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随着电子技术的发展与进步,时间间隔的控制精度越来越高,已经深入到皮秒甚至亚皮秒量级。数字时间转换器(Digital-to-Time Converters,DTC)属于一种时间间隔产生技术,它不仅广泛应用于高能物理实验、天文测量等基础研究领域,并且在航空航天、遥感定位、雷达、电子测量等应用研究领域也是一项必不可少的重要技术。目前,高分辨率的DTC系统主要是利用AISC芯片实现,但其具有灵活性低、开发周期长等缺点。基于FPGA实现DTC系统不仅具有高灵活性和高稳定性,还可以缩短开发周期。但是,利用FPGA芯片实现的DTC系统分辨率不够高,难以达到与ASIC相同的精度。因此,论文利用FPGA芯片实现高精度DTC系统具有重要的研究意义。论文首先对几种传统数字时间转换器进行研究,深入分析了不同DTC方法的优缺点,并进行了对比研究。而后为了在FPGA芯片上实现高精度的数字时间转换器,论文对直接计数法DTC和差分延迟法DTC进行了改进,提出一种新的时间间隔产生实现方法,并在Xilinx Virtex-6系列FPGA芯片上,实现了具有高分辨率、宽动态范围和高稳定性的数字时间转换器。DTC系统选择Xilinx Virtex-6系列FPGA内部集成的可编程绝对延迟单元作为差分延迟链的延迟单元,它不仅可以实现高精度的延迟,还使得DTC系统精度不受温度和供电电压的影响,极大增强了DTC系统的稳定性。DTC系统研究实现时采用模块化设计,包括粗时间间隔产生模块、细时间间隔产生模块、数据处理模块、软件控制模块和输出控制模块等,并分别对各个模块进行详细研究设计。此外,论文还特别针对关键延迟时间进行分析,通过手动调整布局布线,消除了因布线延迟对DTC系统精度的影响,以保证DTC系统分辨率达到设计要求。为了验证研究实现的DTC系统性能,论文搭建专门的测试平台,对DTC系统进行了仿真和实验测试。测试结果表明,该DTC系统的理论分辨率为1ps,微分非线性误差为-0.17~0.13LSB,积分非线性误差为-0.35~0.62LSB,其线性度达到理论要求。另外,论文还对系统的稳定性进行测试,验证了系统分辨率在10~60℃温度范围内保持不变。因此,论文实现的DTC系统具有1ps的理论分辨率,并具备良好的线性度和稳定度,有很好的实用价值。