محول الوقت إلى رقمي

في مجال الأجهزة الإلكترونية ومعالجة الإشارات ، يُعدّ محوّل الوقت إلى رقمي ( TDC ) أو مُرقّم الوقت ( TD ) جهازًا يُستخدم للتعرّف على الأحداث وتوفير تمثيل رقمي لوقت حدوثها . على سبيل المثال، قد يُخرج محوّل الوقت إلى رقمي وقت وصول كل نبضة واردة. في بعض التطبيقات، يُفضّل قياس الفاصل الزمني بين حدثين بدلًا من مفهوم زمني مطلق، ولذلك يُستخدم المُرقّم لقياس الفاصل الزمني وتحويله إلى خرج رقمي (ثنائي). في بعض الحالات، [ 1 ] يُطلق على محوّل الوقت إلى رقمي المُستكمِل أيضًا اسم عداد الوقت ( TC ).

عند استخدام محولات الوقت الرقمي (TDCs) لتحديد الفاصل الزمني بين نبضتين إشارتين (المعروفتين بنبضة البدء ونبضة الإيقاف)، يبدأ القياس ويتوقف عندما تتجاوز الحافة الصاعدة أو الهابطة لنبضة الإشارة عتبة محددة. يُلاحظ هذا النمط في العديد من التجارب الفيزيائية، مثل قياسات زمن الطيران وعمر الإلكترونات في فيزياء الذرة والطاقة العالية ، والتجارب التي تتضمن قياس المدى بالليزر ، والأبحاث الإلكترونية التي تشمل اختبار الدوائر المتكاملة ونقل البيانات عالي السرعة. [ 1 ]

توجد عدة طرق لتحويل الوقت إلى رقمي. تسمح بعض الأنواع بدقة تصل إلى النانوثانية، بينما تتمتع أنواع أخرى بدقة تصل إلى البيكوثانية (انظر قسمي القياس الخشن والقياس الدقيق أدناه، على التوالي).

طلب

تُستخدم أجهزة تحويل الوقت الرقمي (TDCs) لتحديد وقت الأحداث وقياس الفروق الزمنية بين الأحداث، خاصة عندما تكون الدقة العالية والدقة التي تبلغ بيكو ثانية مطلوبة، مثل قياس الأحداث في تجارب فيزياء الطاقة العالية ، حيث يتم الكشف عن الجسيمات (مثل الإلكترونات والفوتونات والأيونات).

ومن التطبيقات الأخرى قياس تدفق المياه بطريقة غير ميكانيكية وفعالة من حيث التكلفة، وذلك عن طريق قياس الفرق الزمني بين نبضات الموجات فوق الصوتية التي تنتقل عبر التدفق وتصل في أوقات مختلفة تبعًا لسرعة التدفق واتجاهه. [ 2 ] [ 3 ]

في حلقة قفل الطور الرقمية بالكامل (ADPLL)، يقيس محول الوقت الرقمي (TDC) إزاحة الطور، وتُستخدم نتيجته لضبط المذبذب الرقمي المتحكم به (DCO). [ 4 ]

القياس التقريبي

يعمل مذبذب الموجة المتنقلة CMOS (الدوار) أو خط التأخير أو المضخم الموزع بتردد متوافق مع القلاب، ولكنه يتميز بحواف أكثر حدة ودقة تحت الحافة.

إذا لم تكن دقة الوقت المطلوبة عالية (دقة نانوثانية؟ )، فيمكن استخدام العدادات لإجراء التحويل.

عداد أساسي

في أبسط تطبيقاته، يُعدّ محوّل الوقت الرقمي (TDC) عدادًا يزيد قيمته مع كل دورة ساعة. في أي لحظة معينة، يشير محتوى العداد إلى الوقت الحالي. عند وقوع حدث ما، تُسجّل قيمة العداد في سجل إخراج.

في هذا النهج، يكون القياس عبارة عن عدد صحيح من دورات الساعة، لذا يتم تكميم القياس إلى دورة ساعة. وللحصول على دقة أعلى، يلزم استخدام ساعة أسرع. وتعتمد دقة القياس على استقرار تردد الساعة.

يستخدم محول الوقت الرقمي (TDC) عادةً ترددًا مرجعيًا لمذبذب بلوري لتحقيق استقرار جيد على المدى الطويل. تتميز المذبذبات البلورية عالية الاستقرار بتردد منخفض نسبيًا، مثل 10 ميجاهرتز (أو دقة  100 نانوثانية). [ 5 ] وللحصول على دقة أعلى، يُستخدم أحيانًا مضاعف تردد ذو حلقة قفل الطور لتوليد ساعة أسرع. على سبيل المثال، يمكن ضرب تردد المذبذب المرجعي البلوري المذكور أعلاه في 100 للحصول على معدل ساعة يبلغ 1 جيجاهرتز ( دقة 1 نانوثانية).   

