重离子物理是原子核物理研究的重要领域,重离子加速器是进行重离子物理研究的最重要实验装置之一。兰州重离子加速器(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)是我国规模最大的重离子实验装置,建成以来,取得了如新核素合成,原子核质量测量,癌症治疗等重大科研成果,使我国跻身重离子物理研究的国际先进行列。HIRFL冷却储存环(Cooling Storage Ring, CSR)外靶实验主要研究方向为核物质状态方程研究,放射性束物理研究以及超核研究。TO探测器是CSR外靶实验中的重要组成部分,其由一系列多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)组成。TO探测器位于外靶实验装置的最前端,放射性束流打靶后产生的带电粒子通过MRPC,与MRPC内部的工作气体发生相互作用,从而产生探测器信号,通过对MRPC探测器信号进行高精度时间测量,可得到放射性束流打把的时间信息,从而为其他的子探测器系统提供精确的时间起点。本论文针对CSR外靶实验TO探测器的性能指标与应用需求,进行了时间数字变换技术的研究,并具体实现了时间数字变换模块的设计,本论文的内容安排如下：第一章主要介绍了HIRFL CSR外靶实验背景,以及TO探测器系统的整体结构和性能指标要求。第二章首先介绍了主流的时间数字变换技术(Time-to-Digital Conversion).包括模拟型TDC与数字型TDC两大类。并着重介绍了基于现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array, FPGA)的时间数字变换器(TDC)设计技术。在TO探测器读出电子学中,为简化系统复杂度,提高应用灵活性,最终选用FPGA TDC作为设计方案。第三章首先介绍了TO探测器时间数字变换模块的整体结构,再对其中的关键电路进行了详细的说明,主要包括单通道双沿时间测量方法,以及基于内容寻址存储器(Content Addressable Memory, CAM)的触发匹配(Trigger Match)技术。在单个FPGA中成功集成24个时间测量通道及对应的Trigger Match功能模块。第四章介绍了设计完成的时间数字变换模块的测试结果,主要包括非线性测试,时间测量精度测试以及触发匹配功能测试,测试结果表明在单片FPGA内成功集成24路TDC通道,并且时间测量精度达到25ps RMS,此外,Trigger Match工作正常,设计完成的TDC模块满足应用需求。第五章对本论文进行总结,并对下一步工作进行了展望。