Low-Hardware Consumption, Resolution-Configurable Gray Code Oscillator Time-to-Digital Converters Implemented in 16 nm, 20 nm, and 28 nm FPGAs

现场可编程门阵列 微分非线性 最低有效位 Virtex公司 计算机科学 计算机硬件 算法 操作系统
作者
Y. Wang,Wujun Xie,Haochang Chen,David Li
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (4): 4256-4266 被引量:12
标识
DOI:10.1109/tie.2022.3174299
摘要

This article presents a low-hardware consumption, resolution-configurable, automatically calibrating gray code oscillator time-to-digital converter (TDC) in Xilinx 16-nm UltraScale+, 20-nm UltraScale and 28-nm Virtex-7 field-programmable gate arrays (FPGAs). The proposed TDC utilizes look-up tables as delay elements and has several innovations: 1) a sampling matrix structure to improve the resolution, 2) a virtual bin calibration method (VBCM) to achieve configurable resolutions and automatic calibration, and 3) hardware implementation of the VBCM in standard FPGA devices. We implemented and evaluated a 16-channel TDC system in all three FPGAs. The UltraScale+ version achieved the best resolution (least significant bit, LSB) of 20.97 ps with 0.09 LSB averaged peak-to-peak differential nonlinearity (DNL pk–pk ). The UltraScale and Virtex-7 versions achieved the best resolutions of 36.01 ps with 0.10 LSB averaged DNL pk–pk and 34.84 ps with 0.08 LSB averaged DNL pk–pk , respectively.
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