——劉宗德  應用工程師, 世強電訊

    背景

    時間是我們熟悉的最基本的物理尺度，越來越多的領域以高精度的時間測量為基礎。這些領域包括工業、汽車、醫學和科研所要求的時間測量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有幾個皮秒，他們往往要求具有高精度、小體積、低成本和商業化等綜合因素的經濟型解決方案。

    一個標準計數器如果要達到幾個皮秒的分辨率，則需要幾百GHz的頻率時鐘，這對于一個普通的系統來說，幾乎是不可能的！成立于德國的acam公司，則以另一種方式，開發出基于皮秒級時間間隔測量的集成電路和系統解決方案----TDC（Timer Digital Converter），即時間數字轉換器。這些芯片把時間間隔直接轉化為高精度的數字值。它與位于前端傳感器和數字處理器之間的數模轉換器非常相似。但是 TDC 僅指高精度的時間測量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的轉換器上的。

    TDC原理

    TDC是ACAM核心的超高精度的時間間隔測量產品，全數字化集成電路，采用標準CMOS工藝制造，對溫度和電壓的變化采用補償方式，以便能同時滿足高精度、高測量刷新率、低功耗和小體積等方面的要求。具體來講，TDC是以信號通過內部門電路的傳播延遲來進行高精度時間間隔測量的，如下圖1顯示了這種測量絕對間隔時間TDC的主要框架。芯片上的智能電路結構、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通過門電路的個數，并且能保證每個門電路的延遲時間嚴格一致。芯片能獲得的最高測量精度由信號通過芯片內部門電路的最短傳播延遲時間tpd決定。

圖1：TDC 核心測量單元 

    測量單元由 START 信號觸發，接收到 STOP 信號停止。通過START和STOP之間通過的門電路的個數來獲得START和STOP信號之間的時間間隔。如上圖由START通過環形振蕩器到達的位置和coarse counter的計數值即計算出 START 信號和 STOP 信號之間時間間隔，測量范圍可達 20 位。下圖2中tss即為測量的時間間隔。

圖2

    與模擬測量方法如AD方式相比，TDC主要優勢在于高測量刷新率，優秀的測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。

    截止目前，ACAM 已經推出3款TDC產品：

    1、  TDC-GP1

    TDC第一代產品，分辨率為125ps or 250ps，最大時間測量間隔200ms，帶有RLC單元（電阻、電感、電容測量單元），主要應用包括：

    距離測量

    超聲波流量測量

    密度測量

    2、  TDC-GP2

    ACAM通用TDC新一代產品，更高的分辨率和更小的封裝，故此尤其適用于對成本比較敏感的應用。分辨率65ps，最大時間測量4ms，集成有溫度測量單元，脈沖發生器，主要應用：

    超聲波熱表

    超聲波流量計

    激光測距儀

    激光掃描儀

    辭致伸縮定位儀

    3、   TDC-GPX

    GPX是TDC系列中產品功能最強大的，它的多功能構造，尤其是單次測量的高分辨率性能、高測量刷新率，使TDC-GPX在以TDC為基礎的時間測量上向前邁出了一大步，分辨率10ps，27ps，41ps，81ps，時間測量量程與分辨率對應，分別為10us，40us，64us，9.4us或無限制。尤其適合于對性能和精度要求都很高的工業和科研應用，如：

    TOF光譜分析

    TOF測量

    生物醫學技術

    TDC應用實例

    下面以最常用的GP2為例，說明ACAM TDC的具體應用。我們先看一下GP2的內部結構，如下圖3：

    TDC：時間測量核心單元

    ALU：數據處理單元，通過SPI與MCU或DSP通信。

    TU：溫度測量單元

    Fire generator：脈沖發生器

    其他控制單元、寄存器配置等

圖3：GP2內部結構

    TDC-GP2 很適合低成本的超聲波熱量計設計。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測量，觸發脈沖產生器校準器），加上一個簡單的微處理器（不需要 A/D 轉換）和一個傳感驅動與接收器，就可以構成一個完整的超聲波熱量計。如圖4的示意圖和圖5典型電路圖：

圖4

圖5 電路圖

    發送時脈沖發生器Fire1、Fire2發送脈沖，驅動換能器電路產生超聲波（假設此時為順流），同時給GP2一個start信號，啟動GP2測量單元。接收時，經過換能器接收處理，產生的脈沖信號通過模擬電路轉換為方波給到STOP1通道，GP2將自動完成STOP1到START的時間間隔t1的測量。同樣的方法，逆流時得到傳播時間t2，根據t2-t1時間差，使用時差法，能計算出流量。    

    另外TDC-GP2還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進行溫度測量，這為熱量表的應用提供了集成化的解決方案。系統中接在PT1和PT4端口，而PT2、PT3作為一個參考的電阻接口端。

    GP2雖不是核處理器，卻能完一個系統的功能，對其進行編程時，你只需把它當成一個外設，通過單片機SPI對它進行操作即可，使用還是很便捷的！

    結語

    你是否對ACAM TDC有了一定的概念？若要進一步了解acam TDC產品的詳細信息及使用方法，請聯系acam中國區總代理世強電訊。■