التكنولوجيا المضادة

تفرض معدلات الساعة العالية قيودًا تصميمية إضافية على العداد: فإذا كانت دورة الساعة قصيرة، يصعب تحديث العدد. على سبيل المثال، تحتاج العدادات الثنائية إلى بنية حمل سريعة لأنها تضيف واحدًا إلى قيمة العداد السابقة. يتمثل أحد الحلول في استخدام بنية عداد هجينة. عداد جونسون ، على سبيل المثال، هو عداد غير ثنائي سريع. يمكن استخدامه لحساب القيم المنخفضة بسرعة كبيرة؛ بينما يمكن استخدام عداد ثنائي تقليدي لتجميع القيم العالية. يُطلق على العداد السريع أحيانًا اسم مُقسِّم التردد .

تُحدَّد سرعة العدادات المصنعة بتقنية CMOS بسعة المكثف بين البوابة والقناة، وبمقاومة القناة ومسارات الإشارة. ويُعرف تردد القطع بحاصل ضرب هذين العاملين. تسمح تقنية الرقائق الحديثة بإدخال طبقات معدنية متعددة، وبالتالي ملفات ذات عدد لفات كبير، داخل الرقاقة. وهذا يُمكّن المصممين من ضبط ذروة الجهاز عند تردد محدد ، قد يكون أعلى من تردد القطع للترانزستور الأصلي.

يُعد عداد الموجة المتنقلة أحد أنواع عدادات جونسون ذات الذروة، وهو يحقق دقة تصل إلى أجزاء من الدورة. وتشمل الطرق الأخرى لتحقيق هذه الدقة محولات التناظرية إلى الرقمية وعدادات جونسون الدقيقة .

قياس الفاصل الزمني

رسم تخطيطي لطريقة العد التقريبي في محولات الوقت الرقمي (TDCs) يوضح قياسات T في علاقات مختلفة مع نبضات الساعة.

في معظم الحالات، لا يرغب المستخدم في مجرد التقاط وقت مطلق لحدوث حدث ما، ولكنه يريد قياس فاصل زمني، أي الوقت بين حدث البدء وحدث التوقف.

يمكن القيام بذلك عن طريق قياس وقت عشوائي لكل من حدثي البدء والتوقف ثم طرحهما. قد يكون القياس خاطئًا بمقدار عدّتين.

يمكن تجنب عملية الطرح إذا تم تثبيت العداد عند الصفر حتى حدث البدء، ثم بدأ العد خلال الفترة، ثم توقف عن العد بعد حدث التوقف.

تعتمد العدادات الخشنة على ساعة مرجعية بإشارات يتم توليدها بتردد ثابتو0{\displaystyle f_{0}}[ 1 ] عند اكتشاف إشارة البدء، يبدأ العداد في عدّ إشارات الساعة ويتوقف عن العدّ بعد اكتشاف إشارة الإيقاف. الفاصل الزمنيتي{\displaystyle T}ثم يكون ما بين البداية والنهاية

تي=نتي0{\displaystyle T=n\cdot T_{0}}

معن{\displaystyle n}، وعدد العدّات وتي0=1/و0{\displaystyle T_{0}=1/f_{0}}، فترة الساعة المرجعية .

عداد إحصائي

بما أن إشارات البدء والإيقاف والساعة غير متزامنة، فإن هناك توزيعًا احتماليًا منتظمًا لأوقات إشارات البدء والإيقاف بين نبضتين متتاليتين من نبضات الساعة. يُطلق على هذا الاختلاف في توقيت إشارات البدء والإيقاف عن نبضات الساعة اسم خطأ التكميم .

لإجراء سلسلة من القياسات على نفس الفترة الزمنية الثابتة وغير المتزامنة، يتم قياس عددين مختلفين من نبضات الساعة المحسوبة.ن1{\displaystyle n_{1}}ون2{\displaystyle n_{2}}(انظر الصورة). تحدث هذه الأمور باحتمالات

ص(ن1)=1-ج{\displaystyle p(n_{1})=1-c}
q(ن2)=ج{\displaystyle q(n_{2})=c}

معج=Fرج(تي/تي0){\displaystyle c=Frc(T/T_{0})}الجزء الكسري منتي/تي0{\displaystyle T/T_{0}}ثم يتم الحصول على قيمة الفترة الزمنية من خلال

تي=(صن1+qن2)تي0{\displaystyle T=(p\cdot n_{1}+q\cdot n_{2})\cdot T_{0}}

يُعد قياس الفاصل الزمني باستخدام عداد تقريبي مع طريقة حساب المتوسط ​​الموضحة أعلاه عملية تستغرق وقتًا طويلاً نسبيًا نظرًا لكثرة التكرارات اللازمة لتحديد الاحتمالات.ص{\displaystyle p}وq{\displaystyle q}بالمقارنة مع الطرق الأخرى الموصوفة لاحقًا، فإن العداد الخشن لديه دقة محدودة للغاية (1  نانوثانية في حالة ساعة مرجعية بتردد  1 جيجاهرتز )، ولكنه يفي بالغرض بنطاق قياسه غير المحدود نظريًا.

