Implementation of the high resolution high dynamic time to digital converter

The work presents a system for accurate measurement of time intervals. The proposed architecture is based on the THS788, which is a four-channel timing measurement unit released by the Texas Instruments and provides 13 ps of resolution and 7 seconds of dynamic range. During the hardware design phase, a Print Circuit Board (PCB) which contains the TMU and other necessary circuit has been designed and a Constant Fractional Discriminator (CFD) is implemented as the analog front-end. In order to optimize the performance of the CFD a new numerical exhaustive method is proposed and shown its feasibility. Sample reading and histogram generation functions have been implemented in the presented system software and it has been designed in a flexible and highly modular way for easy readability and portability. A GUI interface is implemented for data analysis and system control. The Region of Interest (ROI) function is integrated in the firmware. Moreover, in this time measurement system a dedicated temperature control module is implemented which is based on a peltier solid-state active heat pump that allows controlling the TMU’s temperature very efficiently. The test shows this time measurement system can offer 7 seconds of full scan range with resolution of 13ps, 10ps accuracy and 1.5% LSB DNL of linearity performance.

L’ attività svolta si accentra su un sistema per la misura accurata di intervalli di tempo . L' architettura proposta si basa sul THS788, che è un modulo di misura del tempo a quattro canali prodotto dalla Texas Instruments e fornisce 13 ps di risoluzione e 7 secondi di range dinamico. Durante la fase di progettazione hardware, è stata sviluppata una scheda (PCB) che contiene il TMU e altri circuiti necessari tra cui un CFD (Constant Fractional Discriminator) che è stato implementato come front-end analogico. Per ottimizzare la prestazione del CFD si propone un nuovo metodo esaustivo numerico e ne viene mostrata la fattibilità. Delle funzioni per la generazione di istogrammi e per la lettura dei campioni sono stati implementati nel software di sistema presentato che è stato progettato in modo flessibile e altamente modulare per una facile leggibilità e portabilità. Un'interfaccia GUI è stata implementata per l'analisi dei dati e per il controllo del sistema. La funzione della regione di interesse (ROI) è stata integrata nel firmware. Inoltre, in questo sistema di misura del tempo è stato implementato un modulo di controllo della temperatura dedicato. Tale modulo si basa su una pompa di calore attiva a stato solido Peltier che permette di controllare la temperatura del TMU in maniera molto efficiente. Il test mostra che questo sistema di misura del tempo è in grado di offrire 7 secondi di intervallo di scansione completa con una risoluzione di 13ps, 10ps di precisione e offre delle prestazioni di linearità differenziale (DNL) pari al 1,5 % del LSB.