时间测量技术在核物理实验、大科学装置以及数字通信、航空航天、导航定位等领域都得到广泛的研究与应用。经过多年的发展,时间测量技术从最初由分立元件搭建的模拟电路时间测量方式,到使用专用时间间隔测量芯片,以及近些年蓬勃发展的基于FPGA设计的时间数字转换电路,时间测量的精度越来越高,测量方式更加灵活,能够满足各类物理实验以及工程应用的要求。为实现对次级带电宇宙射线的测量研究,中国科学院近代物理研究所设计了一款小型宇宙线探测仪。该装置需要精确测量簇射粒子的到达时间,从而获得较好的宇宙线入射角分辨。同时对粒子脉冲的前沿/后沿时间进行准确鉴别,以获取粒子在灵敏探测体中的能损以及粒子衰变时间。宇宙线测量实验要求时间测量精度达到500ps以下,并且在一次脉冲事件中同时完成对粒子事件的精确符合以及脉冲过阈时间测量。使用传统分立元件能够实现较高的时间分辨,但是不能满足事件符合测量的要求,而使用专用时间测量ASIC芯片会导致成本过高,不利于将该探测装置进行大范围推广。在工程应用方面,兰州重离子加速器国家实验室研究人员在环形加速器间的踢轨控制系统设计中提出Barrier Bucket束流快引出与注入方式。这种束流注入与引出方式需要严格结合束流引出环BRing的引出相位和束流接收环SRing的注入相位来对束流进行传输,要求双环高频在任意两相位点实现精确符合,且相位符合抖动小于1o。对踢轨系统Kicker磁铁电源进行时序控制的时间延时精度要求好于1ns。基于以上物理实验与工程应用的需求,本文研究了基于FPGA的高精度时间数字转换电路(TDC)原理与实现方式,在低成本的Cyclone IV系列FPGA上完成了多通道TDC设计,时间测量精度达到45ps,在FPGA内部构建了粒子脉冲事件的实时符合与脉冲时间测量系统。同时使用FPGA-TDC技术完成对双环高频相位点时间精确测量与亚纳秒精度符合,并完成了步进时间为90ps的高精度延时时序控制。