荧光寿命成像（Fluorescence Life-time Imaging Microscopy,FLIM）技术是生物成像的关键手段,广泛应用在细胞生物学、癌症诊断和药物动力分析等领域。在FLIM系统中,时间数字转换器（Time-to-Digital Converter,TDC）的测量精度对荧光寿命成像的效率和质量有着重要影响。近年来,随着现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）技术的发展,采用FPGA可以灵活的实现高精度TDC,因而成为荧光寿命成像领域的研究热点之一。本文的目的是基于Artix-7 FPGA设计一款用于荧光寿命成像系统的TDC。主要工作内容如下:1、为了满足大范围和高精度的测量要求,本文搭建了“粗时间”测量和“细时间”测量相结合的TDC架构,利用时钟计数器对时间间隔进行粗量化,实现大动态范围;利用FPGA内部专用进位链构造抽头延迟线,对粗量化后的时间余量进行时间内插,实现高精度测量。2、基于上述方案,采用自顶向下的设计方法对TDC进行Verilog建模。提出了一种从进位链特定位置处引出抽头的延迟线新结构,解决了延迟线输出温度计码不规则的问题。针对电压/温度影响TDC测量精度的问题,基于FPGA内部的Block RAM IP设计了一种标定电路,对延迟线进行快速校准,提高测量稳定性。标定结果表明,两条延迟线的微分非线性分别为-0.7296～1.1599LSB和-0.7302～1.1604LSB,积分非线性分别为-0.9064～0.8592LSB和-1.0505～0.8346LSB,整个标定过程耗时16.17ms。TDC整体布局布线后的仿真结果表明,测量范围为320ns,RMS精度为19.7ps。3、搭建测试系统对所设计TDC的测量精度进行实际测试。测试实验包含四组测试样本,每组样本均进行2×10~4次左右的双输出通道测量和单输出通道测量。测量结果表明,TDC的RMS精度为25.6ps,比仿真结果偏大5.9ps。与已报道文献资料相比,测量精度较好,所设计TDC的整体性能可满足荧光寿命成像的要求。