高分辨率数字计时器(TDC)的设计与实现.pdf

华中科技大学
硕士学位论文
高分辨率数字计时器(TDC)的设计与实现
姓名:王希
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:谢庆国
20070607
摘要
近年来,随着 PET 在临床诊断以及在药物实验等方面的广泛应用,PET 技术受
到越来越多人的关注,传统 PET 系统的不足也逐渐体现了出来,表现在传统 PET 图
像的对比度和分辨率都偏低。针对传统 PET 系统的这些不足,很多学者提出了很多
不同的方法来改进 PET 系统,例如全数字化 PET、TOF 技术等。但无论在哪种方法
中,高的时间分辨率都能够比较有效的提高 PET 图像信噪比,如何获得高的时间分
辨率都是一个很关键的技术。
本文针对新型 PET 系统较高的时间分辨率的要求,在总结常用时间间隔测量方
法的基础上,选择了基于延迟线结构的时间数字转换(Time-to-Digital Converter,
TDC)方案。设计的 TDC 由两条延迟线和一个粗计数器组成。使用 Verilog 语言完
成 TDC 框架编写后,通过多次仿真测试和下载芯片测试,确定了延迟线中的延迟单
元的结构,最终在 Altera Stratix FPGA 开发板上实现了一个平均时间分辨率小于
200ps 的 TDC 系统。
随后本文根据基于统计的测试方法,提出了使用 PC 机产生随机脉冲、通过 RS232
DB9 接口对 TDC 系统进行测试的方法,并完成了 PC 端和 FPGA 端功能的设计与实
现。之后使用这个测试平台完成了对 TDC 系统的测试,获得了关于这个 TDC 的平
均分辨率、微分非线性误差、积分非线性误差等数据。
在文章的最后,对本文所作的工作进行了总结,并对下一步进行的工作进行了
展望。


关键词:正电子断层扫描(PET),时间间隔,时间数字转换(TDC),FPGA
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Over recent years, as PET is widely applied to clinical diagnosis and drug experiment,
PET has draw more and more people’s attention. Meanwhile, some of traditional PET
system’s insufficiencies expose themselves gradually, such as the low resolution and low
contrast of traditional PET image. Aimed at these flaws, many researchers propose many
different methods to improve PET system, like all-digital PET and TOF technology.
Whatever method is proposed, high time resolution can effectively raise the signal/noise
ratio of PET image, which makes how to get high resolution a key technology.
Based on the conclusion of usual time interval measuring methods, this thesis
chooses the scheme of Time-to-Digital Converter (TDC) based on delay line structure,
meeting the new type of PET system’s requirement for high timing resolution. This TDC
contains two delay lines and a main counter. After finishing the framework of the TDC
using Verilog, we confirm the architecture of the delay element by emulation and on-board
test. Finally this thesis implements a TDC system of time resolution below 200 ps on a
FPGA develop