基于频率-时间转换原理的精密时序控制系统的研究

摘要

精密的时序控制系统在高能物理实验中的定时系统和时间测量中经常用到，以往的数字系统多用延迟线和延迟芯片来产生时序控制所需的时间间隔，但其时间间隔长度、分辨和抖动等指标往往不能同时满足需求，特别是在大时间尺度上的精密时序控制，即在产生大范围时间间隔的基础上仍能达到高分辨和低抖动是一个难题。 针对这一问题，本文在参考了J.Kalisz等人的论文Asimple，precise，andlowjitterdelay/gategenerator的基础上，研究了新的基于频率-时间转换原理的精密时序控制系统。本系统实现了大时间间隔(μs-s量级)，高分辨(5-10ps)和低抖动(25ps)的时序控制。 第一章为引言，主要介绍了精密时序控制系统的应用前景和目前常用的产生时间间隔的方法(延迟线和延迟芯片)。说明目前常用的方法不能同时满足大尺度和高分辨、低抖动的要求。 第二章介绍了精密时序控制系统的原理，引用了J.Kalisz等人的设计思路，并提出了新的精密时序控制系统的设计思路。 第三章是本文的重点，这一章详细阐述了时序控制系统的具体设计方案，包括时钟电路模块、时序控制电路模块、接口电路模块等各个部分。另外，本章还介绍了高速数字电路中常用的阻抗控制、传输线匹配等技术，以及一些常用的PCB设计技术。 第四章介绍了时序控制系统的一些测试结果，包括系统时钟性能的测试，系统功能的验证和性能的测试。 第五章是展望，本文研究的精密时序控制系统基本达到了理想目标，但可以改进的地方还有不少，本章提出了一些改进的方法。

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第一章 引言

1.1精密时序控制系统的应用

1.2目前常用的方法

1.1.1延迟线

1.1.2延迟芯片

第二章 延迟系统原理

2.1时序控制电路原理

2.1.1频率-时间转换原理

2.1.2延迟电路逻辑框图

2.2时序控制系统

2.2.1时序控制系统的时钟

2.2.2时序控制电路

2.3 DDS原理

2.3.1 DDS构成

2.3.2正弦波输出DDS

2.3.3 DDS方程

2.3.4低通滤波器

2.3.5 DDS相比于PLL的优势

2.3.6 DDS实现方波输出

第三章时序控制系统实现

3.1时序控制电路

3.1.1芯片选择

3.1.2计数器级联

3.1.3下拉电阻和匹配电阻

3.2时钟电路

3.2.1时钟要求

3.2.2 DDS实现

3.2.3电平转换及时钟扇出

3.3接口电路

3.3.1数据传输要求

3.3.2 USB芯片Cy68013

3.3.3接口电路设计实现

3.4时序控制系统信号输入

3.5时序控制系统信号输出

3.6电源

3.7 PCB设计考虑

3.7.1 PCB板叠层考虑和电源、地分割

3.7.2电源滤波

3.7.3阻抗控制和信号匹配

3.7.4 PCB设计的其他一些原则

第四章时序控制系统测试

4.1测试平台

4.2系统时钟测试

4.3系统功能验证

4.4系统性能测试

4.4.1测试流程

4.4.2性能测试

4.5结论

第五章展望

5.1时钟

5.2接口电路

5.3消除固定间隔

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