TDC (Time-to-Digital Converters)技术广泛应用于时频测量、卫星导航、雷达定位、激光测距、核物理和粒子物理探测等领域，并且这些领域的先进水平与TDC的测量分辨率密切相关。目前，皮秒分辨率的TDC主要是在ASIC芯片上实现的，但ASIC芯片价格昂贵，开发周期长。而基于FPGA芯片实现的TDC成本低，开发周期短，设计灵活，但是其测量分辨率不够高。因此高测量分辨率的皮秒量级FPGA-TDC技术具有重要的研究意义。论文介绍了常用的TDC实现方法，并分析了其优缺点。为了解决现有方法在FPGA芯片上难以获得较高分辨率的难题，论文对直接计数法进行了改进，提出了基于自由延迟单元的TDC实现方法。该方法不需要构造延迟链，各个延迟单元之间相互独立，并且测量分辨率高、结构简单，易于实现。论文设计、实现了基于该方法的FPGA-TDC测量系统，包括信号输入模块、TDC模块和TDC软件。TDC模块采用Xilinx Virtex-5系列FPGA芯片实现，具体包括闸门信号输入模块、时间数字转换模块、数据处理模块和数据输出模块等。为了验证实现的TDC的性能，论文进行了大量的实验和测试。实际测试结果表明，该FPGA-TDC测量分辨率为35.2皮秒，微分非线性误差为0.74LSB，积分非线性误差为1.57LSB。因此，论文实现的FPFA-TDC获得了皮秒量级的测量分辨率，并具有优秀的测量分辨率和稳定性，有良好的实用价值。