 ,2018,24(5):342- 347. DOI:10.3969/j.issn.1006- 7086.2018.05.010.

[5] 项圣文 , 包朝伟 , 蒋伟 , 等 . 基于 FPGA 的高精度时间数字转换器设计与实现 [J]. 电子与封装 ,2025,25(1):35- 41. DOI:10.16257/j.cnki.1681- 1070.2025.0004.

作者简介：

蔡婷（2001.12- ）女，汉族，籍贯：四川省南充人，北华航天工业学院电子与控制工程学院，24级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：时间间隔测量

滑童定（2005.12- ）男，汉族，籍贯：河北省廊坊人，北华航天工业学院机电工程学院，24 级在读本科生，学士学位，专业：飞行器制造工程

刘佳宁（2002.10- ）男，汉族，籍贯：河北省石家庄人，北华航天工业学院遥感信息工程学院，22 级在读本科生，学士学位，专业：导航工程

基金项目：北华航天工业学院研究生创新资助项目（Y KY - 2025-15）；