Realizzazione di un TDC ad alta risoluzione in un dispositivo FPGA

Gli strumenti di misura di intervalli temporali ad alta risoluzione trovano oggi svariate applicazioni sia nel settore industriale sia in quello di ricerca scientifica, suddividendosi in due principali categorie : Time-to-Digital e Time-Amplitude converter. Tra le differenti tipologie i TDC realizzati in dispositivi FPGA sono oggetto di intensa ricerca, poiché permettono di essere applicati in differenti applicazioni grazie alla loro versatilità e riconfigurabilità. Tuttavia, essendo i dispositivi FPGA progettati per differenti fini, in essi sono assenti catene progettate per essere linee di ritardo lineari, come nel caso di ASIC, rendendo così necessario lo sviluppo di tecniche innovative di propagazione del segnale. Il metodo della Wave Union, caratterizzato dalla propagazione di un segnale a più fronti nella catena di distribuzione del carry presente all’interno dei blocchi sommatori, ha ottenuto ottime prestazioni.. Il progetto presentato in questo lavoro di tesi si è posto come obiettivo lo sviluppo e la realizzazione di un TDC ad alta risoluzione in un dispositivo FPGA moderno, Virtex 5 prodotto da Xilinx, implementandone differenti tipologie, sia a singolo, sia a multiplo canale, che si differenziano per la quantità di risorse necessarie e il metodo utilizzato tra le due varianti di Wave Union. Essendo inoltre la progettazione di tale strumento fortemente legata alle caratteristiche hardware del modello FPGA utilizzato, sono state indicate le linee guida per sviluppi futuri in differenti dispositivi. I TDC sono stati sviluppati su una Evaluation Board ML506 ottenendo una risoluzione di 15 ps rms e, considerando un LSB pari a 1ps, la DNL percentuale risulta compresa in un range tra -27% e +33%.