Time to digital converter: differenze tra le versioni

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[[File:TDC 16 CH PCB.jpg|miniatura|Time to Digital converter a 16 canali]]

Il '''Time to digital converter''' (letteralmente "convertitore tempo-digitale"), generalmente abbreviato in '''TDC''', è uno [[strumento di misura digitale]] [[Elettronica|elettronico]] utilizzato per misurare intervalli temporali ad alta [[precisione]] che intercorrono tra eventi di varia natura. I TDC sono generalmente implementati all'interno di [[ASIC]]<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Min|cognome=Zhang|data=2017-04-14|titolo=A 7.4 ps FPGA-Based TDC with a 1024-Unit Measurement Matrix|rivista=Sensors|volume=17|numero=4|ppp=865|lingua=en|accesso=2019-07-05|doi=10.3390/s17040865|url=http://www.mdpi.com/1424-8220/17/4/865|nome2=Hai|cognome2=Wang|nome3=Yan|cognome3=Liu}}</ref> oppure programmati in un firmware per [[FPGA]]<ref name=":1" />. La scelta di rendere [[Digitale (informatica)|digitale]] una parte o la totalità dei sistemi di misurazione elettronici è dettata dall’intento di sfruttare i ben noti vantaggi offerti da questa opzione; questo, unito alla facilità d'integrazione, sono le principali differenze rispetto al [[Time to Amplitude converter]], altro metodo di misura del tempo.

Vista la diversa natura degli eventi misurati, vengono solitamente utilizzati dei [[trasduttori]] che si occupano di convertire il relativo fenomeno fisico in segnale elettrico utilizzabile direttamente dal TDC<ref>Attenzione a non confondere il TDC con i trasduttori che possono essere, in linea di principio, anche due componenti completamente separati</ref>, come [[diodo fotorivelatore a singolo fotone]] (SPAD), [[Superconducting Nanowire Single Photon Detector]] (SNSPD), [[SiPM|Silicon Photomultiplier]] (SiPM), [[Cross Delay Line]] (CDL).

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==Misura del tempo ad alta precisione==

I sistemi di cronometraggio rilevano la differenza temporale che separa due eventi. Questo intervallo temporale può essere misurato tra due impulsi consecutivi sullo stesso canale di misura o come differenza temporale tra due segnali afferenti a due canali diversi. Essendo il TDC un circuito elettronico digitale, per poter misurare le distanze temporali di eventi fisici deve ricevere in ingresso un segnale rappresentativo dell'evento in oggetto compatibile con il dispositivo TDC. Per questa ragione viene solitamente posto un [[trasduttore]] ed uno stadio di [[Condizionatore di segnale|condizionamento elettronico]] all'ingresso del TDC stesso. Il trasduttore si occupa di trasformare un evento fisico in un segnale elettrico che ne rappresenta l'evoluzione nel tempo. Lo stadio di condizionamento elettronico, anche chiamato discriminatore temporale (dall'inglese Time Discriminator TI), genera invece un segnale elettrico la cui unica funzione è trasportare l'informazione dell'istante d'arrivo dell'evento che ha attraversato tutta la catena di elaborazione.<ref name=":0">{{Cita pubblicazione|nome=Józef|cognome=Kalisz|data=2003-12-10|titolo=Review of methods for time interval measurements with picosecond resolution|rivista=Metrologia|volume=41|numero=1|pp=17–3217-32|accesso=2019-07-04|doi=10.1088/0026-1394/41/1/004|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/41/1/004}}</ref> I discriminatori temporali sono circuiti elettronici molto sofisticati poiché devono generare impulsi temporalmente precisi a fronte di segnali d’ingresso che possono essere molto differenti in forma e dinamica. Infatti, identificare dagli eventi fisici grezzi la posizione precisa degli istanti temporali tra cui effettuare la misura, mantenendola indipendente dalla loro forma, è oggigiorno una delle sfide più difficili nell’ambito del timing, soprattutto se sono presenti fronti più lenti rispetto alla risoluzione che si vuole ottenere. Un esempio di discriminatore temporale è il [[discriminatore a frazione costante]].<ref name=":0" />

È diventato di uso comune chiamare il segnale che dà inizio al conteggio dell’intervallo temporale evento di start mentre quello che segnala la fine della misura è detto di stop. Nello scenario base lo strumento di misura TDC sfrutterà queste informazioni per calcolare l'intervallo di tempo <math> t_{\mathit{MEAS}} </math> che intercorre tra i due segnali start e stop.

