基于FPGA的时间数字转换器设计_学士学位论文

NANCHANG UNIVERSITY

学士学位论文

THESIS OF BACHELOR

（2009—2013年）

题目基于FPGA的时间-数字转换器设计

学院：信息工程学院系电子系专业班级：电子信息工程093班

基于FPGA的时间-数字转换器设计

摘要

时间是物质存在和运动的基本属性之一，它是科学研究、科学实验和工程技术等领域的必不可少的参量。时间-数字转换器作为时间测量技术的核心，在诸多领域都有广泛的应用。实现时间-数字转换电路的方法有许多种，如计数器法、电流积分法、门延迟法以及FPGA法等。本论文设计的是基于FPGA的时间-数字转换器，设计思想是以计数器为粗时间间隔测量单元，门延迟为细时间间隔测量单元，最终基于FPGA实现TDC系统。设计借助了Verilog HDL语言对FPGA 进行设计，完成了边缘检测、计数器及串口输出的软件设计，实现了测量范围为30min，分辨率达1ns的大范围、高分辨率TDC系统的设计。本系统可移植性强，在提高时钟频率和门延迟精度后可应用于微粒子探测、激光测距和定时定位等领域。

关键词：时间-数字转换器FPGA 计数器门延迟分辨率

Abstract

Design of Time to Digital Converter based on FPGA

Abstract

Time is one of the basic attribute of material’s existence and exercise, it’s an essential parameter of scientific researches, scientific experiments, engineering technology and other technology fields. Time-digital converter, as a time measurement technology core, are widely used in many fields.There are many ways to implement the time-digital converter, such as the counter method, the current integration method, the gate delay method and the FPGA method. This thesis designed a FPGA based TDC, the design idea is using the counter as a crude time interval measurement, the gate delay as a precise time interval measurement, and finally, the system is achieved by the FPGA. In the design, with the language of Verilog HDL, we achieved the software design of the edge detection, the counter and the outputting of serial. A measurement range of 30min, 1ns resolution of the large-scale, high-resolution TDC system is designed. This system is portable, if the clock frequency and the accuracy of gate delay are improved, it can be used in particle detection, laser ranging and timing positioning and any other fields.

Keywords: Time to Digital Converter; FPGA; Counter; Gate delay; Resolution

目录

摘要.................................................................................................................................I ABSTRACT...................................................................................................................II 前言 (1)

1.1选课的背景及意义 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3课题所做的工作及论文章节安排 (2)

1.3.1设计思想 (2)

1.3.2论文章节安排 (2)

时间-数字转换技术研究与分析 (4)

2.1时间-数字转换电路的应用领域研究 (4)

2.2时间-数字转换电路实现方法分析比较 (4)

2.2.1计数器法 (4)

2.2.2电流积分法 (5)

2.2.3门延迟法 (6)

2.2.4 FPGA法 (6)

2.3 小结 (6)

时间数字转换系统的硬件设计 (7)

3.1硬件系统总体设计 (7)

3.2开发板介绍 (7)

3.3 FPGA芯片介绍 (9)

3.3.1 FPGA简介及Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N芯片概述 (9)

3.3.2Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N芯片的特点 (10)

3.4 FPGA开发流程 (10)

3.4.1功能定义和器件选型 (10)

3.4.2设计输入 (11)

3.4.3布线布局 (11)

3.5 Quartus II仿真平台介绍 (12)

3.5.1设计输入 (12)

3.5.2项目编译 (13)

3.5.3项目仿真 (13)

时间-数字转换系统的软件设计 (14)

4.1 Verilog语言介绍 (14)