时间是物理学中最基本的概念之一,精密的时间是科学研究、工程技术等方面基本的物理量,为研究实验提供了不可或缺的时间坐标。高精度时间间隔测量技术手段在科学研究和实验中不可缺少,同时对我国的经济建设和国家军事防御建设有重要促进作用,这其中又以精度为皮秒（ps）的测量技术发展为重点。通过高精度时间数字转换器（Time-to-Digital Converter,TDC）对时间信号进行测量是一项重要技术手段。高精度TDC电路的实现可以基于FPGA的半定制电路设计。近年来,由于FPGA技术的不断发展,高性能,加上较低的开发成本和较短的上市时间,使基于FPGA的TDC电路设计具有重要意义。本文首先通过分析目前TDC的主流设计方法及其优缺点,对比发现“粗”计数和“细”时间测量方法由于具有测量量程大、测量精度高的优点,因此,本文最终选择该设计方法。其次,基于Xilinx Artix7系列FPGA芯片内部结构和资源,采用“粗”计数和“细”时间测量方案,优化设计了CARRY4进位链,实现了高精度TDC电路的设计。其中,“粗”计数模块使用普通的二进制计数器实现;“细”时间测量模块是基于时间内插原理将时钟周期进行再分割,以便能对“粗”计数模块未能测量的小于一个时钟周期的时间间隔进行测量。该模块由快速进位链和温度计编码模块构成,快速进位链由Artix7芯片中的CARRY4作为延迟单元级联起来构成的。因为FPGA内部相邻两个CARRY4之间的走线延迟要大于CARRY4内部的走线延迟,本文在设计上以CARRY4作为延迟单元级联起来,不仅可以达到测量所需精度,同时减少了误差,一个进位链由64个CARRY4组成以便能够分割一个完整的时间周期。温度计编码模块的主要目的就是把温度计码信息编译成二进制编码,以实现对时间间隔的运算。设计上采用了折半查找法,该方法可以在编码结果与真实值发生偏移时产生抑制作用,解决了因FPGA工作时的环境因素（如温度、电压等）变化而导致内部电路状态波动问题。最后,本文在Xilinx Artix7 FPGA开发板上搭建测试平台。利用码密度测试法对快速进位链的分辨率（LSB）、微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）进行了分析,得到本文设计的TDC分辨率为62.5ps达到了皮秒级,64个延迟单元的DNL范围在-1.5～2LSB之间、INL范围在-2～3LSB之间,说明本文设计出的TDC达到了高精度,并且具有很好的线性度。