Time to digital converter: differenze tra le versioni

Versione delle 14:17, 5 lug 2019

Versione delle 14:30, 5 lug 2019

Riga 7:

==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=17–32|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 t_MEAS che intercorre tra i due segnali ''start'' e ''stop''.

<math display="block">t_{MEAS}=t_{STOP}-t_{START}</math>

Due applicazioni rappresentative possono essere il ''telemetro laser'' e la tecnica ''Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC)''

[[File:TDC schematic input stage.svg|centro|miniatura|upright=3|Schematizzazione ingressi TDC]]

<br />

Riga 21:

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=1–6|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 ''t_FLY'', 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 ''v'' della [[radiazione elettromagnetica]] nel [[mezzo trasmissivo|mezzo]] in cui avviene la misura è quindi possibile ricavare la distanza ''d'' percorsa dal fascio laser.

<br />

<math display="block">2 \cdot d = v \cdot t_{FLY}</math>

<math display="block">d = \frac{v}{2}t_{FLY}</math>

Riga 34:

==Time to Digital Converter==

Esistono varie architetture di misuratori temporali che cadono sotto la definizione di TDC, tutte accomunate dal rappresentare le misure direttamente in forma digitale. Il metodo di elaborazione della misura può essere però molto differente, passando da soluzioni sincrone con un [[clock]] di sistema a soluzioni totalmente asincrone. La scelta di un'architettura rispetto ad un altra varia in base all'applicazione, generalmente basando la decisione su costo, numero di canali, precisione, risoluzione e flessibilità nell'elaborazione della misura. Sono definiti come cronometri puramente digitali i ''Tapped Delay Line Time to Digital Converter (TDL-TDC), i Flash Time to Digital Converter (FTDC) e i contatori veloci a clock sfasato (Shift Clock Fast Counter, SCFC)''.

===Shift Clock Fast Counter===

[[File:SCFC TDC schematic.svg|miniatura|Schema interpolazione contatori per la realizzazione di un SCFC-TDC]]

Il Shift Clock Fast Counter (SCFC) TDC utilizza dei contatori sincroni per calcolare il tempo intercorso tra due intervalli temporali. Lo ''start'' viene utilizzato per memorizzare il valore del contatore nell'istante d'avvio, mentre all'arrivo dello ''stop'' viene memorizzato il valore attuale del contatore; con una semplice differenza tra i due valori è quindi possibile calcolare il tempo trascorso. Sapendo che ad ogni incremento del contatore ad ''n<small>bit</small>'' corrisponde un tempo ''t<small>inc</small>'' si può calcolare il tempo massimo misurabile ''Δt_MAX''

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

Riga 45:

===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=204–214|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>

[[File:TDL Propagation Scheme.svg|miniatura|Schema propagazione dei segnali in una TDL]]

Se ogni elemento di ritardo presenta un ritardo di propagazione ''t<small>p</small>'' ed è presente un numero di elementi ''N'', è possibile ricavare la massima distanza temporale misurabile con una catena ''Δt_MAX''.

<math display="block">\Delta t_{MAX}=\sum_{k=0}^{N-1}t_p</math>

Riga 53:

===Flash Time to Digital Converter===

[[File:Flash-tdc schematic.svg|miniatura|Schema di principio 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 τ 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. Poichè 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 τ 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=1148–1157|accesso=2019-07-04|doi=10.1109/TEST.2004.1387389|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/1387389/|nome2=G.W.|cognome2=Roberts}}</ref>).

== Note ==

{{Reflist}}

== Voci correlate ==

* [[Strumento di misura]]

* [[Strumento di misura digitale]]

* [[ASIC]]

* [[FPGA]]

[[Categoria:Circuiti elettronici]]

[[Categoria:Misuratori del tempo]]