0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

MS1005——激光测距用高精度时间测量(TDC)电路

王子文 来源:jf_30348363 作者:jf_30348363 2024-11-15 11:02 次阅读

产品简述

MS1005 是一款高精度时间测量(TDC)电路,对比

MS1002 具有更高的精度和更小的封装,适合于高精度

小封装的应用领域。

MS1005 具有双通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI

通讯、多种测量模式,适合于激光雷达和激光测距。

wKgaomc2sr2AGFgXAACM8w0bQgw977.png

主要特点

◼ 双通道单精度模式 60ps

◼ 单通道双精度模式 30ps

◼ 非校准测量范围 3.5ns(0ns)至 25μs

◼ 单精度校准测量范围 3.5ns(0ns)至 16μs

◼ 双精度校准测量范围 3.5ns 至 4μs

◼20ns 最小脉冲间隔,双通道最多可接收 20 个脉冲

◼ 4 线 SPI 通信接口

◼ 工作电压 2.5V 至 3.6V

◼ 工作温度-40°C 至+125°C

◼ QFN20 封装

应用

◼ 激光雷达

◼ 激光测距

◼ 脉冲测量

产品规格分类

wKgZomc2stiALi5RAAAh7dJZhY4863.png

系统框图

wKgaomc2suuAJOHFAACUUwuTgrA144.png

管脚图

wKgZomc2sv6AA8doAACVEWwfqwQ683.png

管脚说明

wKgaomc2sw2ASmGjAAF8niqd144431.png

内部框图

wKgaoWc2s3yAQVBZAADRmSFnnqc830.png

极限参数

芯片使用中,任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏,芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出,并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

wKgZoWc2s5KAFLmUAAB8ox8HNeA977.png

推荐工作条件

没有特别规定,环境温度为 TA= 25°C ±2°C 。

wKgaoWc2s6eAZghRAACB06jTUMQ164.png

电气参数

直流电特性

VCC= VDD= 3.0V, TJ= -40 到 +85°C。

wKgZoWc2s8SAHiMBAACn0RfmMSs408.png

wKgaoWc2s8-AHCxxAAEfWDZwheY392.png

如有需求请联系——三亚微科技 王子文(16620966594)

wKgaoWc2tTCAcOdtAABjtQZ4Zbw582.png

功能描述

1. SPI接口

MS1005 的 SPI 接口是与 4 线制 SPI 兼容的,它需要一个 SerialSelectNot(SSN)信号,从而不能够工

作在 3-线制 SPI 接口。

SSN 的下降沿或者第一个 SCK 的上升沿将会复位 INTN 管脚(中断管脚)状态。

从最高位(MSB)开始传输以最低位(LSB)结束。传输是以字节方式完成的。数据传输可以在每个字节

后停止,通过给 SSN 发送一个 LOW-HIGH-LOW 的电平。

wKgZoWc2tZSAO_DFAAHxv8rhrqw727.png

2. 关闭STOP通道的时序

wKgaoWc2te-AO-F_AACM-la8Qi0115.png

3. 系统复位时序

wKgZoWc2tf2AaEPRAACKKbDW4tE368.png

4. 电源电压

为了达到最佳测量效果,好的电源非常重要。电源应该具有高电容性和低电感性。MS1005 提供两

对电源供应端口:VCC - I/O 供电电压 ,VDD - 内核供电电压。

所有的 Ground 引脚都应该连接到印刷电路板的地层上。 VCC 和 VDD 应该通过一个电池或者固定

的线性电压调节器给出。不要应用开关式的调节器,避免由于 IO 电压引起的干扰。

时间数字转换器能够有好的测量效果,完全取决于好的电源供电。芯片测量主要是脉冲式的电

流,因此一个充足的双通滤波非常重要:VCC 47 µF(最小 22 µF),VDD 100 µF(最小 22 µF)。

电压应用通过一个模拟的调节器给出,我们推荐不要使用开关式的电压调节。

5. 操作码及寄存器

5.1 配置寄存器

MS1005 有 1 组 32 位的配置寄存器。

wKgZoWc2tjqAVuejAALH92p-Uxc186.png

wKgaoWc2tkaAGJ7xAAIxAE82bcM291.png

如有需求请联系——三亚微科技 王子文(16620966594)

wKgZoWc2tlqAQ2TeAAK6q2bZM00379.png

6. 时间测量

6.1. 概述

非校准模式测量范围从 3.5ns 到 25μs(0-25μs 在两个 stop 通道之间测量)。

校准模式单精度测量范围从 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在两个 stop 通道之间测量)。

