Time to digital converter: differenze tra le versioni

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[[File:TDC 16 CH PCB.jpg|miniatura|Printed Circuit Board di un Time to Digital converter a 16 canali]]

Il '''Time to Digital Converter''', generalmente abbreviato in '''TDC''', è uno [[strumento di misura digitale]] [[Elettronica|elettronico]] utilizzato per misurare distanze temporali ad alta [[precisione]] che intercorrono tra eventi di varia natura. I TDC si {{citazione necessaria|possono trovare 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|pp=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 {{citazione necessaria|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 insieme alla facilità d'integrazione sono le principali differenze rispetto al [[Time to Amplitude converter]], generalmente abbreviato in TAC, altro metodo di misura del tempo.

Vista la diversa natura degli eventi misurati vengono solitamente utilizzati dei [[trasduttori]] che si occupano di traslare il relativo fenomeno fisico in segnale elettrico utilizzabile 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>, ad esempio si possono utilizzare [[Single Photon Avalanche Diode]] (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 questo motivo viene posto un [[trasduttore]] ed uno stadio di [[Condizionatore di segnale|condizionamento elettronico]]. Il trasduttore si occupa di trasformare un evento fisico in un segnale elettrico che ne rappresenta l'evoluzione l'evoluzione nel tempo. Lo stadio di condizionamento elettronico viene anche chiamato discriminatore temporale (dall'inglese Time Discriminator TI) poiché genera un segnale elettrico la cui unica funzione è portare 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 d'uscita temporalmente precisi a fronte di segnali d’ingresso che possono essere molto diversi 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 hanno 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.

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===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), sapendo a priori il ritardo generato da questi elementi è possibile ricavare la distanza temporale tra start e stop contando quanti sono gli stadi che il segnale elettrico ha attraversato. In questa tipologia di TDC lo ''start'' viene iniettata 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]] i cui normalmente non sono costruiti per soddisfare questa tipologia di applicazioni.<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 un numero di elementi ''N'' si può ricavare la massima distanza temporale misurabile con una catena ''Δt_MAX''.