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===Telemetro laser===

Uno degli strumenti più popolari basato sulla misura di intervalli temporali ad alta risoluzione è il [[telemetro laser]], nel quale cronometri ad alta risoluzione sono impiegati per misurare il [[tempo di volo]] di un raggio [[laser]], stimando così la distanza che intercorre tra il bersaglio e la sorgente del laser.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=J.|cognome=Jayarajan|data=2013-12|titolo=Design of high precision electronics for laser range finder|rivista=2013 IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems (RAICS)|pp=1–61-6|accesso=2019-07-04|doi=10.1109/RAICS.2013.6745437|url=https://ieeexplore.ieee.org/document/6745437|nome2=R.|cognome2=Kumaran|nome3=S.|cognome3=Paul}}</ref>

La misura dello spazio è effettuata tramite una misura indiretta: un laser impulsato emette impulsi luminosi che viaggiano verso il bersaglio, per poi essere riflessi e rilevati da un [[fotodiodo]] posto in prossimità del laser. Il TDC misura il tempo di volo <math> t_{\mathit{FLY}}</math>, ovvero la distanza temporale che intercorre tra la partenza del raggio laser e l'arrivo della replica riflessa dal target. Conoscendo la velocità di propagazione <math> v </math> della [[radiazione elettromagnetica]] nel [[mezzo trasmissivo|mezzo]] in cui avviene la misura è quindi possibile ricavare la distanza <math> d </math> percorsa dal fascio laser:

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<math display="block">\Delta t_{\mathit{MAX}}=2^{n_{\mathit{bit}}} \cdot t_{\mathit{inc}} </math>

Per aumentare la risoluzione di questi misuratori si utilizza la tecnica di sfasamento del clock su multiple strutture di conteggio.<ref>{{Cita pubblicazione|data=2013-10|titolo=Two novel designs of multi-phase clocked ultra-high speed time counter on FPGA for TDC implementation|rivista=2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (2013 NSS/MIC)|editore=IEEE|pp=1–41-4|accesso=2019-07-04|doi=10.1109/NSSMIC.2013.6829534|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/6829534/}}</ref> Sfruttando strutture relativamente semplici è possibile ottenere contatori molto veloci con una occupazione di area o risorse ridotte, consentendo quindi la creazione di misuratori di tempo con un elevato numero di canali afferenti allo stesso circuito integrato ([[Application specific integrated circuit|ASIC]]).

===Tapped Delay Line Time to Digital Converter===

Il Tapped Delay Line Time to Digital Converter (TDL-TDC) inietta il segnale proveniente dal discriminatore temporale in una catena di elementi con ritardo t<small>p</small> (TDL); conoscendo a priori il ritardo generato da questi elementi è possibile ricavare la distanza temporale tra start e stop contando il numero di stadi che il segnale elettrico ha attraversato. In questa tipologia di TDC, lo start viene iniettato nella TDL mentre lo stop viene utilizzato per campionare lo stato della catena tramite [[flip-flop]]. Data la facilità di implementazione, questa struttura si presta ad essere integrata in dispositivi [[FPGA]].<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|nome=Nicola|cognome=Lusardi|data=2019-02-01|titolo=The role of sub-interpolation for Delay-Line Time-to-Digital Converters in FPGA devices|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=916|pp=204–214204-214|accesso=2019-07-04|doi=10.1016/j.nima.2018.11.100|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900218317479|nome2=Fabio|cognome2=Garzetti|nome3=Angelo|cognome3=Geraci}}</ref>

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===Flash Time to Digital Converter===

[[File:Flash-tdc schematic.svg|miniatura|Schema principio di funzionamento FTDC]]

Il Flash Time to Digital Converter (FTDC) sfrutta una serie di [[flip-flop]] per campionare un intervallo temporale. Il principio di funzionamento è simile a quanto accade con il [[flash ADC]], dove invece la grandezza misurata è una tensione e non un tempo. L'ingresso start viene diviso in più rami ed in serie ad ogni percorso viene posto un elemento di ritardo con un tempo di propagazione <math>t_{pN} = t_0 + \sum_{k=0}^{N}\tau</math>, dove <math> \tau</math> è uguale al tempo di propagazione aggiuntivo ad ogni ramo. Tutti i rami vengono poi campionati contemporaneamente da dei [[flip-flop]], dove lo stop TDC viene utilizzato come segnale di campionamento. Poiché l'elemento fondamentale di questo TDC si basa su elementi con ritardo arbitrario, sono state sviluppate nel tempo diverse soluzioni basate su fenomeni fisici differenti (come [[circuito RC|circuiti RC]] ad ogni ramo dove la costante di tempo <math> \tau</math> aumenta in funzione della posizione dell'elemento<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Marco|cognome=Zanuso|data=2010-9|titolo=Time-to-digital converter with 3-ps resolution and digital linearization algorithm|rivista=(:unav)|accesso=2019-07-04|doi=10.1109/esscirc.2010.5619879|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/5619879/|nome2=Salvatore|cognome2=Levantino|nome3=Alberto|cognome3=Puggelli}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=P.M.|cognome=Levine|data=2004|titolo=A high-resolution flash time-to-digital converter and calibration scheme|rivista=2004 International Conferce on Test|editore=IEEE|pp=1148–11571148-1157|accesso=2019-07-04|doi=10.1109/TEST.2004.1387389|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/1387389/|nome2=G.W.|cognome2=Roberts}}</ref>).

== Note ==

<references />

{{Reflist}}

== Voci correlate ==