TDC-GP1高精度時(shí)間間隔測量芯片及其應(yīng)用

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(jī)載或固定式的高精度激光測距儀、激光雷達(dá)、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(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、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(gè)主要功能模塊。各引腳名稱和功能如表1所列，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　當(dāng)兩個(gè)脈沖的上升沿或下降沿的時(shí)間差為幾十到幾百ns時(shí)，傳統(tǒng)的測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的脈沖越窄，所需要的時(shí)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(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(shí)間提出了一種新的時(shí)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(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來決定，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。

　　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量結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橐粺o符號整數(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)算。alu擁有獨(dú)立的時(shí)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(shí)間間隔測量功能在芯片上集成了一個(gè)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(dá)到比較器的門限電壓時(shí)，tdc-gp1記錄下這一段放電時(shí)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(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。下面簡要介紹一下三個(gè)模式的測量過程和時(shí)序。

(1)量程1

　　tdc-gp1提供了兩個(gè)測量通道，每個(gè)通道精度250ps，兩個(gè)通道精度等級完全相同；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信號必須持續(xù)2.5ns以上，否則芯片無法辨識；stop信號之間可進(jìn)行相互的比較，無最小時(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的測量時(shí)序。

(2)量程2

　　為進(jìn)行大量程時(shí)間測量，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信號之間不能相互比較，僅stop與stsrt信號可進(jìn)行比較；最大量程60ns~200ms。圖4給出了量程2的測量時(shí)序。

原理如下：輸入start信號，芯片內(nèi)部迅速測量出這個(gè)信號與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(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。這時(shí)，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(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信號的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，tcal1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信號與stop信號第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為

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可調(diào)整模式。在此模式下，兩通道數(shù)值會非常精確。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(gè)stop輸入。此時(shí)，任意兩個(gè)stop信號均可以進(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)整模式的測量時(shí)序。

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)法無法對之進(jìn)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(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。