一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法

摘要

本发明公开了一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，该方法的创新点是通过利用采样信号周期与采样间隔之间的关系，构建超定线性方程组并求解，以获得开关电容阵列芯片实际的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。这种方法具有算法简单高效，计算结果不受芯片模拟带宽以及各采样单元增益偏差限制，精度高等特点；可应用于基于开关电容阵列芯片的高精度时间测量领域，包括高能物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。

权利要求

1.一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，包括：将已知频率的正弦波作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到正弦波形的过零点时间；

利用两个相邻过零点时间的时间间隔与输入信号周期的关系，建立方程；

利用数量超过方程中未知数个数的方程建立超定线性方程组，并求解，得到开关电容阵列芯片的实际采样间隔；

利用实际采样间隔修正时间测量结果；

其中，所述利用两个相邻过零点时间的时间间隔与输入信号周期的关系，建立方程包括：假设：过零点a位于采样点n1与n1+1之间，过零点b位于采样点n2与n2+1之间；

两个相邻过零点a与b之间的时间间隔Δta,b表示为：其中，Δti表示采样点i和采样点i+1之间的采样时间间隔，则 对应为采样点n1与n1+1之间、采样点n2与n2+1之间的采样时间间隔；α与β均为系数：其中，VDC表示输入正弦波的直流值； 对应为采样点n1+1、采样点n2处的电压值；

对应为采样点n1与n1+1之间、采样点n2与n2+1之间的电压差值；

而时间间隔Δta,b等于已知输入信号的周期TS，从而建立如下方程：

2.根据权利要求1所述的一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，将已知频率的正弦波作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到正弦波形的过零点时间包括：利用信号发生器产生已知频率的正弦波作为输入信号；

利用开关电容阵列芯片对输入信号进行采样，将采样得到的正弦波形进行幅度修正，并通过线性差值的方法计算出过零点时间。

3.根据权利要求1所述的一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，其特征在于，利用最小二乘法，求解超定线性方程组，超定线性方程组的解即为开关电容阵列芯片的实际采样间隔。

说明书

一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及精密时间测量领域，尤其涉及一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法。

背景技术

[0002] 精密时间测量广泛的应用于粒子物理实验中，如时间飞行探测器系统、中微子测量实验、伽马射线测量，而且在医疗成像领域的正电子发射断层扫描成像(Positron Emission Tomography，PET)系统中也扮演着非常重要的角色。传统的时间测量方法是基于前沿定时、多阈甄别或是恒比定时(Constant Fraction Discriminator，CFD)技术配合时间数字变换器(Time to Digital Converter，TDC)来实现的。而在这些方法中定时电路和TDC电路均会影响最终的时间测量精度。近些年研究表明，利用全波形数字化技术先取得完整波形，再利用数字信号处理方法获得时间信息可以实现更高的时间测量精度。经典的波形数字化方法是基于高速模拟数字变化器(Analogue-to-Digital convertor，ADC))，但作为一种替代方案，基于开关电容阵列(Switched Capacitor Array，SCA)专用集成电路(Application Specific integrated Circuit，ASIC)的波形数字化技术由于其采样速率高、功耗低、通道集成度高以及价格相对较低等优点受到越来越广泛关注和研究。

[0003] 在目前的高速SCA芯片中，采样时钟都是通过反相器延时链来产生的，其示意图如图1所示，所以相邻采样单元之间的采样间隔是由相应反相器的延时决定的。但由于受到工艺偏差的影响，实际芯片中各级反相器的延时并不相同，这就导致各采样间隔之间存在一定的不一致性。这种不一致性如果不加以修正，会限制时间测量的精度。到目前为止，已经有一些文献对这一问题进行探讨并提出了各自的时间修正方案，其中最具有代表性的就是“正弦波过零”时间修正法，它是利用不同采样单元在正弦波“过零”处的斜率不变的特性，即采样幅度差与采样时间间隔比值固定，通过测量幅度差来计算真实的采样间隔，其原理示意图如图2所。该方法可以简单表述如下：

[0004]

[0005]

[0006]

[0007] 其中，N是采样单元的个数，ΔVn和Δtn分别是第n个采样单元和第n+1个采样单元之间的幅度间隔和时间间隔，而零点位于第n个采样单元和第n+1个采样单元之间，Tclc是延时链锁相环(Delay-Locked Loop,DLL)输入参考时钟的周期，p则是零点处的正弦波斜率。

