Korkean tarkkuuden aika-digitaalimuuntimia laajan mittausalueen vaativiin sovelluksiin

Väitöskirjassa tutkittiin aikavälimittaukseen liittyviä piiritekniikoita ja –arkkitehtuureja, joilla voidaan saavuttaa laaja millisekuntiluokan mittausalue yhdistettynä tarkkaan pikosekuntiluokan mittaustarkkuuteen. Laajan mittausalueen omaavia aikavälimittaustekniikoita tarvitaan esimerkiksi laserskannaukseen perustuvassa ympäristön havainnoinnissa, jossa objektien etäisyys ja paikka voidaan selvittää mittaamalla aika, joka lyhyeltä laserpulssilta kestää edetä kohteeseen ja heijastua takaisin. Tämän kaltaisessa sovelluksessa millimetrin mittaustarkkuus edellyttää noin 6,6 pikosekunnin ajanmittaustarkkuutta. Tarkoilla ajanmittaustekniikoilla on myös lukemattomia muita sovelluskohteita, kuten esimerkiksi tiedonsiirrossa, spektroskopiassa ja piiritason signaalinkäsittelyssä. Aikavälimittaustekniikoiden implementointi hyvin kompakteina integroituina CMOS-piireinä mahdollistaa lisäksi edullisten ja hyvin pienten ja energiatehokkaiden laitteiden toteuttamisen, joka laajentaa sovellusmahdollisuuksia entisestään.

Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin uusia aikavälimittaustekniikoita, sekä toteutettiin kaksi erilaista aikavälimittausmuunninta. Ensimmäinen näistä toteutettiin erilliskomponenteilla, jolla saavutetaan noin 84 ms:n mittausalue ja kahden pikosekunnin mittaustarkkuus. Toinen aikavälimuunnin toteutettiin integroituna piirinä CMOS teknologialla, jolloin aikavälimittauspiirin pinta-ala on ainoastaan 0.64 mm2. Tällä integroidulla piirillä saavutetaan noin 327 μs:n mittausalue ja noin neljän pikosekunnin mittaustarkkuus.

Toteutettujen piirien lisäksi yksi työn tärkeä tulos on analyysi merkittävimmistä mittausepävarmuuteen liittyvistä tekijöistä. Näistä rajoitteista tutkittiin erityisesti referenssioskillaattorin vaikutusta mittausepävarmuuteen kun mitataan pitkiä aikavälejä. Tavoitteena oli parantaa menetelmiä ja tulosten luotettavuutta, kun oskillaattorin vaihekohinasta johtuvaa mittausepävarmuutta arvioidaan. Nämä teoreettiset tulokset varmistettiin lisäksi toteutetuilla aikavälimuuntimilla.