德國(guó)acam公司時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)及應(yīng)用介紹

背景
時(shí)間是我們熟悉的最基本的物理尺度，越來(lái)越多的領(lǐng)域以高精度的時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)。這些領(lǐng)域包括工業(yè)、汽車、醫(yī)學(xué)和科研所要求的時(shí)間測(cè)量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有幾個(gè)皮秒，他們往往要求具有高精度、小體積、低成本和商業(yè)化等綜合因素的經(jīng)濟(jì)型解決方案。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器如果要達(dá)到幾個(gè)皮秒的分辨率，則需要幾百GHz的頻率時(shí)鐘，這對(duì)于一個(gè)普通的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，幾乎是不可能的！成立于德國(guó)的acam公司，則以另一種方式，開(kāi)發(fā)出基于皮秒級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量的集成電路和系統(tǒng)解決方案----TDC（Timer Digital Converter），即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這些芯片把時(shí)間間隔直接轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字值。它與位于前端傳感器和數(shù)字處理器之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換器非常相似。但是 TDC 僅指高精度的時(shí)間測(cè)量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的轉(zhuǎn)換器上的。
TDC原理
TDC是ACAM核心的超高精度的時(shí)間間隔測(cè)量產(chǎn)品，全數(shù)字化集成電路，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，對(duì)溫度和電壓的變化采用補(bǔ)償方式，以便能同時(shí)滿足高精度、高測(cè)量刷新率、低功耗和小體積等方面的要求。具體來(lái)講，TDC是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的，如下圖1顯示了這種測(cè)量絕對(duì)間隔時(shí)間TDC的主要框架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、冗余電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數(shù)，并且能保證每個(gè)門(mén)電路的延遲時(shí)間嚴(yán)格一致。芯片能獲得的最高測(cè)量精度由信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部門(mén)電路的最短傳播延遲時(shí)間tpd決定。

圖1：TDC 核心測(cè)量單元
 測(cè)量單元由 START 信號(hào)觸發(fā)，接收到 STOP 信號(hào)停止。通過(guò)START和STOP之間通過(guò)的門(mén)電路的個(gè)數(shù)來(lái)獲得START和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。如上圖由START通過(guò)環(huán)形振蕩器到達(dá)的位置和coarse counter的計(jì)數(shù)值即計(jì)算出 START 信號(hào)和 STOP 信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá) 20 位。下圖2中tss即為測(cè)量的時(shí)間間隔。
 
圖2
與模擬測(cè)量方法如AD方式相比，TDC主要優(yōu)勢(shì)在于高測(cè)量刷新率，優(yōu)秀的測(cè)量分辨率和極低功耗，以及可用性、靈活性、可用電路的高集成性等等，是一種使很多用戶都能方便使用的芯片。
TDC產(chǎn)品系列與應(yīng)用
 截止目前，ACAM 已經(jīng)推出3款TDC產(chǎn)品：
1、 TDC-GP1
TDC第一代產(chǎn)品，分辨率為125ps or 250ps，最大時(shí)間測(cè)量間隔200ms，帶有RLC單元（電阻、電感、電容測(cè)量單元），主要應(yīng)用包括：
距離測(cè)量
超聲波流量測(cè)量
密度測(cè)量

2、 TDC-GP2
ACAM通用TDC新一代產(chǎn)品，更高的分辨率和更小的封裝，故此尤其適用于對(duì)成本比較敏感的應(yīng)用。分辨率65ps，最大時(shí)間測(cè)量4ms，集成有溫度測(cè)量單元，脈沖發(fā)生器，主要應(yīng)用：
超聲波熱表
超聲波流量計(jì)
激光測(cè)距儀
激光掃描儀
辭致伸縮定位儀

3、 TDC-GPX
GPX是TDC系列中產(chǎn)品功能最強(qiáng)大的，它的多功能構(gòu)造，尤其是單次測(cè)量的高分辨率性能、高測(cè)量刷新率，使TDC-GPX在以TDC為基礎(chǔ)的時(shí)間測(cè)量上向前邁出了一大步，分辨率10ps，27ps，41ps，81ps，時(shí)間測(cè)量量程與分辨率對(duì)應(yīng)，分別為10us，40us，64us，9.4us或無(wú)限制。尤其適合于對(duì)性能和精度要求都很高的工業(yè)和科研應(yīng)用，如：
TOF光譜分析
TOF測(cè)量
生物醫(yī)學(xué)技術(shù)
TDC應(yīng)用實(shí)例
下面以最常用的GP2為例，說(shuō)明ACAM TDC的具體應(yīng)用。我們先看一下GP2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖3：
TDC：時(shí)間測(cè)量核心單元
ALU：數(shù)據(jù)處理單元，通過(guò)SPI與MCU或DSP通信。
TU：溫度測(cè)量單元
Fire generator：脈沖發(fā)生器
其他控制單元、寄存器配置等

圖3：GP2內(nèi)部結(jié)構(gòu)
TDC-GP2 很適合低成本的超聲波熱量計(jì)設(shè)計(jì)。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測(cè)量，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器校準(zhǔn)器），加上一個(gè)簡(jiǎn)單的微處理器（不需要 A/D 轉(zhuǎn)換）和一個(gè)傳感驅(qū)動(dòng)與接收器，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的超聲波熱量計(jì)。如圖4的示意圖和圖5典型電路圖：
 
圖4
 
圖5 電路圖

發(fā)送時(shí)脈沖發(fā)生器Fire1、Fire2發(fā)送脈沖，驅(qū)動(dòng)換能器電路產(chǎn)生超聲波（假設(shè)此時(shí)為順流），同時(shí)給GP2一個(gè)start信號(hào)，啟動(dòng)GP2測(cè)量單元。接收時(shí)，經(jīng)過(guò)換能器接收處理，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)模擬電路轉(zhuǎn)換為方波給到STOP1通道，GP2將自動(dòng)完成STOP1到START的時(shí)間間隔t1的測(cè)量。同樣的方法，逆流時(shí)得到傳播時(shí)間t2，根據(jù)t2-t1時(shí)間差，使用時(shí)差法，能計(jì)算出流量。   
另外TDC-GP2還帶有兩路溫度測(cè)量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，這為熱量表的應(yīng)用提供了集成化的解決方案。系統(tǒng)中接在PT1和PT4端口，而PT2、PT3作為一個(gè)參考的電阻接口端。
 GP2雖不是核處理器，卻能完一個(gè)系統(tǒng)的功能，對(duì)其進(jìn)行編程時(shí)，你只需把它當(dāng)成一個(gè)外設(shè)，通過(guò)單片機(jī)SPI對(duì)它進(jìn)行操作即可，使用還是很便捷的！

結(jié)語(yǔ)
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