集成时间数字转换器简化了飞行时间测距应用的设计

作者： Art Pini 2024-08-13

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时间数字转换器 (TDC) 是精确测量起始脉冲与一个或多个停止脉冲之间时间的电子器件。它们集成了电子秒表必备的所有必要功能，大大简化了各种应用中飞行时间 (ToF) 的测量。这些功能是测距应用的基本功能。

例如，在超声波测距仪中，发射出的超声波脉冲和从目标接收到的回声之间的时间（图 1）与发射器和目标之间的距离成正比。

图 1：超声波测距仪会测量发射的脉冲群（左）与接收到的目标反射脉冲群（右）之间的时间，以此来确定它们之间的距离。（图片来源：Art Pini）

发射脉冲传播到目标，反射回来并被传感器所感应。在上图示例中，来回行程花费了 3.5 毫秒 (ms)，所以超声脉冲从目标传播回来的时间是 1.75 ms。在 22°C，声波速度为 344 米每秒 (m/s)，所以距离是 0.00175 x 344 = 0.6 m。

使用测距的类似应用还有雷达、光探测和测距 (LiDAR) 和声呐，也使用发射脉冲与反射回声之间的 ToF 来确定到目标的距离。随着测距设备层出不穷，它们在汽车行业的应用正变得更常见。在流速测量时也要求ToF 计算，这发生在上、下游方向的传感器之间。

简化 TDC 功能

设计人员目标是为了简化 TDC 功能，尽可能节省时间和空间。为此，市场推出了高度集成的 TDC。例如，[Texas Instruments]的 [TDC7201ZAXR]（图 2）是一款双 TDC 集成电路 (IC)，旨在用于汽车测距应用，如采用 ToF 技术的高级驾驶辅助系统 (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有两个测量模式：模式 1 覆盖 12 至 2000 纳秒 (ns)，模式 2 范围则为 250 ns 到 8 毫秒 (ms)。两种模式的时间分辨率均为 55 皮秒 (ps)。这款 TDC 器件使用外部时间、内部环形振荡器以及各自的计数器来测量一个通用起始脉冲到最多六个停止脉冲之间的 ToF。

图 2：TDC7201ZAXR 功能框图展示了两个 TDC 内核，使用独立的环形振荡器、粗计数器、外部时钟和时钟计数器。（图片来源：Texas Instruments）

TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 伏直流电源 (VDC) 供电。内部有一个低压降稳压器为 TDC 时基提供稳定的电源。施密特触发比较器对输入的起始和停止信号进行调节和整形。每个 TDC 中的环形振荡器是每个 TDC 内核的主要时间测量机构。粗计数器与环形振荡器相关联，而外部时钟驱动时钟计数器。外部时钟必须有频率稳定的来源，因为 TDC 的定时精度直接取决于时钟精度。外部时钟是校准内部环形振荡器时基的基准。建议时钟频率范围为 8 至 16 兆赫 (MHz)，如此才能获得最佳计时精度。

研究 TDC 运行模式有助于我们了解其工作原理。模式 1 的计时范围小于 2000 ns，使用环形振荡器输出和粗计数器（图 3）。

图 3：模式 1 只使用环形振荡器来驱动粗计数器，可在 ToF 小于 2000 ns 时实现 55 ps 的计时分辨率。（图片来源：Texas Instruments）

环形振荡器的周期确定了计时分辨率，标称 55 ps，具体取决于依据外部时钟的内部校准结果。起始脉冲和最多六个停止脉冲之间的 ToF 存储到特定寄存器位置。

模式 2 将时间范围增加到 8 ms，同时保持 55 ps 的时间分辨率（图 4）。

图 4：模式 2 利用了时钟计数器和粗计数器，前者用于计算外部时钟周期，后者计算起始脉冲与后续外部时钟之间以及停止脉冲与后续外部时钟之间的环形振荡器周期。（图片来源：Texas Instruments）

粗计数器用作游标，测量起始脉冲与下一个外部时钟沿之间的时间。它还能测量停止脉冲与后续外部时钟边沿之间的时间。这种组合既能实现粗计数器的时间分辨率，又能扩大测量范围。

TDC7201ZAXR 使用串行外设接口 (SPI) 控制，该接口使用片选线区分两个 TDC。测量时间输出和器件配置均通过 SPI 接口完成。

如果您想试用这款 TDC，请从 [TDC7201-ZAX-EVM] 评估板开始。通过该电路板，您可以评估 TDC7201 的操作方式和性能，另外该板还提供了易于使用的图形用户界面 (GUI)。

[Analog Devices]的 [MAX35101EHJ+]是一款适合热量表和流量计应用的 TDC。它具有 20 ps 的时间分辨率和 8 ms 的最大量程。它还具有一个完整的模拟前端 (AFE)，由一个放大器和一个比较器组成。此外，它还提供高精度温度测量功能、用于数据记录的 8 千字节 (Kb) 非易失性存储器和实时时钟。

热量表通过使用上游和下游两个方向的 ToF 测量来确定热水加热系统中的流体速度，从而测量出热能（图 5）。

图 5：基于 ToF 测量的热量表利用上下游压电传感器确定通过阀芯体的水流速度。（图片来源：Analog Devices）

热量表测量通过辐射器传递的热能。它使用电阻温度检测器 (RTD) 测量入口和出口温度。阀芯体可确保水流通过已知直径的开口。阀芯体包含 MAX35101EHJ+ 向上、下游方向发出脉冲的压电传感器。根据 ToF 测量值之差可以计算出水流速度。这一信息与已知的开口面积相结合，就可用于确定流量。结合温降，就可以计算出辐射器的热能耗散量。MAX35101EHJ+ 是自足式的，可执行所有必要的测量。

结语

TDC 是实现汽车、工业和研究应用中许多 ToF 测量的关键元件。来自 Texas Instruments 和 Analog Devices 的高集成度、高性能器件可以简化您应用的设计流程。同时提供评估板供您评估和测试，确保这些器件满足您应用的需要。

审核编辑 黄宇