Modulo riconfigurabile di conversione digitale del tempo di arrivo di singoli fotoni

In the last decades due to the advancing of technology there has been an increasing demand for the high performance time measurement instrumentation, in terms of linearity, accuracy and resolution. Many applications in medicine, biology, chemistry ad nuclear phisics make use of precise time-interval measurements in order to reconstruct very-low intensity fast-changing optical waveforms in Time-Correlated Single-Photon Counting applications. Such measurements are performed by a Time Measurement Unit, capable of a direct time to digital conversion characterized by a high level of linearity, resolution and conversion rate. This work aimed to conceive, design and characterize a single-channel time measurement module based on the TMU produced by Texas Instruments. This module has two possible working configurations: high speed mode for increasing conversion rate, and high resolution mode for achieving the best linearity and precision in time interval results. Both the measurement and elaboration boards have been developed, the former to let the TMU work properly, the latter to interface the TMU to a FPGA. The firmware code of the FPGA was conceived in order to perform correctly acquisition, elaboration and transfer of data to a host PC using USB 2.0 communication protocol. A software running on a PC computes the received data in real time and show measurement results through an user friendly host interface. In order to verify the normal operating conditions, the module has been fully characterized and validated, performing different time measurements to test linearity, resolution and frequency performance of the instrument, aiming to prof his eligibility in TCSPC applications. The achieved performances are excellent, not only for the employed TMU device, but for the developed circuital solutions implemented into the electronic design.

Negli ultimi decenni, l’avanzamento tecnologico ha portato molteplici benefici nell’ambito delle tecniche di misurazione di grandezze fondamentali, incrementandone i livelli di linearità, accuratezza e precisione. Di particolare utilità nel campo della medicina, biologia e chimica risulta essere la misurazione di intervalli di tempo brevi, impiegata principalmente nelle tecniche di Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) nell’ambito della ricostruzione di forme d’onda ottiche. Tale misurazione prevede l’utilizzo di misuratori di intervalli di tempo, noti come Time Measurement Unit, che costituiscono il nucleo degli strumenti per la ricostruzione di segnali ottici. I TMU effettuano una conversione diretta da tempo a dato digitale, e devono essere caratterizzati da ottima linearità, precisione e velocità di conversione. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato l’ideazione e lo sviluppo di un modulo completo di misurazione di intervalli di tempo a singolo canale, basato su un TMU integrato della Texas Instruments. Tale modulo è in grado di effettuare misure in due configurazioni: la prima al fine di ottimizzare la massima velocità di conversione; la seconda per migliorare la risoluzione e la precisione della misura dei tempi. Si è realizzata una scheda di misurazione, progettata per far lavorare al meglio il TMU, ed una scheda di elaborazione, progettata per interfacciare il TMU ad una FPGA, di cui è stato sviluppato il firmware per acquisire i dati, per impostare alcuni parametri e per inviare i dati ad un PC attraverso il protocollo di comunicazione USB 2.0. Inoltre, è stato sviluppato un software per elaborare i dati ricevuti e fornire tutte le informazioni utili derivanti dalla misura, all’implementando anche un’interfaccia utente che semplifica l’utilizzo del modulo. Infine, il modulo è stato sottoposto ad una fase di caratterizzazione e validazione, in cui sono state effettuate delle misure sia per stabilire le prestazioni dello strumento, sia per testarne l’idoneità alle applicazioni TCSPC. Le prestazioni ottenute sono notevoli, non solo grazie al componente TMU utilizzato ma anche alle soluzioni circuitali ed implementative adottate nel progetto.