[0008] 这种方法对时间测量精度有一定的改善效果，但该方法易受各采样单元增益偏差以及带宽的影响，式(1)并不严格成立，所以得到的采样间隔和真实的采样间隔之间还是有一定的偏差，因此该方法对时间测量精度的提高有限，尤其应用在带宽较低、各采样单元增益偏差较大的芯片时，效果不够明显。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，用以计算得到SCA芯片内各采样单元之间真实的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。本发明的技术关键是超定线性方程组的构建，从理论上便具有不易受带宽和各采样单元增益不一致性的影响。

[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0011] 一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，包括：

[0012] 将已知频率的正弦波作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到正弦波形的过零点时间；

[0013] 利用两个相邻过零点时间的时间间隔与输入信号周期的关系，建立方程；

[0014] 利用足够多的方程建立超定线性方程组，并求解，得到开关电容阵列芯片的实际采样间隔；

[0015] 利用实际采样间隔修正时间测量结果。

[0016] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，和传统的“正弦波过零”时间修正法相比，虽然也是通过测量零点两侧采样点的幅度差完成最终的采样间隔计算，但区别是本方法中的幅度差并不直接参与最终的计算，而是用于得到一个电压比值，作为方程里变量的系数。带宽和增益偏差虽然会影响电压幅度值，但不会影响电压比值，因此这种方法在理论上是可以完美还原真实采样间隔的。相对于传统的“正弦波过零”时间修正法，更加精确和稳定，使用范围更广。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

[0018] 图1为本发明背景技术提供的SCA芯片结构示意图；

[0019] 图2为本发明背景技术提供的传统的“正弦波过零”时间修正法原理示意图；

[0020] 图3为本发明实施例提供的一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的流程图；

[0021] 图4为本发明实施例提供的一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的原理示意图；

[0022] 图5为本发明实施例提供的实际采样间隔示意图；

[0023] 图6为本发明实施例提供的时间测量原理示意图；

[0024] 图7为本发明实施例提供的3000次时间测量结果的分布图；其中，(a)为未做时间修正的时间测量结果；(b)为经过时间修正的时间测量结果。

具体实施方式

[0025] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0026] 本发明实施例提供一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，包括如下过程：向SCA芯片输入已知频率的正弦波，对采样得到的波形进行必要的幅度修正，利用线性差值的方法先计算各个过零点对应的时间值，然后将相邻两个同在上升沿(或同在下降沿)上的“过零”点之间的时间间隔用各采样间隔线性相加的形式表示出来，再利用两个相邻“过零”点之间的时间间隔与输入信号周期之间的关系，建立一个等式。重复上述过程足够多的次数，便可得到一个超定线性方程组，利用最小二乘法求解该方程组，方程组的解便是真实的采样间隔，再将该采样间隔用于时间测量结果。上述方案的创新点是通过利用采样信号周期与采样间隔之间的关系，构建超定线性方程组并求解，以获得开关电容阵列芯片实际的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。这种方法具有算法简单高效，计算结果不受芯片模拟带宽以及各采样单元增益偏差限制，精度高等特点；可应用于基于开关电容阵列芯片的高精度时间测量领域，包括高能物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。

[0027] 本发明实施例上述用于开关电容阵列芯片的时间修正方法的流程如图3所示，主要包括如下步骤：

[0028] 步骤1、将已知频率的正弦波作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样得到正弦波形的过零点时间。

[0029] 本发明实施例中，利用信号发生器产生已知频率的正弦波作为输入信号；再利用开关电容阵列芯片对输入信号进行采样，将采样得到的正弦波形进行幅度修正，并通过线性差值的方法计算出过零点时间。

[0030] 示例性的，可以使用核探测与核电子学国家重点实验室自主设计的一款最高采样率为5.2Gsps的SCA波形数字化芯片，其单通道有256个采样单元，使用的信号发生器是罗德施瓦茨射频信号发生器ROHDE&SCHWARZ SMA 100A。用信号发生器产生信号频率为139MHz的正弦波作为输入信号，用SCA芯片对输入信号进行采样，将采样得到的波形进行必要的幅度修正，其中幅度修正包括将量化后的码值转换为幅度值以及修正各采样单元固有的直流偏差。

[0031] 在采样得到的波形中，必然会存在位于波形零点两侧的采样点，如图4中的采样点54和55、92和93，利用这些特殊的采样点，通过线性差值的方法可以计算出“过零”点a和b的时刻值。

