德國acam公司時(shí)間數字轉換技術(shù)及應用介紹

　　背景

　　時(shí)間是我們熟悉的最基本的物理尺度，越來(lái)越多的領(lǐng)域以高精度的時(shí)間測量為基礎。這些領(lǐng)域包括工業(yè)、汽車(chē)、醫學(xué)和科研所要求的時(shí)間測量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有幾個(gè)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(gè)標準計數器如果要達到幾個(gè)皮秒的分辨率，則需要幾百GHz的頻率時(shí)鐘，這對于一個(gè)普通的系統來(lái)說(shuō)，幾乎是不可能的!成立于德國的acam公司，則以另一種方式，開(kāi)發(fā)出基于皮秒級時(shí)間間隔測量的集成電路和系統解決方案----TDC(Timer Digital Converter)，即時(shí)間數字轉換器。這些芯片把時(shí)間間隔直接轉化為高精度的數字值。它與位于前端傳感器和數字處理器之間的數模轉換器非常相似。但是 TDC 僅指高精度的時(shí)間測量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的轉換器上的。

　　TDC原理

　　TDC是ACAM核心的超高精度的時(shí)間間隔測量產(chǎn)品，全數字化集成電路，采用標準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(shí)滿(mǎn)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(lái)講，TDC是以信號通過(guò)內部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測量的，如下圖1顯示了這種測量絕對間隔時(shí)間TDC的主要框架。芯片上的智能電路結構、冗余電路和特殊的布線(xiàn)方法使得芯片可以精確地記下信號通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數，并且能保證每個(gè)門(mén)電路的延遲時(shí)間嚴格一致。芯片能獲得的最高測量精度由信號通過(guò)芯片內部門(mén)電路的最短傳播延遲時(shí)間tpd決定。

　　測量單元由 START 信號觸發(fā)，接收到 STOP 信號停止。通過(guò)START和STOP之間通過(guò)的門(mén)電路的個(gè)數來(lái)獲得START和STOP信號之間的時(shí)間間隔。如上圖由START通過(guò)環(huán)形振蕩器到達的位置和coarse counter的計數值即計算出 START 信號和 STOP 信號之間時(shí)間間隔，測量范圍可達 20 位。下圖2中tss即為測量的時(shí)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(hù)都能方便使用的芯片。