Low power multichannel time-to-digital instrumentation for time-correlated single photon counting

In the last decades there has been an increasing demand for high performance time measurement instrumentation for a variety of purposes, ranging from reconstruction of fast, low intensity optical signals by means of Time-Correlated Single-Photon Counting techniques, to medical applications and Time-of-Flight measurements, just to name a few. Common trait of all those application is the need for a time measurement device capable of providing high resolution and linearity: often, these characteristics define the entire performance of the system. Along with the need for excellent resolution and linearity performances, there is also a request for timing instrumentation capable of providing multiple acquisition channels, allowing for shorter measurement times and higher system efficiency. This work had two main goals: first of all, complete the design and characterize a compact, low power time interval meter ("TDC Card") having high resolution and linearity; this module is suitable for integration in existing systems that require highly precise time measurements, or can be used as a building block for dedicated multichannel timing instrumentation. Core of this device is a Time-to-Digital Converter ASIC previously developed in this laboratory. The second goal was to design and characterize two easy-to-use multichannel time measurement systems based on TDC Cards, having respectively two and eight acquisition channels. Realization of these devices involved multiple aspects of system design, starting from the hardware and firmware design phases, up to the development of a software user interface running on a host PC. Both the TDC Cards and the two channel version have been fully characterized, reaching outstanding performance at a fraction of the power consumption of commercially available equipment, and with a very compact form factor.

Negli ultimi decenni si è vista una crescente richiesta di strumentazione ad altissime prestazioni per la misura di intervalli temporali, per l'impiego in molteplici applicazioni: dalla ricostruzione di segnali ottici mediante tecniche di Time-Correlated Single-Photon Counting, ad applicazioni medicali e misure di Time-of-Flight, solo per citarne alcune. Caratteristica comune di queste applicazioni è la necessità di avere un misuratore di tempo capace di elevatissima risoluzione e linearità: spesso sono proprio le caratteristiche del componente di misura a definire le prestazioni dell'intero sistema. Assieme ai requisiti in termini di performance, si ha anche una richiesta di strumenti capaci di fornire più canali di acquisizione in parallelo, in quanto ciò consente tempi di misura più brevi e sistemi più efficienti. Questo lavoro di tesi si pone due obiettivi: innanzitutto, completare lo sviluppo e caratterizzare un misuratore di tempo compatto e a basso consumo ("TDC Card") capace di alta risoluzione e linearità. Il modulo realizzato è adatto sia all'integrazione in sistemi preesistenti che richiedano misure di tempo molto accurate, sia all'uso come blocco base in strumenti multicanale per la misura di tempo. Componente base di questo dispositivo è un Time-to-Digital Converter integrato precedentemente sviluppato in questo laboratorio. Secondo obiettivo di questo lavoro è stato quello di progettare e caratterizzare due sistemi multicanale per la misura di tempo basati sulle TDC Card, dotati rispettivamente di due e otto canali di acquisizione. La realizzazione di questi dispositivi ha convolto molteplici aspetti della progettazione di sistemi, partendo dallo sviluppo di hardware e firmware, fino ad arrivare alla realizzazione di un software PC per l'interfacciamento con l'utente. Sia le TDC Card che il sistema a due canali sono stati interamente caratterizzati, raggiungendo ottime prestazioni in un modulo molto compatto e con un consumo di potenza significativamente inferiore alle soluzioni commerciali attualmente disponibili.