[发明专利]一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法

说明书

本发明公开了一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，该方法的创新点是通过利用采样信号周期与采样间隔之间的关系，构建超定线性方程组并求解，以获得开关电容阵列芯片实际的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。这种方法具有算法简单高效，计算结果不受芯片模拟带宽以及各采样单元增益偏差限制，精度高等特点；可应用于基于开关电容阵列芯片的高精度时间测量领域，包括高能物理实验中的飞行时间探测系统、中微子测量、医疗成像领域的PET仪器等。

技术领域

本发明涉及精密时间测量领域，尤其涉及一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法。

背景技术

精密时间测量广泛的应用于粒子物理实验中，如时间飞行探测器系统、中微子测量实验、伽马射线测量，而且在医疗成像领域的正电子发射断层扫描成像(PositronEmission Tomography，PET)系统中也扮演着非常重要的角色。传统的时间测量方法是基于前沿定时、多阈甄别或是恒比定时(Constant Fraction Discriminator，CFD)技术配合时间数字变换器(Time to Digital Converter，TDC)来实现的。而在这些方法中定时电路和TDC电路均会影响最终的时间测量精度。近些年研究表明，利用全波形数字化技术先取得完整波形，再利用数字信号处理方法获得时间信息可以实现更高的时间测量精度。经典的波形数字化方法是基于高速模拟数字变化器(Analogue-to-Digital convertor，ADC))，但作为一种替代方案，基于开关电容阵列(Switched Capacitor Array，SCA)专用集成电路(Application Specific integrated Circuit，ASIC)的波形数字化技术由于其采样速率高、功耗低、通道集成度高以及价格相对较低等优点受到越来越广泛关注和研究。

在目前的高速SCA芯片中，采样时钟都是通过反相器延时链来产生的，其示意图如图1所示，所以相邻采样单元之间的采样间隔是由相应反相器的延时决定的。但由于受到工艺偏差的影响，实际芯片中各级反相器的延时并不相同，这就导致各采样间隔之间存在一定的不一致性。这种不一致性如果不加以修正，会限制时间测量的精度。到目前为止，已经有一些文献对这一问题进行探讨并提出了各自的时间修正方案，其中最具有代表性的就是“正弦波过零”时间修正法，它是利用不同采样单元在正弦波“过零”处的斜率不变的特性，即采样幅度差与采样时间间隔比值固定，通过测量幅度差来计算真实的采样间隔，其原理示意图如图2所。该方法可以简单表述如下：

其中，N是采样单元的个数，ΔV_n和Δt_n分别是第n个采样单元和第n+1个采样单元之间的幅度间隔和时间间隔，而零点位于第n个采样单元和第n+1个采样单元之间，T_clc是延时链锁相环(Delay-Locked Loop,DLL)输入参考时钟的周期，p则是零点处的正弦波斜率。

这种方法对时间测量精度有一定的改善效果，但该方法易受各采样单元增益偏差以及带宽的影响，式(1)并不严格成立，所以得到的采样间隔和真实的采样间隔之间还是有一定的偏差，因此该方法对时间测量精度的提高有限，尤其应用在带宽较低、各采样单元增益偏差较大的芯片时，效果不够明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，用以计算得到SCA芯片内各采样单元之间真实的采样间隔，再利用该采样间隔对时间测量结果进行修正。本发明的技术关键是超定线性方程组的构建，从理论上便具有不易受带宽和各采样单元增益不一致性的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于开关电容阵列芯片的时间修正方法，包括：

将已知频率的正弦波作为输入信号输入至开关电容阵列芯片，计算开关电容阵列芯片采样到正弦波形的过零点时间；