时间间隔测量原理综述

0 引言

时间测量是现代科学与工程技术中的基础问题，随着技术发展，对时间间隔测量精度的要求日益提高（从纳秒级到皮秒级甚至飞秒级）[1]。TDC 作为实现高精度时间 - 数字转换的核心器件，其原理基于对输入时间信号的量化处理，通过特定电路将时间间隔转化为可被处理器识别的数字编码，从而实现时间信息的精确获取与分析。在当代科技中，从大型粒子对撞实验中对粒子飞行时间的捕捉，到医疗领域正电子发射断层扫描（PET）中对光子到达时间的测量，TDC 都扮演着不可或缺的角色，其性能的优劣直接决定了相关系统的整体精度[2]。

1 TDC 基本测量原理

时间数字转换器（TDC）的核心功能在于将两个事件（例如信号上升沿、脉冲触发等）所形成的时间间隔转化为数字量N，这一转换过程的基本关系可由公式来表示，其中代表TDC 的最小时间分辨率（即量化步长）[3]。具体而言，其测量过程主要由三个关键步骤构成：首先是信号捕获环节，该环节通过触发电路对输入事件的时间点（如起始信号和停止信号进行捕获，为保证时间点捕捉的准确性，触发电路需具备快速响应能力；其次是时间量化环节，此环节作为实现时间到数字转换的核心，借助内部计时单元（如振荡器、延迟链等）对时间间隔- 实施分割与计数操作；最后是数字输出环节，该环节将经过量化处理的时间信息转换为二进制或十进制数字信号，并输出至后续处理模块，以便开展进一步的数据分析与处理工作，TDC 基本原理结构框图如图1 所示：

图 1TDC 基本原理结构框图2 TDC 的分类及工作原理

依据时间量化方式的差异，时间数字转换器（TDC）可划分为以下几类：其一为计数型 TDC，其工作原理是基于高频时钟振荡器，通过计数器对时间间隔内的时钟脉冲数量进行记录，若时钟频率为f，则该类型 TDC 的分辨率为；此类型 TDC 具有结构简单、成本较低的特点，但分辨率受限于时钟频率（例如 100MHz 时钟对应的分辨率为 10ns），难以实现高精度测量，因此适用于对精度要求较低的领域（如工业计时、普通测距等）。其二是延迟线型TDC，其原理是利用由多个相同延迟单元（如门电路、RC 网络等）构成的延迟链，将时间间隔转换为延迟单元的数量[4]；当起始信号被触发后，脉冲在延迟链中逐级传递，待停止信号到来时，通过寄存器锁存脉冲传播的位置，进而确定时间间隔；该类型 TDC 的分辨率较高（可达皮秒级），不过受温度、电压的影响较大，需要通过校准来补偿误差，适用于核物理实验、粒子探测等高精度测量领域。其三为插值型 TDC，其原理是结合计数型与延迟线型 TDC 的优势，对时钟周期内的 “剩余时间” 进行插值细化，例如先借助高频时钟对整数周期进行计数，再通过延迟链或时间 - 电压转换器（TVC）测量不足一个周期的时间，最终将结果合并；该类型 TDC 兼顾高分辨率（皮秒级）与大动态范围，是目前主流的高精度 TDC 方案，适用于激光雷达、医疗成像（如 PET、CT 等）等需要宽量程与高精度的领域。其四是游标型 TDC，其原理借鉴了游标卡尺的 “主尺 + 游标尺” 思想，通过两组不同频率的时钟（主时钟和游标时钟）形成相位差，利用相位重叠点来计算时间间隔[5]；该类型 TDC 的分辨率可达亚皮秒级，但电路复杂度较高，对时钟稳定性的要求较为严格，适用于极端高精度测量领域（如量子通信、飞秒激光实验等）。

3 TDC 性能指标及误差分析

TDC 的关键性能指标及其误差来源与补偿方法密切相关，其中关键性能指标主要包括分辨率、线性度、动态范围和死时间，分辨率即最小可区分的时间间隔，直接决定测量精度，受电路延迟、噪声等因素影响；线性度指实际测量值与理论值的偏差程度，非线性误差会导致系统精度下降；动态范围为可测量的最小与最大时间间隔之比，需根据应用需求平衡分辨率与范围；死时间是两次测量之间的最小间隔，影响测量效率；而其测量误差主要有量化误差、非线性误差和触发误差，量化误差由分辨率限制导致，是一种固有误差，可通过提高时钟频率或采用插值技术减小；非线性误差多由延迟单元特性不一致、温度漂移等引起，可通过校准电路（如线性拟合、分段补偿）修正[6]；触发误差因输入信号噪声导致触发时间抖动，需通过信号预处理（如滤波、整形）降低。

4 结论

TDC 作为时间测量的核心器件，其原理不断向高精度、宽动态范围、低功耗方向发展。未来，随着芯片工艺的进步（如 CMOS、SiGe 技术）和算法优化（如数字校准、机器学习补偿），TDC 将在量子计算、自动驾驶（激光雷达）、精密仪器等领域发挥更重要的作用，为时间分辨率突破飞秒级甚至阿秒级提供可能。

参考文献：

[1] 何 超 , 陈 建 政 . 时 间 测 量 系 统（TDC） 的 原理 及 实 现 [J]. 电 子 测 试 ,2012(6). DOI:10.3969/j.issn.1000-8519.2012.06.013.

[2] 张雄林 , 王文俊 , 柏森洋 . 基于 FPGA 的 TDC 测量中占用资源的研究 [J]. 机电产品开发与创新 ,2022(6). DOI:10.3969/j.issn.1002-6673.2022.06.032.

[3] 党浩烊 . 基于 FPGA 的高分辨率并行 TDC 参数测量模块设计 [D]. 电子科技大学 ,2024.

[4] 何 超 , 陈 建 政 . 时 间 测 量 系 统（TDC） 的 原理 及 实 现 [J]. 电 子 测 试 ,2012(6). DOI:10.3969/j.issn.1000-8519.2012.06.013.

[5] 岑志波 , 洪辉 , 万当 . 基于 TDC 时间数字测量技术的应变测量系统 [J]. 设备管理与维修 ,2015(z1). DOI:10.3969/j.issn.1001-0599.2015.z1.081.

[6] 雷武虎, 刘松秋, 李鹏宇, 等. 一种高精度大范围时间测量电路的实现 [J]. 核电子学与探测技术 ,2005(3). DOI:10.3969/j.issn.0258-0934.2005.03.004.

作者简介：

蔡婷（2001.12-）女，汉族，籍贯：四川省南充人24 级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：信号检测

王鑫（1987.2-）女，汉族，籍贯：人副教授，硕士学位，专业：仪器科学与技术，研究方向：智能仪器及信号测量，视觉测量及图像处理

李晨旭（2000.12-）男，汉族，籍贯：河北省保定人23级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：微弱信号采集

基金项目：北华航天工业学院研究生创新资助项目（YKY-2025-15）；