Časovno digitalni pretvornik visoke ločljivosti na čipu Xilinx Zynq-7010Adamič, Michel (Avtor) Pestotnik, Rok (Mentor) Trost, Andrej (Komentor) časovno-digitalni pretvornikTDChitra digitalna vezjaFPGAZynqzakasnilna linijaprenosna logikapikosekundna ločljivostV sklopu tega magistrskega dela smo se lotili izdelave hitrega časovno-digitalnega pretvornika visoke ločljivosti na cenovno dostopni plošči Red Pitaya, ki temelji na zmogljivem polno programirljivem čipu Xilinx Zynq 7010. Časovno-digitalni pretvornik (TDC) je popolnoma digitalen in v celoti implementiran na programirljivem polju vrat (FPGA) v ravnokar omenjenem čipu, tako da za opravljanje meritev ne potrebujemo nobenih dodatnih zunanjih komponent. TDC je bil zasnovan po principu časovne interpolacije, kjer čas štejemo z uporabo sinhronega binarnega števca, za zelo natančno določitev časa prihoda med urinimi cikli pa skrbi integrirana zakasnilna linija. Posamezen kanal TDC je na voljo v obliki strojne komponente intelektualne lastnine (jedra IP) z vmesnikom AXI, kar je zelo priročno za gradnjo večkanalnih sistemov. Procesni sistem Zynq bere časovne značke aktivnih časovno-digitalnih pretvornikov in jih preko omrežja Ethernet pošilja odjemalcu, recimo osebnemu računalniku, kjer jih lahko ustrezno obdelamo in prikažemo v grafičnem uporabniškem vmesniku. V sklopu tega magisterija smo implementirali dva kanala TDC in ju podrobno okarakterizirali. Posamezen časovno-digitalni pretvornik teče na frekvenci 350~MHz in je ob mrtvem času $\sim$14~ns sposoben vzorčiti do 70 milijonov značk na sekundo. Časovna ločljivost posameznega kanala dosega odličnih 11~ps in ostane zelo visoka tudi pri večjih časovnih intervalih, vsaj nekje do 100~ns. Izkazalo se je, da lahko tudi s povsem običajnimi signali s hitrostjo naraščanja 10~ns opravljamo meritve visoke ločljivosti, prav tako pa je meritev robustna na spremembe temperature. Izdelani TDC je zelo natančen in periodo zunanjega signala izmeri z relativno natančnostjo $10^{-5}$ v 60 stopinj širokem temperaturnem intervalu. Nazadnje smo inštrument preizkusili še v realistični postavitvi s pulznim laserjem in hitro silicijevo fotopomnoževalko (SiPM), kjer se je novi TDC odlično obnesel. Vse to dokazuje, da se da z izbiro primerne arhitekture in modernega čipa FPGA tudi na cenovno zelo dostopnih platformah, kot je Red Pitaya, implementirati izredno zmogljiv časovni merilni inštrument, ki je uporaben tako za študente kot profesionalne raziskovalce.20202020-07-30 11:13:08Magistrsko delo/naloga117846sl