قياسات دقيقة

على عكس العداد التقريبي في القسم السابق، تُعرض هنا طرق قياس دقيقة ذات دقة أعلى بكثير (دقة تصل إلى بيكو ثانية؟)، ولكن بنطاق قياس أصغر بكثير. [ 1 ] وتخضع للدراسة طرق تناظرية مثل تمديد الفاصل الزمني أو التحويل المزدوج، بالإضافة إلى طرق رقمية مثل خطوط التأخير المتشعبة وطريقة فيرنييه. ورغم أن الطرق التناظرية لا تزال تحقق دقة أفضل، إلا أن قياس الفاصل الزمني الرقمي يُفضل غالبًا نظرًا لمرونته في تقنية الدوائر المتكاملة وقدرته على مقاومة المؤثرات الخارجية مثل تغيرات درجة الحرارة.

تعتمد دقة عداد الوقت على تردد الساعة. فإذا قُيس الزمن بعدد صحيح، فإن الدقة تقتصر على دورة الساعة. على سبيل المثال،  ساعة بتردد 10 ميجاهرتز تتمتع بدقة 100  نانوثانية. وللحصول على دقة أعلى من دورة الساعة، تُستخدم دوائر استيفاء زمني. [ 6 ] تقيس هذه الدوائر جزءًا من دورة الساعة، أي الزمن بين حدث الساعة والحدث المراد قياسه. غالبًا ما تتطلب دوائر الاستيفاء وقتًا طويلًا لأداء وظيفتها؛ لذا، يحتاج عداد الوقت الرقمي إلى فترة هدوء قبل القياس التالي.

مُستكمِل المنحدر

عندما يتعذر العد بسبب ارتفاع معدل الساعة، يمكن استخدام الطرق التناظرية. تُستخدم هذه الطرق غالبًا لقياس الفترات الزمنية التي تتراوح بين 10 و200  نانوثانية. [ 7 ] تعتمد هذه الطرق عادةً على مكثف يُشحن خلال الفترة الزمنية المقاسة. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] في البداية، يُفرغ المكثف إلى الصفر فولت. عند بدء العملية، يُشحن المكثف بتيار ثابت I1 ؛ يؤدي هذا التيار الثابت إلى زيادة الجهد v على المكثف خطيًا مع الزمن. يُسمى هذا الارتفاع في الجهد بالانحدار السريع. عند توقف العملية، يتوقف تيار الشحن. يتناسب الجهد على المكثف v طرديًا مع الفترة الزمنية T ، ويمكن قياسه باستخدام محول تناظري رقمي (ADC). تتراوح دقة هذا النظام بين 1 و10  بيكوثانية. [ 12 ]

على الرغم من إمكانية استخدام محول تناظري رقمي منفصل، إلا أن خطوة التحويل غالبًا ما تُدمج في وحدة الاستيفاء. يُستخدم تيار ثابت ثانٍ I₂ لتفريغ المكثف بمعدل ثابت ولكنه أبطأ بكثير (المنحدر البطيء). قد يكون معدل المنحدر البطيء 1/1000 من معدل المنحدر السريع. يؤدي هذا التفريغ فعليًا إلى "إطالة" الفترة الزمنية؛ [ 13 ] حيث سيستغرق تفريغ المكثف إلى الصفر فولت 1000 ضعف المدة الزمنية. يمكن قياس الفترة الزمنية الممتدة باستخدام عداد. يشبه هذا القياس قياس محول تناظري ثنائي الميل .

قد تستغرق عملية التحويل ثنائية الميل وقتًا طويلاً: حوالي ألف نبضة ساعة في المخطط الموصوف أعلاه. هذا يحد من عدد مرات القياس الممكنة ( زمن التوقف ). تتطلب دقة 1  بيكو ثانية مع ساعة بتردد 100  ميجاهرتز (10  نانو ثانية) نسبة تمديد 10000، مما يعني زمن تحويل 150  ميكرو ثانية. [ 13 ] لتقليل زمن التحويل، يمكن استخدام دائرة الاستيفاء مرتين في تقنية الاستيفاء المتبقي . [ 13 ] يُستخدم المنحدر السريع مبدئيًا كما سبق لتحديد الزمن. المنحدر البطيء يكون عند 1/100 فقط. سيعبر المنحدر البطيء الصفر في وقت ما خلال دورة الساعة. عند عبور المنحدر الصفر، يُعاد تشغيل المنحدر السريع لقياس زمن العبور ( زمن التوقف ). بالتالي، يمكن تحديد الزمن بدقة جزء واحد من 10000.

تُستخدم المُستكمِلات غالبًا مع ساعة نظام ثابتة. يكون حدث البدء غير متزامن، بينما يكون حدث الإيقاف تابعًا لساعة النظام. [ 9 ] [ 11 ] ولتبسيط الأمر، تخيّل أن المنحدر السريع يرتفع بمقدار 1  فولت بالضبط خلال فترة ساعة مدتها 100 نانوثانية. بافتراض أن حدث البدء يحدث بعد 67.3  نانوثانية من نبضة الساعة، يتم تشغيل مُكامل المنحدر السريع ويبدأ بالارتفاع. يتم توجيه حدث البدء غير المتزامن أيضًا عبر مُزامِن يستغرق نبضتين ساعة على الأقل. بحلول نبضة الساعة التالية، يكون المنحدر قد ارتفع إلى 0.327  فولت. وبحلول نبضة الساعة الثانية، يكون المنحدر قد ارتفع إلى 1.327  فولت، ويُبلغ المُزامِن عن رصد حدث البدء. يتوقف المنحدر السريع ويبدأ المنحدر البطيء. يمكن استخدام خرج المُزامِن لالتقاط وقت النظام من عداد. بعد 1327 نبضة ساعة، يعود المنحدر البطيء إلى نقطة بدايته، ويعلم المُستكمِل أن الحدث قد وقع قبل 132.7  نانوثانية من إبلاغ المُزامِن.

