SeruTek 双通道TDC测试报告

最新推荐文章于 2023-02-27 19:50:58 发布

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#嵌入式 #物联网 #算法

报告详细介绍了SeruTek双通道TDC在不同频率下的测试结果，包括残差序列、邻差序列及其标准差，展示了TDC在ToF应用中的高精度和稳定性。

SeruTek 双通道TDC测试报告

–基于Xilinx 7 Series 面向ToF应用

简介

SeruTek TDC 是一款基于Xilinx 7系列FPGA/SoC的TDC IP核。SeruTek TDC 采用多通道时间戳机制，对各个通道输入的脉冲记录其时间戳。时间戳分为两部分：粗计数和精计数。粗计数由FPGA内部实现的计数器得到，精密计数由FPGA内部的进位链组成的延时链得到。在采用类似的粗、精计数组合的技术方法中，最大的问题在于输入脉冲有可能非常靠近粗计数器时钟的上升沿，从而不满足其Flip-Flop register的setup时序要求并导致非稳态。非稳态的产生使得粗计数的值极有可能发生单周期跳变，从而严重影响计数精度。SeruTek TDC采用自研的独有技术完美解决了这一问题，从而大大提升了TDC的实用性。此外，SeruTek TDC还具有片上自动码宽度自动校准功能，并采取了多种技术手段减小了通道之间的时延差变化波动，保证了在结温变化时，通道之间的时延差小于20ps。

高精度、大量程、高速率、低通道差、多通道等优异的特性使得SeruTek广泛适用于通用计数器领域以及需要用到脉冲飞行时间(ToF)的应用，如激光测距、激光雷达、PET、超声波等应用。SeruTek TDC采用标准的AXI、AXIS接口，可方便地与Zynq A9硬核以及Microblaze软核集成，实现高速时间戳的采集与处理。

SeruTek 双通道TDC现开放免费评估试用，该IP核适用于Zynq（基于Artix的7010-7020）及Artix系列，理论上也可用于Spartan-7（未经测试）。如需更多通道或应用于更高阶的型号，请搜索SeruTek或瑟如电子了解详情。

SeruTek TDC的主要技术特性如下：

	One-shot RMS 精度	< 25ps
	最大量程	约70年
	单通道最小触发间隔（dead time）	14 ns
	最小可测时间间隔	单通道：14ns 将start、stop信号分布在不同通道上可以测量任意小的时间间隔
	通道间一致性	< 20 ps
	突发触发速率（burst hit rate）	70MHz 突发速率最大样本数受限于片上FIFO的容量。可根据使用芯片容量定制。
	连续触发速率	取决于采用的readout机制，当使用DMA时，单通道连续触发速率>30MSa/s。当配合riffa实现PCIE传输时，可在PCIE2.0 X8配置下实现多通道总和180Msa/s的连续采样速率。

实验设置

软硬件环境

测试硬件组成：

一块黑金AX7103开发板，芯片型号为XC7A100T-2FGG484；
一块Si5341 开发板，作为定时触发信号源；

测试软件组成：

Vivado Suit 2017.4
SeruTek sdk library r0.9 (SDK 软件库，用于TDC核配置、控制以及原始数据解析)

SeruTek 双通道TDC IP测试设置

在这里插入图片描述

两路hit信号通过SMA-转杜邦线接入AX7103开发板的扩展端口（2.54mm）。这样的方式并不是最优的，但有助于了解TDC
IP在一般条件下的性能。因为2.54mm扩展口并没有经过阻抗匹配，串扰抑制能力也一般，如果客户新设计电路板，需要对时钟信号、hit信号的阻抗匹配、串扰抑制等问题多加考虑。

时钟设置

为了模拟用户真实的使用场景，TDC的时钟源与定时信号的时钟源为独立时钟源，并不同源。因此测量结果会引入两个时钟源之间的频差及相位抖动。免费评估版的SeruTek TDC的参考时钟输入为50MHz的单端输入，在AX7103上配置有200MHz的有源差分晶振，SiT9102-200，其抖动较低，约为1ps。通过MMCM模块将此差分时钟信号转换为50MHz单端时钟输入到SeruTek TDC。需要注意的是，该方法并非最优，增加的MMCM将引入额外的抖动。用户可定制TDC core的时钟输入。

Si5341 EVB是一款时钟发生器评估板，具备10组时钟输出，时钟频率
120Hz-1028MHz，输出可配置成LVCOMS或LVDS等不同的格式，便于多通道TDC的测试与评估。测试时，基于Si5431 EVB板载的48MHz晶振，产生不同频率的触发定时信号，作为SeruTek TDC的hit信号。

测试内容

本测试主要考察SeruTek TDC在不用频率的触发信号下的测量结果。主要考察测量结果的抖动、测量结果的准确度以及通道之间的时延差的波动。

TDC的一大应用领域是飞行时间测量ToF。下表是不同的hit频率下，hit信号之间的时间间隔对应光速行进的距离。由于10倍数频率与TDC参考时钟50MHz有固定的相位关系，即使两个时钟不同源，但当高速测量时（hit频率较高时），测量值的精计数值可能集中在某些bin上，表现为极低的测量抖动。然而这种情况并不能全面表征TDC在整个测量范围内的性能，因此我们特意在10倍数频率上随意增加了频率分量，以求在精密计数环节增加足够多的变化，以便全面考察TDC的性能。