xilinx xc7a35t 开发平台，基于Carry4进位链高精度时间数字转换(TDC)代码...

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xilinx xc7a35t 开发平台，基于Carry4进位链高精度时间数字转换(TDC)代码,分辨率71.4ps#tof测距

系统概述

本文介绍了一种基于Xilinx Artix-7 FPGA平台的高精度时间数字转换(Time-to-Digital Converter, TDC)系统。该系统利用FPGA内部的专用进位链资源(Carry4)实现皮秒级的时间测量精度，分辨率达到71.4ps，主要应用于飞行时间(Time of Flight, TOF)测距等需要高精度时间测量的场景。

系统架构

1. 时钟管理系统

系统采用高性能的时钟管理模块，通过MMCM(Mixed-Mode Clock Manager)生成稳定的高频时钟信号：

// 时钟配置参数
CLKFBOUT_MULT_F = 21.000000    // 反馈时钟倍频系数
CLKIN1_PERIOD = 20.000000      // 输入时钟周期(50MHz)
CLKOUT0_DIVIDE_F = 3.750000    // 输出时钟分频系数

该配置将外部50MHz时钟倍频至约400MHz，为TDC提供高精度的时间基准。时钟管理模块还提供锁定状态指示，确保系统时钟的稳定性。

2. 核心测量原理

系统采用进位链传播延迟测量的核心技术：

Carry4链结构优势：

利用FPGA专用的快速进位逻辑资源
提供确定性的信号传播延迟
实现亚纳秒级的时间分辨率

测量机制：

起始信号(Start)触发测量过程
停止信号(Stop)捕获进位链状态
通过分析进位链中信号的传播位置计算时间间隔

3. 主要功能模块

3.1 进位链延迟生成模块

// 伪代码示意
module Gen_Chan_Carry4_Delay (
    input start_signal,
    output [N-1:0] carry_chain_output
);
    // 实现多级进位链延迟线
    // 每个Carry4元件提供固定的传播延迟
endmodule

该模块构建了一条由多个Carry4元件组成的延迟链，起始信号在链中传播，每个Carry4级都引入固定的时间延迟。

3.2 时间数字转换核心

// 伪代码示意
module Counter_TDC_Carry4 (
    input clk,
    input start,
    input stop,
    output [M-1:0] coarse_count,
    output [N-1:0] fine_count
);
    // 粗计数器：基于系统时钟的周期计数
    // 细计数器：基于进位链状态的精细时间测量
endmodule

TDC核心模块采用粗-精结合的双重计数策略：

粗计数器：基于系统时钟周期计数，提供大范围的时间测量
细计数器：基于进位链状态解码，提供高精度的时间分辨率

3.3 数据传输模块

// 伪代码示意
module Tx_Module (
    input clk,
    input [DATA_WIDTH-1:0] tdc_data,
    output tx_output
);
    // 将测量结果通过串行接口输出
    // 支持与外部处理器的数据通信
endmodule

该模块负责将TDC测量结果转换为串行数据流，便于与外部设备通信或数据记录。