في الواقع، يُعدّ المُستكمِل أكثر تعقيدًا نظرًا لوجود مشكلات في التزامن، ولأنّ تبديل التيار ليس فوريًا. [ 14 ] كما يجب على المُستكمِل معايرة ارتفاع المنحدر وفقًا لدورة الساعة. [ 15 ]

فيرنييه

مُستكمِل فيرنييه

تُعدّ طريقة الفيرنييه أكثر تعقيدًا. [ 16 ] تتضمن هذه الطريقة مُذبذبًا قابلًا للتشغيل [ 17 ] ودائرة تزامن. عند وقوع الحدث، يُخزّن عدّاد الساعة الصحيح، ثم يُشغّل المُذبذب. يتميز المُذبذب المُشغّل بتردد مختلف قليلًا عن تردد مُذبذب الساعة. على سبيل المثال، لنفترض أن دورة المُذبذب المُشغّل  أسرع بمقدار 1 نانوثانية من دورة الساعة. إذا وقع الحدث بعد 67  نانوثانية من آخر نبضة ساعة، فإن انتقال المُذبذب المُشغّل سينزلق بمقدار -1  نانوثانية بعد كل نبضة ساعة لاحقة. سيكون المُذبذب المُشغّل عند 66  نانوثانية بعد نبضة الساعة التالية، وعند 65  نانوثانية بعد نبضة الساعة الثانية، وهكذا. يبحث كاشف التزامن عن اللحظة التي يتزامن فيها انتقال المُذبذب المُشغّل مع انتقال الساعة، وهذا يُشير إلى جزء الزمن الذي يجب إضافته.

تصميم جهاز الاستيفاء أكثر تعقيداً. يجب معايرة الساعة القابلة للتشغيل مع الساعة. كما يجب أن تبدأ بسرعة وسلاسة.

طريقة الورنية

طريقة فيرنييه هي نسخة رقمية من طريقة تمديد الوقت. مذبذبان مضبوطان بشكل طفيف ( بتردداتو1{\displaystyle f_{1}}وو2{\displaystyle f_{2}}تبدأ إشاراتها بوصول إشارة البدء وإشارة الإيقاف. بمجرد أن تتطابق الحواف الأمامية لإشارات المذبذب ، ينتهي القياس، ويتوقف عدد دورات المذبذبات.ن1{\displaystyle n_{1}}ون2{\displaystyle n_{2}}(على التوالي) تؤدي إلى الفترة الزمنية الأصليةتي{\displaystyle T}:

تي=ن1-1و1-ن2-1و2{\displaystyle T={\frac {n_{1}-1}{f_{1}}}-{\frac {n_{2}-1}{f_{2}}}}

بما أن المذبذبات عالية الموثوقية ذات التردد الثابت والدقيق لا تزال تشكل تحديًا كبيرًا، يتم أيضًا تطبيق طريقة الفيرنييه عبر خطي تأخير متفرعين باستخدام زمنين مختلفين قليلاً لتأخير الخلية.τ{\displaystyle \tau }يُطلق على هذا الإعداد اسم خط التأخير التفاضلي أو خط تأخير فيرنييه . [ 18 ]

في المثال الموضح هنا، يحتوي خط التأخير الأول المرتبط بإشارة البدء على خلايا من قلابات D مع تأخيرτل{\displaystyle \tau _{L}}والتي يتم ضبطها مبدئيًا على وضع الشفافية. أثناء انتقال إشارة البدء عبر إحدى هذه الخلايا، تتأخر الإشارة بمقدارτل{\displaystyle \tau _{L}}ويتم أخذ عينة من حالة القلاب على أنها شفافة. يتكون خط التأخير الثاني التابع لإشارة الإيقاف من سلسلة من المخازن المؤقتة غير العاكسة ذات التأخير.τب<τل{\displaystyle \tau _{B}<\tau _{L}}عند مرور إشارة الإيقاف عبر قناتها، فإنها تُثبّت قلابات خط تأخير إشارة البدء. وبمجرد أن تتجاوز إشارة الإيقاف إشارة البدء، تتوقف الأخيرة ويتم أخذ عينات من جميع القلابات المتبقية. وبالمثل، في حالة المذبذبات المذكورة أعلاه، يتم الحصول على الفاصل الزمني المطلوب.تي{\displaystyle T}ثم

تي=ن(τ1-τ2){\displaystyle T=n\cdot (\tau _{1}-\tau _{2})}

حيث n هو عدد الخلايا التي تم تمييزها على أنها شفافة.

