TDC-GP1高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞：時(shí)間間隔測(cè)量 TDC-GP1 單片機(jī)
1 概述
TDC-GP1主要應(yīng)用于超聲波流量?jī)x、高能物理和核物理、各種手持/機(jī)載或固定工的高精度激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)、激光掃描儀、CDMA無(wú)線蜂窩系統(tǒng)無(wú)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(cè)試儀、張力計(jì)、磁致伸縮傳感器、飛行時(shí)間譜儀、天文的時(shí)間間隔觀測(cè)、頻率和相位信號(hào)分析等高精度測(cè)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(cè)量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測(cè)量單元及與8位處理器的接口單元4個(gè)主要功能模塊。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
（1）TDC測(cè)量單元
當(dāng)兩個(gè)脈沖的上升測(cè)或下降測(cè)的時(shí)間差為幾十到幾百ns時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)量脈沖寬度的脈沖計(jì)數(shù)法已不再適用。這是因?yàn)橐獪y(cè)的脈沖越窄，所需要的時(shí)鐘頻率就愈高，對(duì)芯片的性能要求也越高。例如要求1ns的測(cè)量誤差時(shí)，時(shí)鐘頻率就需要提高到1GHz，此時(shí)一般計(jì)數(shù)器芯片很難正常工作，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問(wèn)題。為克服上述問(wèn)題，TDC-GP1利用信號(hào)通過(guò)邏輯門電路的絕對(duì)傳輸時(shí)間提出了一種新的時(shí)間間隔測(cè)量方法，測(cè)量原理如圖2所示。START信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來(lái)決定，而非門的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確地確定。同時(shí)，由于門電路的傳輸時(shí)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(jì)了鎖相和標(biāo)定電路。
（2）16位算術(shù)邏輯單元
如圖1所示，TDC-GP1有兩個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU）。前面的ALU將粗值寄存器中的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橐粺o(wú)符號(hào)整數(shù)，以便后面的ALU進(jìn)行算術(shù)運(yùn)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(jìn)行時(shí)間間隔的計(jì)算；將計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定；將標(biāo)定后的結(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)行。ALU擁有獨(dú)立的時(shí)鐘，完成所有上述工作僅需4μs。
（3）RLC測(cè)量單元
TDC-GP1利用本身的時(shí)間間隔測(cè)量功能在芯片上集成了一個(gè)RLC測(cè)量單元。首先一已知電容通過(guò)被測(cè)電阻放電，當(dāng)電容器上的放電電壓達(dá)到比較器的門限電壓外，TDC-GP1記錄下這一段放電時(shí)間。然后將被測(cè)電阻變換為一已知阻值的電阻，重復(fù)上述過(guò)程得到另外一段放電時(shí)間。根據(jù)這兩段放電時(shí)間的比值與已知電阻的阻值就可計(jì)算出被測(cè)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(jī)的接口，包括8位數(shù)據(jù)總線，4位可對(duì)16個(gè)寄存器操作的地址線以及讀、寫、片選等控制線。另外，為了簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)，還提供了地址鎖存線（ALE）。
3 功能描述
TDC-GP1提供了兩個(gè)量程及精度可調(diào)整等三個(gè)模式可供用戶選擇，每個(gè)模式中的分辨率可以設(shè)置為高或低。下面簡(jiǎn)要介紹一下三個(gè)模式的測(cè)試過(guò)程和時(shí)序。
（1）量程1
TDC-GP1提供了兩個(gè)測(cè)量通道，每個(gè)通道精度250ps，兩個(gè)通道精度等級(jí)完全相同；兩個(gè)通道公用一個(gè)STSRT輸入，可分別與四個(gè)獨(dú)立的STOP輸入進(jìn)行比較，最小時(shí)限為15ns；START和STOP信號(hào)必須持續(xù)2.5ns以上，否則芯片無(wú)法辨識(shí)；STOP信號(hào)之間可進(jìn)行相互的比較，無(wú)最小時(shí)限；量程為3ns～7.6μs;兩個(gè)通道可進(jìn)行排序，這樣可使1通道允許8個(gè)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(cè)量時(shí)序。
（2）量程2
為進(jìn)行大量程時(shí)間測(cè)量，芯片引入了一個(gè)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(gè)脈沖輸入；STOP信號(hào)之間不能相互比較，僅STOP與STSRT信號(hào)可進(jìn)行比較；最大量程60ns～200ms。圖4給出了量程2的測(cè)量時(shí)序。
原理如下：輸入START信號(hào)，芯片內(nèi)部迅速測(cè)量出這個(gè)信號(hào)與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升測(cè)的時(shí)差，記為tFC1。之后，計(jì)數(shù)器開始工作，得到此predivider的工作周期數(shù)，記為period。這進(jìn)，重新激活芯片內(nèi)部測(cè)量單元，測(cè)量出輸入的STOP信號(hào)的第一個(gè)脈沖上升沿與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，記為tFC2。TFC3是STOP信號(hào)的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，tCall是一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，tCal2是兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。根據(jù)圖4可以得出START信號(hào)與STOP信號(hào)第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為
time=period×[cc+(tFC1-tPC2)/(tCal2-tCal1)
cc表示predivider的計(jì)數(shù)值。
（3）精度可調(diào)整模式
TDC芯片另一個(gè)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(huì)非常精確。校準(zhǔn)環(huán)路由外部時(shí)鐘引入作為參考。我們可以通過(guò)對(duì)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(hào)，因此最多只能通過(guò)通道1和通道2共引入8個(gè)STOP輸入。此時(shí)，任意兩個(gè)STOP信號(hào)均可以進(jìn)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(cè)試時(shí)序。
圖7
4 應(yīng)用實(shí)例
高速邏輯門電路的延遲時(shí)間一般只有幾ns，用以前的脈沖計(jì)數(shù)法無(wú)法對(duì)之進(jìn)行測(cè)量。使用TDC-GP1后，這類工作就變得相對(duì)容易多了。圖6是它的測(cè)量方框圖及時(shí)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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