[0032] 步骤2、利用两个相邻过零点时间的时间间隔与输入信号周期的关系，建立方程。

[0033] 本发明实施例中，假设：过零点a位于采样点n1与n1+1之间，过零点b位于采样点n2与n2+1之间；

[0034] 两个相邻过零点a与b之间的时间间隔Δta,b表示为：

[0035]

[0036] 其中，Δti表示采样点i和采样点i+1之间的采样时间间隔，则 对应为采样点n1与n1+1之间、采样点n2与n2+1之间的采样时间间隔；α与β均为系数：

[0037]

[0038] 其中，VDC表示输入正弦波的直流值； 对应为采样点n1+1、采样点n2处的电压值； 对应为采样点n1与n1+1之间、采样点n2与n2+1之间的电压差值；

[0039] 而时间间隔Δta,b等于已知输入信号的周期TS，从而建立如下方程：

[0040]

[0041] 为了便于理解，下面结合附图4所示的示例对上述过程进行介绍。图4中相邻的过零点a和b两点之间的时间间隔Δta,b可以表示为采样点54和采样点93之间的所有采样间隔线性相加的形式：

[0042]

[0043] 其中，Δti表示采样点i和采样点i+1之间的采样时间间隔，则Δt54、Δt92对应为采样点54与55之间、采样点92与93之间的采样时间间隔；α与β均为系数：

[0044]

[0045] 其中，VDC表示输入正弦波的直流值；V55、V92对应为采样点55、采样点92处的电压值；ΔV54、ΔV92对应为采样点54与55之间、采样点92与93之间的电压差值。

[0046] 而过零点a和b之间的时间间隔又等于已知输入信号的周期TS，从而建立如下方程：

[0047]

[0048] 步骤3、利用足够多的方程建立超定线性方程组，并求解，得到开关电容阵列芯片的实际采样间隔。

[0049] 通过前面的步骤可以获得足够多的方程，从而建立超定线性方程组。本发明实施例中，假设获得了3000个方程，并以此建立超定线性方程组，将方程组表示成矩阵方程的形式，如下所示：

[0050]

[0051] 其中，M表示方程的个数，N表示采样单元的个数。如果采用步骤1中所提到的SCA波形数字化芯片，则采样单元(即采样点)的个数为256，所以方程系数矩阵的大小为3000×256。

[0052] 之后，利用最小二乘法，求解超定线性方程组，超定线性方程组的解即为开关电容阵列芯片的实际采样间隔。

[0053] 如图5所示，为本发明实施例提供的最终得到的采样间隔，其均值为0.192ns，对应5.2Gsps采样频率。

[0054] 步骤4、利用实际采样间隔修正时间测量结果。

[0055] 利用SCA芯片进行时间测量有多种方式，本实例中采用的方法如下所述：

[0056] 利用任意波形信号发生器Keysight 81160A产生上升沿和下降沿均为1.0ns的窄脉冲波形，用功分器将该波形一分为二，分开后的两个波形经过长度不同的两根电缆线接入芯片的两个采样通道进行采样。先对采样后的信号进行幅度刻度，再利用步骤4中计算得到的实际采样间隔对每个采样点的时间进行修正。然后分别对两个修正后的波形前沿进行多项式拟合，设定400mV的电压阈值，并分别计算过电压阈值点的时间值，两个过阈时间间隔即为信号延迟时间，其原理示意图如图6所示。重复该过程3000次，可以得到一个统计的结果，测量结果的均值为3.36ns，为两个通道信号的实际延时值，均方根值即可表征时间测量精度。对比未做时间修正的结果，如图7所示，可知经过采样间隔修正，时间测量精度由27.7ps提升到了7.8ps，效果显著。

[0057] 本发明实施例提供的上述方案，与传统的“正弦波过零”时间修正法相比，虽然也是通过测量零点两侧采样点的幅度差完成最终的采样间隔计算，但区别是本方法中的幅度差并不直接参与最终的计算，而是用于得到一个电压比值，作为方程里变量的系数。带宽和增益偏差虽然会影响电压幅度值，但不会影响电压比值，因此这种方法在理论上是可以完美还原真实采样间隔的。相对于传统的“正弦波过零”时间修正法，更加精确和稳定，使用范围更广

[0058] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

[0059] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。