خط تأخير رقمي قائم على TDC

خط تأخير مُجزأ باستخدام أقفال D متسلسلة، كل منها مزود بتأخيرτ{\displaystyle \tau }ويتم التحكم بها بواسطة إشارة الإيقاف، التي تجمد جميع الأقفال بحيث تتوقف إشارة البدء عن الانتشار. بعد ذلك، يمكن قراءة حالتها بواسطة جهاز تشفير لتحديد التأخير.

بشكل عام، يحتوي محول الوقت الرقمي إلى الرقمي (TDC) القائم على خط التأخير الرقمي [ 19 ] ، والمعروف أيضًا باسم خط التأخير ذي النقاط ، على سلسلة من الخلايا (على سبيل المثال باستخدام بوابات D في الشكل) ذات أوقات تأخير محددة جيدًاτ{\displaystyle \tau }تنتشر إشارة البدء عبر هذه السلسلة، وتتأخر تباعًا في كل خلية. عدد الخلايا التي مرت بها إشارة البدء عند حدوث إشارة التوقف يساوي الفترة الزمنية ( المقربة ) بين إشارتي البدء والتوقف مقسومة علىτ{\displaystyle \tau }.

القياس الهجين

رسم تخطيطي لطريقة نوت للاستيفاء

تستطيع العدادات قياس الفترات الزمنية الطويلة، لكن دقتها محدودة. أما أجهزة الاستيفاء، فتتميز بدقة عالية، لكنها لا تستطيع قياس الفترات الزمنية الطويلة. ويمكن لنهج هجين تحقيق كل من قياس الفترات الزمنية الطويلة والدقة العالية. [ 1 ] يمكن قياس الفترة الزمنية الطويلة باستخدام عداد. تُستكمل معلومات العداد بجهازَي استيفاء زمنيين: يقيس أحدهما الفترة الزمنية (القصيرة) بين حدث البدء وحدث الساعة التالي، بينما يقيس الآخر الفترة الزمنية بين حدث الإيقاف وحدث الساعة التالي. لكن الفكرة الأساسية تنطوي على بعض التعقيدات: فحدثا البدء والإيقاف غير متزامنين، وقد يحدث أحدهما أو كلاهما بالقرب من نبضة الساعة. لذا، يجب أن يتفق العداد وأجهزة الاستيفاء على مطابقة أحداث الساعة للبدء والنهاية. ولتحقيق ذلك، تُستخدم أجهزة التزامن.

يُعدّ أسلوب نوت (Nutt method ) النهج الهجين الشائع . [ 20 ] في هذا المثال، تقيس دائرة القياس الدقيق الزمن بين نبضة البدء ونبضة الإيقاف، بالإضافة إلى نبضة الساعة الثانية الأقرب لكل منهما في العداد التقريبي ( T start , T stop )، والتي يكتشفها جهاز التزامن (انظر الشكل). وبالتالي، فإن الفاصل الزمني المطلوب هو

تي=نتي0+تيsتأرت-تيsتoص{\displaystyle T=nT_{0}+T_{\mathrm {start} }-T_{\mathrm {stop} }}

حيث n هو عدد نبضات عداد الساعة و T 0 هي فترة العداد الخشن.

تاريخ

لعب قياس الزمن دوراً حاسماً في فهم الطبيعة منذ أقدم العصور. فبدءاً من الساعات التي تعمل بالطاقة الشمسية أو الرملية أو المائية ، أصبحنا قادرين اليوم على استخدام الساعات القائمة على رنانات السيزيوم فائقة الدقة.

اخترع برونو روسي أول سلف مباشر لمحول الزمن إلى السعة (TDC) عام 1942 لقياس أعمار الميونات . [ 21 ] صُمم هذا المحول لتحويل الزمن إلى السعة ، حيث يقوم بشحن مكثف باستمرار خلال الفترة الزمنية المقاسة. ويتناسب الجهد الناتج طرديًا مع الفترة الزمنية قيد الدراسة.

على الرغم من أن المفاهيم الأساسية (مثل طرق فيرنييه ( بيير فيرنييه 1584-1638) وتمديد الزمن) لتقسيم الزمن إلى فترات قابلة للقياس لا تزال مستخدمة، إلا أن تطبيقها قد تغير كثيراً خلال الخمسين عاماً الماضية. فبدءاً من الصمامات المفرغة ومحولات القلب الوعائي المصنوعة من الفريت، تُطبَّق هذه الأفكار اليوم في تصميم أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية ( CMOS ). [ 22 ]

أخطاء

بعض المعلومات من [ 1 ]

حتى مع استخدام أساليب القياس الدقيقة المذكورة، لا تزال هناك أخطاء يُفضّل إزالتها أو على الأقل أخذها في الاعتبار. فعلى سبيل المثال، يمكن تحديد اللاخطية في تحويل الزمن إلى رقمي من خلال إجراء عدد كبير من القياسات لمصدر ذي توزيع بواسون (اختبار كثافة الشفرة الإحصائية). [ 23 ] تكشف الانحرافات الطفيفة عن التوزيع المنتظم عن هذه اللاخطية. ومن المؤسف أن طريقة كثافة الشفرة الإحصائية حساسة للغاية لتغيرات درجة الحرارة الخارجية. لذا يُنصح باستخدام دوائر تأخير أو دوائر حلقة قفل الطور (DLL أو PLL) لتحقيق الاستقرار.

