距離上一次使用FPGA控制TDC芯片測量時間間隔已經過去一年多了，當時采用的TDC芯片是TI的一款芯片TDC7200，最后測量結果所能達到的精度為百皮秒級別，最近使用入手了AMS生產的TDC-GPX2這款芯片，單通道測量的精度達到有20ps，高精度模式理論測量精度達到10ps，本文于此介紹以下。以下附上之前寫的TDC7200博客：FPGA控制TDC7200時間間隔測量。希望對大家能有所幫助。好了，話不多說，下面直接進入正題。

芯片介紹

老規矩，在介紹使用之前我們先來扣一扣數據手冊。

芯片整體框圖

如上所示，TDC-GPX2芯片有四路STOP脈沖輸入信號，各持所司的幾路電源（TVDD、CVDD等等），信號交互引腳還有各項使能、失能引腳。

重要引腳信息


以上是第一部分所介紹的一些重要的數據線的說明，本次設計采用SPI通信，所以對于LVDS引腳一律不使用。下面挑幾個重要的引腳進行講解：

STOP引腳，也就是脈沖輸入引腳，我們所測量的就是STOP通道上的脈沖的時間間隔，主要的模式包括：單通道測量、雙通道組合測量以及四通道組合測量。本設計采用獨立測通道測量。

REFCLKP引腳，參考時鐘引腳。

RSTIDXP引腳，內部計數復位，高電平有效。

DISABLEP引腳，通道失能，高電平有效。

INTERRUPT引腳，測試完成會拉低，通知用戶采集數據。

SCK、MOSI、MISO、SSN為SPI通信的引腳，唯一的區別就是SSN不是類似于CS的拉低選中芯片，而是通過SSN引腳給TDC芯片一個脈沖，提醒TDC芯片接收數據，具體可以看下面的寫和讀的時序圖。其他三個引腳核SPI引腳功能一致。

寫時序

讀時序

配置寄存器一覽


上圖中的Fixed value，表示固定值，在寫入的時候需要按照上面的值寫入。

6. 重要寄存器介紹（重要！重要！重要）
1. 引腳使能

該寄存器用來使能對應的引腳，包括脈沖輸入引腳、時鐘輸入引腳、LVDS引腳、通道失能引腳還有數據復位引腳。
2. 功能選擇

這個寄存器用來選擇是否開啟通道、組合模式以及是否開啟高分辨率功能。本次設計選擇開啟通道1，單獨測試模式，不開啟高分辨率模式。
3. 位寬以及FIFO模式設置

這個寄存器對于使用SPI控制而言作用不大，當需要使用FIFO塊模式的情況下使用，其他情況下不用。本設計全部給0。
4. LSB設置寄存器

這個寄存器可以理解為設置精度，我的時鐘主頻是5M，周期為200ns，那么這個DIVISIONS我設置為200000，那么每一個單位就是 200ns / 200000 = 1ps，打個比方說，當我讀出來的數據為5500，那么時間間隔就是5500ps，不用再另作轉換計算。所以本設計就將其設置為200_000。
5. 電平設置計算

設置電平為CMOS，其他按照固定設置即可。
6. 讀寄存器一覽

上圖可見讀寄存器的地址是從8開始的，這個需要注意，后面要對都地址進行+8。

8. 單通道測量功能時序圖（重要！重要！重要）


于此將介紹測量的主要流程。（如果你只是想要應用，可以省略下面的一段文字，直接跳到示例，完全能看懂，也會用）如上所示，STOP脈沖進來后TDC芯片會輸出測量的主要信息，TDC芯片輸出的數據只有兩個，第一個是REFIDn，表示當前STOP脈沖處于第幾個時鐘周期。第二個數據TSTOP，表示 (tSTOP/tREF)× REFCLK_DIVISIONS，tSTOP表示當前進來的脈沖和所處的參考時鐘周期上升沿之間的間隔時長，tREF表示參考時鐘的周期，REFCLK_DIVISIONS就是上述設置的那個20位寄存器所設置的值，那邊我們說設置為200000，當時鐘頻率為5M的時候，每一次計數表示1ps，所以第二個讀出來的數據就是多少ps，可以直接當成時間間隔。每一個脈沖到來時，TDC都會將當前脈沖所處在第幾個時鐘周期、和上一個參考時鐘計算兩個脈沖之間的時間間隔輸出，并拉低INTERRUPT引腳，通知用戶讀取數據。我們只需要分別讀出兩個脈沖后的寄存器的值進行分析，即可得到時間間隔。
測試示例

（情形一）參數一表示第幾個參考時鐘周期，參數二表示脈沖和當前參考時鐘周期上升沿的時間間隔
測量上述STOP1和STOP2的時間間隔，當這兩個脈沖進入到TDC芯片中，TDC芯片的FIFO會分別儲存這兩個脈沖的信息，由上可見，這兩個脈沖處于同一個時鐘周期下，所以他們的第一個參數REFIDn相等，此時只需要分析第二個參數即可。假設我們讀到第二個脈沖的第二個參數為80000ps，第一個脈沖的第二個參數為40000ps，那么兩個脈沖的時間間隔就是80000ps-40000ps=40000ps=40ns，也不需要過多的轉換，這就是最終的時間間隔。
（情形二）參數一表示第幾個參考時鐘周期，參數二表示脈沖和當前參考時鐘周期上升沿的時間間隔
測量上述STOP1、2和STOP3的時間間隔，當這兩個脈沖進入到TDC芯片中，TDC芯片的FIFO會分別儲存這兩個脈沖的信息，由上可見，這兩個脈沖處于不同的時鐘周期下，那么我們為了得到時間間隔，只需要讓第二個脈沖的第二個參數減去第一個脈沖的第二個參數（這個值可能會是負的），在加上兩個脈沖第一個參數×周期時長，就得到時間間隔了，結合時序圖應該很好理解，以下是手冊的詳細說明，如果對我所述的有不明白的地方，可以結合手冊說明理解。

9. SPI通信說明

首先是極性和相位的設置，極性為0，相位為1，表示sck空閑狀態下為0，且在第二個時鐘沿寫入或讀出數據，也就是下降沿，我們只需要在下降沿的時候讀寫數據即可。

以上是對應的引腳說明。和我前面介紹的基本一致。

操作碼一覽

以上是操作碼，需要在寫入或者讀出的時候作為幀頭，后面帶上寄存器地址或者數據。

注意

當使用SPI通信的時候，注意要把LVDS的引腳關掉。

結語

本文講的很多了，對于控制FPGA進行實操的放到下一篇文章中介紹了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的FPGA控制TDC-GPX2时间间隔测量（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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