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

背景

時間是我們熟悉的最基本的物理尺度，越來越多的領(lǐng)域以高精度的時間測量為基礎(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(yè)化等綜合因素的經(jīng)濟型解決方案。

一個標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)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(tǒng)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(fā)出基于皮秒級時間間隔測量的集成電路和系統(tǒng)解決方案----TDC（Timer Digital Converter），即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這些芯片把時間間隔直接轉(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 僅指高精度的時間測量工具。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間間隔測量產(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(nèi)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(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通過門電路的個數(shù)，并且能保證每個門電路的延遲時間嚴(yán)格一致。芯片能獲得的最高測量精度由信號通過芯片內(nèi)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(fā)，接收到 STOP 信號停止。通過START和STOP之間通過的門電路的個數(shù)來獲得START和STOP信號之間的時間間隔。如上圖由START通過環(huán)形振蕩器到達的位置和coarse counter的計數(shù)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 測量的時間間隔

與模擬測量方法如AD方式相比，TDC主要優(yōu)勢在于高測量刷新率，優(yōu)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。

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，最大時間測量間隔200ms，帶有RLC單元（電阻、電感、電容測量單元），主要應(yīng)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(chǎn)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(yīng)用。分辨率65ps，最大時間測量4ms，集成有溫度測量單元，脈沖發(fā)生器，主要應(yīng)用：

超聲波熱表

超聲波流量計

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(chǎn)品功能最強大的，它的多功能構(gòu)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(chǔ)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(yīng)，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(yè)和科研應(yīng)用，如：

TOF光譜分析

TOF測量

生物醫(yī)學(xué)技術(shù)

TDC應(yīng)用實例

下面以最常用的GP2為例，說明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：時間測量核心單元

ALU：數(shù)據(jù)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(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)