وبالمثل، يمكن إزالة أخطاء الإزاحة (القراءات غير الصفرية عند T  = 0). 

في الفترات الزمنية الطويلة، يلعب الخطأ الناتج عن عدم استقرار ساعة المرجع ( الارتعاش ) دورًا رئيسيًا. لذا، فإن ساعات ذات جودة فائقة ضرورية لمثل هذه المحولات الرقمية الزمنية.

علاوة على ذلك، يمكن التخلص من مصادر الضوضاء الخارجية في مرحلة ما بعد المعالجة باستخدام أساليب التقدير القوية . [ 24 ]

التكوينات

تُصنع محولات الوقت الرقمي حاليًا كأجهزة قياس مستقلة في التجارب الفيزيائية أو كمكونات نظامية مثل بطاقات PCI. ويمكن أن تتكون من دوائر منفصلة أو دوائر متكاملة.

تتغير تصميمات الدوائر وفقًا لغرض TDC، والذي يمكن أن يكون إما حلاً جيدًا جدًا لـ TDCs أحادية اللقطة ذات أوقات التوقف الطويلة أو بعض المقايضات بين وقت التوقف والدقة لـ TDCs متعددة اللقطات.

مولد التأخير

يوجد تشابه بين محول الوقت الرقمي (الأسفل) ومولد التأخير (الأعلى، ولكنه يحتاج إلى الجزء السفلي للتشغيل). يتم التحكم في إشارة الوميض بواسطة المذبذب لتجنب التداخل مع بت الحمل.

يقيس محول الوقت إلى رقمي الفترة الزمنية بين حدث بدء وحدث إيقاف. يوجد أيضًا محول رقمي إلى زمني، أو مولد تأخير . يحول مولد التأخير قيمة عددية إلى تأخير زمني. عندما يتلقى مولد التأخير نبضة بدء عند مدخله، فإنه يُخرج نبضة إيقاف بعد التأخير المحدد. تتشابه بنية محولات الوقت إلى رقمي ومولدات التأخير، حيث يستخدم كلاهما عدادات لتأخيرات طويلة ومستقرة. ويجب على كليهما مراعاة مشكلة أخطاء تكميم الساعة.

على سبيل المثال، يستخدم جهاز التأخير الرقمي Tektronix 7D11 بنية عداد. [ 25 ] يمكن ضبط التأخير الرقمي من 100  نانوثانية إلى  ثانية واحدة بزيادات قدرها 100  نانوثانية. توفر دائرة تناظرية تأخيرًا دقيقًا إضافيًا من 0 إلى 100  نانوثانية.  تعمل ساعة مرجعية بتردد 5 ميجاهرتز على تشغيل حلقة قفل الطور لإنتاج  ساعة مستقرة بتردد 500 ميجاهرتز. يتم التحكم في هذه الساعة السريعة بواسطة حدث البدء (المؤجل بدقة) وتحدد خطأ التكميم الرئيسي. يتم تقسيم الساعة السريعة إلى 10  ميجاهرتز وتغذيتها إلى العداد الرئيسي. [ 26 ] يعتمد خطأ تكميم الجهاز بشكل أساسي على  ساعة 500 ميجاهرتز (بخطوات 2  نانوثانية)، ولكن توجد أخطاء أخرى أيضًا؛ تم تحديد الجهاز بتردد تذبذب  قدره 2.2 نانوثانية . زمن إعادة التدوير هو 575 نانوثانية. 

كما يستخدم محول الوقت الرقمي (TDC) الاستيفاء للحصول على دقة أعلى من دورة ساعة واحدة، يمكن لمولد التأخير استخدام تقنيات مماثلة. يوفر مُركِّب الوقت عالي الدقة Hewlett-Packard  5359A تأخيرات تتراوح من 0 إلى 160 مللي ثانية، بدقة 1  نانو ثانية، ويحقق ارتعاشًا نموذجيًا قدره 100  بيكوثانية. [ 27 ] يعتمد التصميم على مذبذب مُقفل الطور يعمل بتردد 200  ميجاهرتز. يتم الاستيفاء باستخدام مُنحدر، ومحول رقمي تناظري 8 بت، ومُقارن. تبلغ الدقة حوالي 45  بيكوثانية.

عند استقبال نبضة البدء، يبدأ العد التنازلي ثم يُخرج نبضة إيقاف. ولتقليل التذبذب ، يجب على العداد المتزامن تغذية علامة الصفر من البت الأكثر أهمية إلى البت الأقل أهمية ، ثم دمجها مع خرج عداد جونسون.

