集成時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器簡化了飛行時間測距應(yīng)用的設(shè)計

作者： Art Pini 2024-08-13

標簽 [工程] [診斷][評估/開發(fā)工具][導(dǎo)航] [感測] [信號處理] [半導(dǎo)體與開發(fā)工具]

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 是精確測量起始脈沖與一個或多個停止脈沖之間時間的電子器件。它們集成了電子秒表必備的所有必要功能，大大簡化了各種應(yīng)用中飛行時間 (ToF) 的測量。這些功能是測距應(yīng)用的基本功能。

例如，在超聲波測距儀中，發(fā)射出的超聲波脈沖和從目標接收到的回聲之間的時間（圖 1）與發(fā)射器和目標之間的距離成正比。

圖 1：超聲波測距儀會測量發(fā)射的脈沖群（左）與接收到的目標反射脈沖群（右）之間的時間，以此來確定它們之間的距離。（圖片來源：Art Pini）

發(fā)射脈沖傳播到目標，反射回來并被傳感器所感應(yīng)。在上圖示例中，來回行程花費了 3.5 毫秒 (ms)，所以超聲脈沖從目標傳播回來的時間是 1.75 ms。在 22°C，聲波速度為 344 米每秒 (m/s)，所以距離是 0.00175 x 344 = 0.6 m。

使用測距的類似應(yīng)用還有雷達、光探測和測距 (LiDAR) 和聲吶，也使用發(fā)射脈沖與反射回聲之間的 ToF 來確定到目標的距離。隨著測距設(shè)備層出不窮，它們在汽車行業(yè)的應(yīng)用正變得更常見。在流速測量時也要求ToF 計算，這發(fā)生在上、下游方向的傳感器之間。

簡化 TDC 功能

設(shè)計人員目標是為了簡化 TDC 功能，盡可能節(jié)省時間和空間。為此，市場推出了高度集成的 TDC。例如，[Texas Instruments]的 [TDC7201ZAXR]（圖 2）是一款雙 TDC 集成電路 (IC)，旨在用于汽車測距應(yīng)用，如采用 ToF 技術(shù)的高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有兩個測量模式：模式 1 覆蓋 12 至 2000 納秒 (ns)，模式 2 范圍則為 250 ns 到 8 毫秒 (ms)。兩種模式的時間分辨率均為 55 皮秒 (ps)。這款 TDC 器件使用外部時間、內(nèi)部環(huán)形振蕩器以及各自的計數(shù)器來測量一個通用起始脈沖到最多六個停止脈沖之間的 ToF。

圖 2：TDC7201ZAXR 功能框圖展示了兩個 TDC 內(nèi)核，使用獨立的環(huán)形振蕩器、粗計數(shù)器、外部時鐘和時鐘計數(shù)器。（圖片來源：Texas Instruments）

TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 伏直流電源 (VDC) 供電。內(nèi)部有一個低壓降穩(wěn)壓器為 TDC 時基提供穩(wěn)定的電源。施密特觸發(fā)比較器對輸入的起始和停止信號進行調(diào)節(jié)和整形。每個 TDC 中的環(huán)形振蕩器是每個 TDC 內(nèi)核的主要時間測量機構(gòu)。粗計數(shù)器與環(huán)形振蕩器相關(guān)聯(lián)，而外部時鐘驅(qū)動時鐘計數(shù)器。外部時鐘必須有頻率穩(wěn)定的來源，因為 TDC 的定時精度直接取決于時鐘精度。外部時鐘是校準內(nèi)部環(huán)形振蕩器時基的基準。建議時鐘頻率范圍為 8 至 16 兆赫 (MHz)，如此才能獲得最佳計時精度。

研究 TDC 運行模式有助于我們了解其工作原理。模式 1 的計時范圍小于 2000 ns，使用環(huán)形振蕩器輸出和粗計數(shù)器（圖 3）。

圖 3：模式 1 只使用環(huán)形振蕩器來驅(qū)動粗計數(shù)器，可在 ToF 小于 2000 ns 時實現(xiàn) 55 ps 的計時分辨率。（圖片來源：Texas Instruments）

環(huán)形振蕩器的周期確定了計時分辨率，標稱 55 ps，具體取決于依據(jù)外部時鐘的內(nèi)部校準結(jié)果。起始脈沖和最多六個停止脈沖之間的 ToF 存儲到特定寄存器位置。

模式 2 將時間范圍增加到 8 ms，同時保持 55 ps 的時間分辨率（圖 4）。

圖 4：模式 2 利用了時鐘計數(shù)器和粗計數(shù)器，前者用于計算外部時鐘周期，后者計算起始脈沖與后續(xù)外部時鐘之間以及停止脈沖與后續(xù)外部時鐘之間的環(huán)形振蕩器周期。（圖片來源：Texas Instruments）

粗計數(shù)器用作游標，測量起始脈沖與下一個外部時鐘沿之間的時間。它還能測量停止脈沖與后續(xù)外部時鐘邊沿之間的時間。這種組合既能實現(xiàn)粗計數(shù)器的時間分辨率，又能擴大測量范圍。

TDC7201ZAXR 使用串行外設(shè)接口 (SPI) 控制，該接口使用片選線區(qū)分兩個 TDC。測量時間輸出和器件配置均通過 SPI 接口完成。

如果您想試用這款 TDC，請從 [TDC7201-ZAX-EVM] 評估板開始。通過該電路板，您可以評估 TDC7201 的操作方式和性能，另外該板還提供了易于使用的圖形用戶界面 (GUI)。

[Analog Devices]的 [MAX35101EHJ+]是一款適合熱量表和流量計應(yīng)用的 TDC。它具有 20 ps 的時間分辨率和 8 ms 的最大量程。它還具有一個完整的模擬前端 (AFE)，由一個放大器和一個比較器組成。此外，它還提供高精度溫度測量功能、用于數(shù)據(jù)記錄的 8 千字節(jié) (Kb) 非易失性存儲器和實時時鐘。

熱量表通過使用上游和下游兩個方向的 ToF 測量來確定熱水加熱系統(tǒng)中的流體速度，從而測量出熱能（圖 5）。

圖 5：基于 ToF 測量的熱量表利用上下游壓電傳感器確定通過閥芯體的水流速度。（圖片來源：Analog Devices）

熱量表測量通過輻射器傳遞的熱能。它使用電阻溫度檢測器 (RTD) 測量入口和出口溫度。閥芯體可確保水流通過已知直徑的開口。閥芯體包含 MAX35101EHJ+ 向上、下游方向發(fā)出脈沖的壓電傳感器。根據(jù) ToF 測量值之差可以計算出水流速度。這一信息與已知的開口面積相結(jié)合，就可用于確定流量。結(jié)合溫降，就可以計算出輻射器的熱能耗散量。MAX35101EHJ+ 是自足式的，可執(zhí)行所有必要的測量。

結(jié)語

TDC 是實現(xiàn)汽車、工業(yè)和研究應(yīng)用中許多 ToF 測量的關(guān)鍵元件。來自 Texas Instruments 和 Analog Devices 的高集成度、高性能器件可以簡化您應(yīng)用的設(shè)計流程。同時提供評估板供您評估和測試，確保這些器件滿足您應(yīng)用的需要。

審核編輯 黃宇