德国acam公司时间数字转换技术及应用介绍

背景

时间是我们熟悉的最基本的物理尺度，越来越多的领域以高精度的时间测量为基础。这些领域包括工业、汽车、医学和科研所要求的时间测量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有几个皮秒，他们往往要求具有高精度、小体积、低成本和商业化等综合因素的经济型解决方案。

一个标准计数器如果要达到几个皮秒的分辨率，则需要几百GHz的频率时钟，这对于一个普通的系统来说，几乎是不可能的！成立于德国的acam公司，则以另一种方式，开发出基于皮秒级时间间隔测量的集成电路和系统解决方案----TDC（Timer Digital Converter），即时间数字转换器。这些芯片把时间间隔直接转化为高精度的数字值。它与位于前端传感器和数字处理器之间的数模转换器非常相似。但是 TDC 仅指高精度的时间测量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的转换器上的。

TDC原理

TDC是ACAM核心的超高精度的时间间隔测量产品，全数字化集成电路，采用标准CMOS工艺制造，对温度和电压的变化采用补偿方式，以便能同时满足高精度、高测量刷新率、低功耗和小体积等方面的要求。具体来讲，TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的，如下图1显示了这种测量绝对间隔时间TDC的主要框架。芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数，并且能保证每个门电路的延迟时间严格一致。芯片能获得的最高测量精度由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间tpd决定。

图1：TDC 核心测量单元

测量单元由 START 信号触发，接收到 STOP 信号停止。通过START和STOP之间通过的门电路的个数来获得START和STOP信号之间的时间间隔。如上图由START通过环形振荡器到达的位置和coarse counter的计数值即计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。下图2中tss即为测量的时间间隔。

图2 测量的时间间隔

与模拟测量方法如AD方式相比，TDC主要优势在于高测量刷新率，优秀的测量分辨率和极低功耗，以及可用性、灵活性、可用电路的高集成性等等，是一种使很多用户都能方便使用的芯片。

TDC产品系列与应用

截止目前，ACAM 已经推出3款TDC产品：

1、TDC-GP1

TDC第一代产品，分辨率为125ps or 250ps，最大时间测量间隔200ms，带有RLC单元（电阻、电感、电容测量单元），主要应用包括：

距离测量

超声波流量测量

密度测量

2、TDC-GP2

ACAM通用TDC新一代产品，更高的分辨率和更小的封装，故此尤其适用于对成本比较敏感的应用。分辨率65ps，最大时间测量4ms，集成有温度测量单元，脉冲发生器，主要应用：

超声波热表

超声波流量计

激光测距仪

激光扫描仪

辞致伸缩定位仪

3、TDC-GPX

GPX是TDC系列中产品功能最强大的，它的多功能构造，尤其是单次测量的高分辨率性能、高测量刷新率，使TDC-GPX在以TDC为基础的时间测量上向前迈出了一大步，分辨率10ps，27ps，41ps，81ps，时间测量量程与分辨率对应，分别为10us，40us，64us，9.4us或无限制。尤其适合于对性能和精度要求都很高的工业和科研应用，如：

TOF光谱分析

TOF测量

生物医学技术

TDC应用实例

下面以最常用的GP2为例，说明ACAM TDC的具体应用。我们先看一下GP2的内部结构，如下图3：

TDC：时间测量核心单元

ALU：数据处理单元，通过SPI与MCU或DSP通信。

TU：温度测量单元

Fire generator：脉冲发生器

其他控制单元、寄存器配置等

图3：GP2内部结构