面向在 FPGA 中实现多通道基于环形振荡器的 Vernier 时间数字转换器：关键设计要点与构建方法
仪器与探测器
2017-06-12 v2 高能物理 - 实验
摘要
对于飞行时间正电子发射断层扫描（TOF PET）探测器，时间数字转换器（TDC）对于分辨光子对的符合时间至关重要。最近，我们团队报道了一种利用进位链的基于环形振荡器（RO-based）的 Vernier TDC 高效结构。该方法因具有低线性误差和低资源开销而极具前景。然而，其实现复杂度相当高，尤其是在转向多通道 TDC 设计时，因为该方法需要对编译软件的初始拟合结果进行人工干预。在本文中，我们详细阐述了在保持最低实现复杂度的前提下实现此类高性能多通道 TDC 的关键要点。此外，我们提出了一种称为周期差记录的高效精细时间插值器构建方法，该方法最多只需 31 次调整试验即可获得目标 TDC 分辨率。为验证本文提出的技术，我们在 Stratix III FPGA 芯片上构建了一个 32 通道 TDC 并全面评估了其性能。码密度测试表明，32 个 TDC 通道中每个通道的分辨率结果在 (23 ps ~ 37 ps) 范围内，微分非线性（DNL）结果在 (-0.4 LSB ~ 0.4 LSB) 范围内，积分非线性（INL）结果在 (-0.7 LSB ~ 0.7 LSB) 范围内。本文极大地降低了进位链 RO-based TDC 的设计难度，并能显著推动其在实际应用中的发展。
引用
@article{arxiv.1703.01082,
title = {Towards implementing multi-channels, ring-oscillator-based, Vernier time-to-digital converter in FPGAs: key design points and construction method},
author = {Ke Cui and Xiangyu Li and Zongkai Liu and Rihong Zhu},
journal= {arXiv preprint arXiv:1703.01082},
year = {2017}
}
备注
9 pages,9 figures, 4 tables; published on IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences