高精度时间数字转换(TDC)测量系统主要作用是将一个或多个物理事件的发生时刻或发生时刻之间的时间间隔转化为数字量。并被广泛应用于高能物理实验、全球定位系统、激光测距、医学成像等领域,所以TDC测量系统在各研究领域起着非常重要的作用。TDC测量系统的实现方式有很多,本设计所采用的方法是基于Xilinx Artix-7 FPGA对TDC测量系统中粗测量部分、延迟链、校准模块进行设计和实现,并结合细测量完成本课题的研究。在保证较大的动态测量范围的前提下,实现对测量误差的校准。本文的主要工作如下:(1)对TDC测量系统在各个研究领域的应用背景和发展前景进行调研并分析总结。本课题进行过程中考虑到实验室项目组中有关于单光子探测器的科研项目对系统的测量精度要求很高,所以本设计的研究重要着眼于提高如何提高TDC测量系统的精度。(2)考虑到未来本设计中的TDC测量系统的集成环境,采用了便于集成的抽头延迟线结合时间内插技术的数字电路实现方式。(3)为了优化测量系统架构和方便未来工作中对本设计进行改进,本设计采用粗测量和细测量相结合的测量方式。并使用Vivado对系统中重要的模块进行仿真。利用Xilinx Artix-7FPGA中丰富的逻辑资源对系统中粗测量模块、细测量模块、伪随机数发生模块和误差校准模块进行硬件实现。(4)采用码密度测试法对本设计中的延迟链模块进行测试,得到延迟单元的非线性特性,分析数据并解决延迟单元延迟时间的非线性缺陷。(5)利用MATLAB对码密度测试所得的数据进行分析,对实际测量数据进行处理验证本设计的可行性。本文所实现的基于Xilinx Artix-7 FPGA的TDC测量系统,仿真和测试结果表明:伪随机数发生模块中,伪随机数输出速率由De Bruijn的0.86 Gb·s-1提升到3.16Gb·s-1,伪随机序列周期由跃进型LFSR的2n-1增加到2n;误差校准模块中,延迟链单元位宽误差从[-22.6ps,41.8ps]降低到[-11.1ps,16.6ps],误差减少了72.5%;测量系统中,动态测量范围最大值达到838ns,分辨率为59ps,测量结果的绝对误差由57ps~90ps降低到38ps~74ps,相对误差控制在0.098%。综上所述表明,本设计的各技术参数指标满足各应用领域中对测量精度的要求。