يمكن استخدام محول رقمي إلى تناظري (DAC) لتحقيق دقة أقل من دورة واحدة، ولكن من الأسهل استخدام عدادات جونسون ذات الدقة العالية أو عدادات جونسون ذات الموجة المتنقلة.

يمكن استخدام مولد التأخير لتعديل عرض النبضة ، على سبيل المثال لتشغيل MOSFET لتحميل خلية بوكلز في غضون 8 نانوثانية بشحنة محددة.

يمكن لمخرج مولد التأخير أن يُشغّل مُحوّلًا رقميًا تناظريًا، وبالتالي يُمكن توليد نبضات ذات ارتفاعات مُتغيرة. وهذا يُتيح مُطابقة المستويات المنخفضة التي تحتاجها الإلكترونيات التناظرية، والمستويات الأعلى لتقنية ECL ، وحتى المستويات الأعلى لتقنية TTL . إذا تم تشغيل سلسلة من مُحوّلات DAC بالتتابع، يُمكن توليد أشكال نبضات مُتغيرة لمراعاة أي دالة نقل.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 كاليس، جوزيف (فبراير 2004)، "مراجعة لطرق قياس الفترات الزمنية بدقة البيكوثانية"، مجلة Metrologia ، 41 (1)، منشورات معهد الفيزياء: 17-32 ، Bibcode : 2004Metro..41...17K ، doi : 10.1088/0026-1394/41/1/004 ، S2CID 250775541 
  2. كريس أرديس (2019-02-06). مذكرة تطبيقية رقم 5968 من شركة ماكسيم إنتجريتد (مرحباً بدخول عدادات المياه إلى القرن الحادي والعشرين) (ملف PDF) (تقرير فني). شركة أنالوج ديفايسز.
  3. ملاحظة تطبيقية رقم 023 لمحولات التدفق فوق الصوتية. قياس المياه والحرارة بالموجات فوق الصوتية باستخدام TDC-GP22 (ملف PDF) (تقرير فني). شركة ams AG. 10-07-2013.
  4. هينزلر، ستيفان (2010). "6.1 حلقة الطور الرقمية المغلقة". محولات الزمن إلى رقمي . سلسلة سبرينغر في الإلكترونيات الدقيقة المتقدمة. المجلد 29. دوردريخت: سبرينغر هولندا. الصفحات 112-116 . doi : 10.1007/978-90-481-8628-0 . ISBN   978-90-481-8627-3ISSN 1437-0387 
  5. على سبيل المثال، مذبذب فرن بلوري من نوع هيوليت-باكارد (أجيلنت حاليًا) 10811؛ http://www.hparchive.com/Manuals/HP-10811AB-Manual.pdf
  6. الزمن والتردد من الألف إلى الياء ، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. على سبيل المثال، يُتيح ضرب تردد قاعدة الزمن في 100 ميجاهرتز دقةً تصل إلى 10 نانوثانية، بل وتم بناء عدادات بدقة 1 نانوثانية باستخدام قاعدة زمن بتردد 1 جيجاهرتز. مع ذلك، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لزيادة الدقة هي اكتشاف أجزاء من دورة قاعدة الزمن من خلال الاستيفاء، دون التقيد بعدد الدورات الكاملة. وقد جعل الاستيفاء عدادات زمن الإشارة (TICs) بدقة 1 نانوثانية شائعة، بل وتتوفر الآن عدادات زمن الإشارة بدقة 20 بيكوثانية.      ، إدخال لعداد الفاصل الزمني .
  7. كاليسز 2004 ، ص 19 
  8. ريسر، جيلبرت أ. (مايو 1969)، "عداد إلكتروني لسبعينيات القرن العشرين" (ملف PDF) ، مجلة هيوليت-باكارد ، 20 ( 9)، هيوليت-باكارد: 9-12
  9. 1 2 ساساكي، غاري د.؛ جنسن، رونالد س. (سبتمبر 1980)، "القياسات التلقائية باستخدام عداد عالمي عالي الأداء" (ملف PDF) ، مجلة هيوليت-باكارد ، 31 ( 9)، هيوليت-باكارد: 21-31
  10. راش، كينيث؛ أولدفيلد، داني جيه. (أبريل 1986)، "نظام جمع البيانات لجهاز راسم الإشارة الرقمي بتردد 1 جيجاهرتز"، مجلة هيوليت-باكارد ، 37 ( 4)، هيوليت-باكارد: 4-11
  11. 1 2 إسكيلدسون، ديفيد د.؛ كيلوم، ريجينالد؛ وايتمان، دونالد أ. (أكتوبر 1993)، "نظام قاعدة زمنية ومحرك رقمي لجهاز راسم الإشارة مُحسَّن للإنتاجية العالية والارتعاش المنخفض"، مجلة هيوليت-باكارد ، 44 (5)، هيوليت- باكارد : 21-30
  12. كاليز 2004 ، ص 20. يذكر كاليز أن نظام ستانفورد للأبحاث SR620 يستخدم هذه الطريقة. 
