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。

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(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。

圖2

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。

TDC產(chǎn)品系列與應用

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(shí)間測量間隔200ms，帶有RLC單元（電阻、電感、電容測量單元），主要應用包括：
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用。分辨率65ps，最大時(shí)間測量4ms，集成有溫度測量單元，脈沖發(fā)生器，主要應用：
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為基礎的時(shí)間測量上向前邁出了一大步，分辨率10ps，27ps，41ps，81ps，時(shí)間測量量程與分辨率對應，分別為10us，40us，64us，9.4us或無(wú)限制。尤其適合于對性能和精度要求都很高的工業(yè)和科研應用，如：
TOF光譜分析
TOF測量
生物醫學(xué)技術(shù)

TDC應用實(shí)例

下面以最常用的GP2為例，說(shuō)明ACAM TDC的具體應用。我們先看一下GP2的內部結構，如下圖3：
TDC：時(shí)間測量核心單元
ALU：數據處理單元，通過(guò)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內部結構