TDC

Ein Time-to-Digital Converter ist ein integrierter Schaltkreis oder ein Modul, das das Zeitintervall zwischen zwei elektrischen Impulsen misst und dieses Intervall als digitalen Wert ausgibt. Der Eingang besteht üblicherweise aus einem START-Signal und einem STOP-Signal, die um Nanosekunden oder Pikosekunden voneinander entfernt sind. Die Ausgabe ist eine Binärzahl, die diese Verzögerung darstellt. In Stromsystemen, Detektoren und Hochenergiephysik-Experimenten ersetzen TDCs analoge Oszilloskope und Verzögerungsleitungsschaltungen, um Zeitdaten in Echtzeit und mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen.

Der Kern der meisten TDCs ist eine abgegriffen Verzögerungsleitung: eine Kette von Logikgattern oder Invertern, die jeweils eine feste Verzögerung von 50 bis 200 Pikosekunden erzeugen. Wenn der START-Impuls ankommt, beginnt er, die Leitung hinunterzulaufen. Wenn STOP ankommt, erfasst ein Snapshot-Encoder, welchen Abgriff der Impuls erreicht hat. Diese Abgriffnummer wird zur Zeitmessung. Moderne TDCs können mehrere parallele Verzögerungsleitungen, Interpolation zwischen Abgriffen oder eine Sub-Gate-Delay-Codierung verwenden, um die Auflösung unter die inhärente Gatterverzögerung zu verbessern.

Auflösung, Genauigkeit und das Problem der hohen Zählrate

Die Auflösung liegt typischerweise bei 10 bis 100 Pikosekunden pro Zählwert, abhängig von der Verzögerungsleitunteilung und der Interpolationsmethode. Die Genauigkeit hängt von der Temperaturstabilität, der Spannungsregelung und der Prozessvariationen im Silizium ab. TDCs haben eine Totzeit nach jeder Messung: Die Verzögerungsleitung muss zurückgesetzt werden, bevor sie erneut messen kann. Anwendungen mit hoher Zählrate können mehrere TDC-Kanäle parallel oder einen sehr schnellen Rücksetzbaustein erfordern. In Strahlungsdetektoren und Flugzeitmassenspektrometrie kann eine Totzeit von wenigen Mikrosekunden erhebliche Fehler in den Daten verursachen.

TDCs sind in Gamma-Strahlen-Zeitmessung, LiDAR, Kerninstrumentation und Ultraschall-Entfernungsmessung anzutreffen. Sie existieren als eigenständige ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise), als eingebettete Blöcke in FPGAs oder als kompakte Module mit Eingangsschaltungen im Analogbereich. Die Nomenklatur spiegelt die Funktion wider: digitale Umwandlung eines Zeitintervalls. Der alternative Analogansatz mit einer Spannungsrampe und ADC ist über kurze Intervalle langsamer und weniger präzise; der TDC bietet Geschwindigkeit und Auflösung im Pikosekunden- bis Nanosekundenbereich zu Lasten der Architekturkomplexität.

Die Kalibrierung eines TDC ist vor der Verwendung erforderlich. Die Verzögerung pro Abgriff driftet mit der Temperatur, daher enthalten Systeme oft Kalibrierungsschaltungen auf dem Chip oder erfordern periodisch externe Referenzimpulse. Nichtlinearität über die Verzögerungsleitung hinweg, fehlende Codes bei bestimmten Ausgabewerten und integrale Nichtlinearität von 1 bis 5 Prozent sind üblich. Bei der Auswahl oder beim Entwurf mit einem TDC sollten die Datenblätter auf differentielle Nichtlinearität, integrale Nichtlinearität und Temperaturkoeffizient geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Messunsicherheit für die Anwendung akzeptabel ist.