[发明专利]一种基于FPGA的延时链温度漂移在轨修正装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天以及半导体技术领域，具体的说，是一种基于FPGA的延时链温度漂移在轨修正装置及方法。

背景技术

随着近年来航空航天以及半导体技术的快速发展，越来越多的半导体集成器件在空间任务中得到了应用。在很多空间应用中都对半导体器件的高精度时间分辨能力提出了要求，如卫星高度计、空间测距仪、空间遥测、时间校准，空间量子通讯中的时间定标、空间高能粒子谱仪和等离子体谱仪的飞行时间测量系统、以及一系列高精度时间测量测量系统。通常，半导体器件可使用多个延时单元级联，来实现对器件工作主时钟周期的内插，以达到提高时间分辨能力的目的，这种方法即被称为延时链法。使用主时钟设计计数器模块并结合延时链法，在实现高精度时间分辨能力的同时，还可提供较大的动态范围。

空间环境中温度变化剧烈，即使使用被动热控方案，半导体器件的工作环境温度仍然有数十摄氏度的变化范围，使用主动热控的方案时，虽然能够将温度变化控制在10度以内的范围，但是需要集成相当的外围控制电路和热阻，会同时提高卫星的发射成本和功耗，付出的代价也较大。半导体器件的工作速度受工作环境温度影响明显，尤其在需求高精度时间分辨的场合，延时单元的延时时间随温度的变化明显。延时时间受半导体电阻率和P-N结电容等因素影响。其中，P-N电容随温度变化较小，而电阻率的变化对延时链延时时间的温度漂移起主要作用。延时单元延时时间的大小与半导体电阻率成正比，随着温度升高，半导体器件的电阻率的变化趋势比较多变，如果不予修正，则会引入较大的测量误差，降低结果的可信度。因此，研究延时单元的温度漂移在轨修正方案，对各类高精度时间应用场合有着比较重要的意义。

近年来，由于在设计灵活性、处理能力以及可重复编程性等方面的优势，现场可编程门阵列（FPGA）在空间任务中应用越来越广泛。对于各类需求高精度时间的应用场合，基于FPGA的设计不仅可以通过配置其中的逻辑单元级联作为延时链，同时还可以集成延时链温度漂移修正的算法，甚至还可以根据实际需求配置级联的延时单元的种类和长度，以实现不同的延时单元码宽和延时链长度，也可以配置延时链的数目以合理应用资源。另外，对于应用需求的改变，对FPGA重新进行配置即可实现功能的变更，设计非常灵活。

中国专利公开号CN103092059A，公开了一种基于反熔丝FPGA的时间数字转换器及其温度漂移修正方法，针对在空间应用中基于FPGA设计的高精度时间数字转换器（TDC）提出延时单元级联的延时链延时时间的线性函数修正方法。该种修正方法针对从-20摄氏度到+70摄氏度的温度范围，对TDC的延时单元的延时时间使用线性函数拟合并修正了延时单元的温度漂移，保证了TDC在温度变化剧烈的环境中的时间测量精度。但是，该专利提出使用线性函数拟合延时单元的温度漂移，只能适用于较小工作温度范围。在温度变化范围较大时，线性函数对温度变化曲线的符合程度则会降低，线性函数法修正的准确度也会相应变差。同时，该专利描述了温度漂移离线修正的流程，但是并没有给出在FPGA中实时实现温度漂移修正的方法，其在空间环境中的应用存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于FPGA的延时链温度漂移在轨修正装置及方法，其能够在FPGA中实现了低功耗、低成本、设计灵活性较强、集成度高、精度高且适用温度范围广的延时链延时时间温度漂移在轨实时修正，可在空间应用等工作环境温度变化剧烈的场合使用，其使用较少资源即能够实现延时链延时时间温度漂移修正功能，同时保证较高的时间分辨能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的延时链温度漂移在轨修正装置，包括一温度传感器，用于采集工作环境的实时温度；一延时链，用于读出输入信号相对于时钟沿的时间信息；一D触发器阵列与所述延时链相连，用于在时钟沿到来时锁存所述延时链中各延时单元的输出状态，并输出温度计码数据；一译码单元与所述D触发器阵列相连，用于将所述温度计码数据转化为二进制码数据并输出；一查找表存储单元，用于存储在预设温度点标定的所述延时链的积分非线性查找表数据；一温度漂移修正控制单元分别与所述温度传感器、译码单元以及查找表存储单元相连，用于根据所述译码单元的输出数据从所述查找表存储单元中读取相应的积分非线性数据，结合温度传感器采集的实时温度，采用三次函数关系式对所述输出数据进行实时修正并输出结果，实现延时链温度漂移在轨实时修正。