Sviluppo di modulo time to digital converter per time correlated single photon counting

In the last decades, there is an increasing demand for the development of high-performance instrumentation necessary for the reconstruction of low-intensity optical signals by means of the Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique. The core of these setups is a high-precision and high-linearity time-interval measurement device. These devices find use also in many other applications such as Time-of-Flight measurements. The first time-interval measurement instruments were analog devices, requiring an Analog-to-Digital Converter (ADC) in order to obtain a set of data suitable for the further processing. In order to overcome the limitations imposed by the necessity for ADCs, the devices capable of performing a direct conversion between the time and digital data were developed. These devices are called Time-to-Digital Converters (TDC). The aim of this work was to develop a compact and easy-to-use time-measurement module with high temporal resolution and low non-linearity, employing a TDC chip previously developed in our laboratory. For the development of this module, a PCB board was design in order to optimally operate the TDC chip and interface it to a FPGA, whose firmware was also completely developed. The role of the FPGA is to acquire the TDC data, perform the raw data processing, control the operation of the module by imposing some parameters and transfer the data to a PC by means of the USB2.0 communication protocol. Finally, a software interface was developed in order to perform the adequate processing of the received data and to extract and visualize all useful information deriving from the measurement. The software was designed in such a way that it makes the employment of the module quick and easy. The developed module has been fully characterized, reaching very good performances, and it was used in measurements which confirm its suitability for the employment in real applications.

Negli ultimi decenni è stato necessario sviluppare strumenti per la ricostruzione di segnali ottici mediante l'uso nella tecnica TCSPC (Time-Correlated Single Photon Counting) sempre più accurati. Il nucleo di questi strumenti è un misuratore di tempo estremamente preciso e lineare, che è particolarmente ricercato anche in altre applicazioni, come quelle basate su misure di Tempo di Volo. I primi misuratori di tempo furono analogici con la necessità di utilizzare convertitori analogico-digitali per ottenere un'informazione da poter elaborare. Per svincolarsi da limiti derivanti dal convertitore analogico-digitale sono state sviluppate nel corso degli anni dei misuratori di tempo digitali, che effettuano una conversione diretta da tempo a dato digitale, chiamati TDC (Time –to-Digital Converter). Scopo di questo lavoro di tesi è quello di utilizzare un TDC integrato progettato nei nostri laboratori ottimizzato minimizzando le non linearità, per sviluppare un modulo compatto e semplice da utilizzare per effettuare misure di tempo con elevata risoluzione e basse non linearità. Per la realizzazione di tale modulo è stata realizzata una scheda progettata per cercare di far lavorare al meglio il TDC e per interfacciarlo ad una FPGA. Inoltre è stato sviluppato il firmware della FPGA per acquisire i dati correttamente, per impostare alcuni parametri e per inviare i dati ad un PC attraverso il protocollo di comunicazione USB2.0. Infine è stato sviluppato il software in grado di elaborare correttamente i dati ricevuti, di fornire in modo chiaro tutte le informazioni utili derivanti dalla misura e di semplificare il più possibile l'utilizzo dello strumento realizzato. Per verificare il corretto funzionamento del modulo realizzato sono state effettuate misure sia per stabilire le prestazioni effettive dello strumento, sia per testare la sua funzionalità in esempi di applicazioni.