TDC-GP1高精度時間間隔測量芯片及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞：時間間隔測量 TDC-GP1 單片機
1 概述
TDC-GP1主要應(yīng)用于超聲波流量儀、高能物理和核物理、各種手持/機載或固定工的高精度激光測距儀、激光雷達、激光掃描儀、CDMA無線蜂窩系統(tǒng)無線定位、超聲波密度儀、超聲波厚度儀、渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速測試儀、張力計、磁致伸縮傳感器、飛行時間譜儀、天文的時間間隔觀測、頻率和相位信號分析等高精度測試領(lǐng)域。TDC-GP1還提供了與微處理器的多種接口方式，用戶可以很方便地用它構(gòu)成自己的系統(tǒng)或儀器。
2 結(jié)構(gòu)原理與引腳功能
TDC-GP1采用44引腳TQFP封裝，具有TDC測量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元4個主要功能模塊。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
（1）TDC測量單元
當(dāng)兩個脈沖的上升測或下降測的時間差為幾十到幾百ns時，傳統(tǒng)的測量脈沖寬度的脈沖計數(shù)法已不再適用。這是因為要測的脈沖越窄，所需要的時鐘頻率就愈高，對芯片的性能要求也越高。例如要求1ns的測量誤差時，時鐘頻率就需要提高到1GHz，此時一般計數(shù)器芯片很難正常工作，同時也會帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題。為克服上述問題，TDC-GP1利用信號通過邏輯門電路的絕對傳輸時間提出了一種新的時間間隔測量方法，測量原理如圖2所示。START信號和STOP信號之間的時間間隔由非門的個數(shù)來決定，而非門的傳輸時間可以由集成電路工藝精確地確定。同時，由于門電路的傳輸時間受溫度和電源電壓的影響比較大，因而該芯片內(nèi)部設(shè)計了鎖相和標定電路。
（2）16位算術(shù)邏輯單元
如圖1所示，TDC-GP1有兩個算術(shù)邏輯單元（ALU）。前面的ALU將粗值寄存器中的測量結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橐粺o符號整數(shù)，以便后面的ALU進行算術(shù)運算。后面的16位順序ALU主要完成以下三方面的工作：按照控制寄存器中的指令進行時間間隔的計算；將計算出的結(jié)果進行標定；將標定后的結(jié)果進行乘法運行。ALU擁有獨立的時鐘，完成所有上述工作僅需4μs。
（3）RLC測量單元
TDC-GP1利用本身的時間間隔測量功能在芯片上集成了一個RLC測量單元。首先一已知電容通過被測電阻放電，當(dāng)電容器上的放電電壓達到比較器的門限電壓外，TDC-GP1記錄下這一段放電時間。然后將被測電阻變換為一已知阻值的電阻，重復(fù)上述過程得到另外一段放電時間。根據(jù)這兩段放電時間的比值與已知電阻的阻值就可計算出被測電阻的阻值。
（4）與微控制器的接口單元
TDC-GP1提供了與8位單片機的接口，包括8位數(shù)據(jù)總線，4位可對16個寄存器操作的地址線以及讀、寫、片選等控制線。另外，為了簡化接口設(shè)計，還提供了地址鎖存線（ALE）。
3 功能描述
TDC-GP1提供了兩個量程及精度可調(diào)整等三個模式可供用戶選擇，每個模式中的分辨率可以設(shè)置為高或低。下面簡要介紹一下三個模式的測試過程和時序。
（1）量程1
TDC-GP1提供了兩個測量通道，每個通道精度250ps，兩個通道精度等級完全相同；兩個通道公用一個STSRT輸入，可分別與四個獨立的STOP輸入進行比較，最小時限為15ns；START和STOP信號必須持續(xù)2.5ns以上，否則芯片無法辨識；STOP信號之間可進行相互的比較，無最小時限；量程為3ns～7.6μs;兩個通道可進行排序，這樣可使1通道允許8個脈沖輸入，這種模式下通道2的STOP輸入被忽略。圖3給出了量程1的測量時序。
（2）量程2
為進行大量程時間測量，芯片引入了一個16位的predivider。該模式下芯片只有通道1可用；正常精度模式下允許4個脈沖輸入；STOP信號之間不能相互比較，僅STOP與STSRT信號可進行比較；最大量程60ns～200ms。圖4給出了量程2的測量時序。
原理如下：輸入START信號，芯片內(nèi)部迅速測量出這個信號與下一個校準時鐘上升測的時差，記為tFC1。之后，計數(shù)器開始工作，得到此predivider的工作周期數(shù)，記為period。這進，重新激活芯片內(nèi)部測量單元，測量出輸入的STOP信號的第一個脈沖上升沿與下一個校準時鐘上升沿的時差，記為tFC2。TFC3是STOP信號的第二個脈沖上升沿與校準時鐘上升沿的時差，tCall是一個校準時鐘周期，tCal2是兩個校準時鐘周期。根據(jù)圖4可以得出START信號與STOP信號第一個脈沖的時間間隔為
time=period×[cc+(tFC1-tPC2)/(tCal2-tCal1)
cc表示predivider的計數(shù)值。
（3）精度可調(diào)整模式
TDC芯片另一個重要特征是器件引入了精度調(diào)整模式。在此模式下，兩通道數(shù)值會非常精確。校準環(huán)路由外部時鐘引入作為參考。我們可以通過對芯片內(nèi)部寄存器的設(shè)置工作于此模式，因此，結(jié)果的精度取決于程序中的設(shè)置。精度可調(diào)整模式不需要START信號，因此最多只能通過通道1和通道2共引入8個STOP輸入。此時，任意兩個STOP信號均可以進行比較，量程為3ns～3.8μs。工作于精度可調(diào)整模式，芯片耗電量比較大，大約為25mA。圖5給出了精度可調(diào)整模式的測試時序。
圖7
4 應(yīng)用實例
高速邏輯門電路的延遲時間一般只有幾ns，用以前的脈沖計數(shù)法無法對之進行測量。使用TDC-GP1后，這類工作就變得相對容易多了。圖6是它的測量方框圖及時序圖，圖7是具體電路原理。應(yīng)用量程1的寄存器設(shè)置為： Reg0:0x44;Reg1:0x4D;Reg2:0x01;Reg3:0xXX;Reg4:0xXX;Reg5:0xXX;Reg6:0x02;
Reg7:0x01;Reg8:0x00;Reg9:0x00;Reg10:0x80。
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