  13. 1 2 3 Eskeldson, Kellum & Whiteman 1993 , ص. 27 ينص على أن "المُستكمِل يُكبِّر فعليًا فترة الاستيفاء أو عدم اليقين بنسبة تيارات الشحن والتفريغ". 
  14. ^ إسكلدسون، كيلوم ووايتمان 1993 ، ص. 27 
  15. ساساكي وجينسن 1980 ، ص 23، يذكران: "عمليًا، تخضع مصادر التيار والدوائر الأخرى المستخدمة في بناء أجهزة الاستيفاء لتغيرات تشغيلية مع تغير درجة الحرارة والوقت. كانت أجهزة الاستيفاء في جهاز 5360A موجودة في تجويف معزول خاص، وكانت تحتوي على عدة تعديلات. أما جهاز 5335A فيستخدم تقنية معايرة ذاتية لا تتأثر بدرجة الحرارة ولا تحتاج إلى أي تعديلات." 
  16. تشو، ديفيد سي؛ ألين، مارك إس؛ فوستر، ألين إس (أغسطس 1978)، "عداد عالمي يقيس الفترات الزمنية بالبيكو ثانية" (ملف PDF) ، مجلة HP ، 29 ( 12)، هيوليت-باكارد: 2-11
  17. تشو، ديفيد سي. (أغسطس 1978)، "المذبذب المقفل الطور المُشغَّل" (ملف PDF) ، مجلة HP ، 29 ( 12)، هيوليت-باكارد: 8-9
  18. هينزلر، ستيفان (2010). "5.3 محولات الوقت إلى رقمي فيرنييه". سلسلة سبرينغر في الإلكترونيات الدقيقة المتقدمة. المجلد 29. دوردريخت: سبرينغر هولندا. الصفحات 83-85 . doi : 10.1007/978-90-481-8628-0 . ISBN   978-90-481-8627-3ISSN 1437-0387 
  19. هينزلر، ستيفان (2010). "2.4 محولات الوقت إلى رقمي أساسية تعتمد على خط التأخير الرقمي". محولات الوقت إلى رقمي . سلسلة سبرينغر في الإلكترونيات الدقيقة المتقدمة. المجلد 29. دوردريخت: سبرينغر هولندا. الصفحات 22-26 . doi : 10.1007/978-90-481-8628-0 . ISBN   978-90-481-8627-3ISSN 1437-0387 
  20. كاليسز، ج.؛ باولووسكي، م.؛ بيلكا، ر. (1987)، "تحليل الأخطاء وتصميم مُرقّم الفواصل الزمنية نوت بدقة بيكوثانية"، مجلة الفيزياء E: الأجهزة العلمية ، 20 (11): 1330-1341 ، رمز Bibcode : 1987JPhE...20.1330K ، doi : 10.1088/0022-3735/20/11/005
  21. "برونو بينيديتو روسي"، جورج دبليو كلارك، دار النشر الأكاديمية الوطنية، واشنطن العاصمة 1998، ص 13
  22. "تقنيات تشكيل الضوضاء للمحولات التناظرية والرقمية الزمنية باستخدام المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد"، ماثيو إيه زد ستراير، أطروحة دكتوراه، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (2008)
  23. بيلكا، ر.؛ كاليسز، ج.؛ سزبليت، ر. (1997)، "تصحيح اللاخطية لمحول الوقت إلى رقمي المتكامل مع الترميز المباشر"، معاملات IEEE في مجال الأجهزة والقياس ، 46 (2): 449-452 ، Bibcode : 1997ITIM...46..449P ، doi : 10.1109/19.571882
  24. كاليسز، ج.؛ باولووسكي، م.؛ بيلكا، ر. (مارس 1994)، "عداد زمني دقيق لتحديد المدى بالليزر للأقمار الصناعية"، مجلة الأدوات العلمية ، 65 (3): 736-741 ، رمز Bibcode : 1994RScI...65..736K ، doi : 10.1063/1.1145094
  25. دليل تعليمات خدمة جهاز التأخير الرقمي 7D11 من تيكترونيكس ، بيفرتون، أوريغون: تيكترونيكس، 1973، 070-1377-01
  26. كان تردد 10 ميجاهرتز ضمن نطاق الترددات التي كانت دوائر TTL قادرة على التعامل معها عام 1971. استُخدمت تقنيات مختلفة لمعالجة تقسيمات الترددات العالية نظرًا لندرة العدادات الرقمية عالية السرعة في ذلك الوقت. تتكون المرحلة الأولى (500 ميجاهرتز) من مُذبذب  مُتزامن بتردد 100 ميجاهرتزلتنفيذ دائرة تقسيم على 5. أماالمرحلة الثانية (100 ميجاهرتز) فهي عبارة عن عداد حلقي لتقسيم التردد على 5، مصنوع من ترانزستورات منفصلة ذات اقتران باعث. المرحلة الأخيرة عبارة عن قلاب. 
  27. فيرغسون، كيث م.؛ ديكستين، ليونارد ر. (أغسطس 1978)، "مولد نبضات دقيق وعرض زمني دقيق لتأخيرات زمنية لتطبيقات التوقيت الحرجة" (ملف PDF) ، مجلة HP ، 29 ( 12): 12-19