校准模式双精度测量范围从 3.5ns 到 4μs(0-4μs 在两个 stop 通道之间测量)。

单精度模式典型精度为 60ps,2 个 stop 通道相对于 start 通道。

双精度模式典型精度为 30ps,仅 stop1 通道相对应 start 通道。

内置特殊防抖技术,使测量时间高度精准。

20ns 的脉冲之间最小间隔。

两个 stop 通道可同时采集,且每个 stop 通道最多 10 个脉冲。

每个 stop 通道可选择上升或下降沿捕获,或者选择上升和下降沿同时捕获。

自动测量 START 和 STOP 脉冲之间的时间间隔,无需再进行寄存器设置。

可任意设置溢出时间,从而减少高速测量时溢出时间等待。

在非校准模式下,可以任意测量比预期脉冲数少的脉冲。

典型应用: 激光测距、激光雷达、高精度延时测量。

6.2. 高精度时间测量原理

数字式 TDC 应用内部的逻辑门延时来高精度测量时间间隔,下图阐述了这种绝对时间 TDC 的测量

原理结构。该电路结构确保电路以特殊的测量方法,使信号通过逻辑门的时间可以非常精确。最高的

测量精度完全取决于内部通过逻辑门的传播时间。

wKgZomc2tuaAFkpqAABCNCTwIwc363.png

时间测量是通过一个 start 信号触发,通过内部防抖处理后,TDC 的门电路开始高速计数,直到 stop

信号产生记录计数结果,达到 STOP 预期脉冲数后停止计数。

3.3V 和 25°C 时,MS1005 的单精度最小分辨率是 60ps。温度和电压对门电路的传播延时时间有很

大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。在校准过程中,TDC 测量 0.5 个

和 1.5 个时钟周期,相减后得一个时钟周期的 TDC 计数结果,即为校准值。测量范围受计数器大小的

限制,以下是非校准模式下最大测量范围:tyy = 60ps x 442368 ≈ 25µs。

wKgaomc2tvmAbRmWAAD-giPD4zg561.png

每一个输入端均可以被单独设置成上升沿、下降沿或上下沿同时触发有效。可通过设置寄存器的

bit8-10 位(EG_START,NEG_STOP1,NEG_STOP2)和寄存器的 bit0-1 位(REFDGEx) 来选择触发沿。

时间测量结束后,MS1005 会自动将各个脉冲的测量结果顺序写到相应的结果寄存器,无需再进

行寄存器操作设置,在计算结果的过程中先计算 STOP1 通道的脉冲,然后计算 STOP2 通道的脉冲,所

以当使用单通道时,必须使用 STOP1。

6.3. 非校准时间测量

6.3.1 非校准时间测量概述

非校准时间测量,实际上就是应用数字式 TDC 内部的逻辑门延时来实现高精度时间测量,非校准

模式下最大测量范围是 3.5ns-25μs,单精度模式下,可以两个 STOP 通道同时测量,且每个通道最多可

以测量 10 个 STOP 脉冲,双精度模式下,仅 STOP1 通道可以使用。

非校准时间测量过程中,无需高速时钟参与,所以可以通过寄存器设置来关闭高速时钟

(START_CLKHS=0),在该模式下,测量速度最快,结果寄存器直接输出门延时个数,在非校准模式下结

果寄存器 20 位的有效位,测量时间计算如下,该测量时间受温度和电压影响。

测量时间=RES_X × 60ps (DOUBLE_RES=0)

测量时间=RES_X × 30ps (DOUBLE_RES=1)

非校准模式下也可以实现时间测量和 CAL 值同时测量,在该模式下需要开启高速时钟

(START_CLKHS=1)和开启自动校准(NO_CAL_AUTO=0),这样就会测量时间的同时会产生一个 Tref× N 周期

的门延时个数,然后将 CAL 值 RES_Tref 存在指定的结果寄存器中。测量时间如下计算,该测量时间和

温度和电压无关,仅和高速时钟抖动有关。

测量时间=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1,2,4,8

非校准模式测量溢出,当溢出时间功能关闭(EN_SEL_TIMO=0)的情况下,溢出时间相当于 TDC 溢

出,也就是要 25μs 后产生溢出,并且状态寄存器 Bit13=1(TDC 溢出);当溢出时间功能开启

(EN_SEL_TIMO=1)的情况下,溢出时间由溢出时间选择(SEL_TIMO)进行设置,溢出时间仅和高速时钟相

关,不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响,例如高速时钟为 8MHz,SEL_TIMO=0 的情况下,溢出时间为

125ns,溢出时状态寄存器 Bit14=1(时间溢出)。

非校准模式下,当测量脉冲个数小于预期脉冲个数时,可以正常输出测量脉冲的值,虽然这时状

态寄存器溢出,但测量到的脉冲产生的结果是正确的,这种应用可以解决在测距过程中多个不定目标

的问题。

6.3.2 寄存器设置

主要的设置为:

(1)选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B;

寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B,不能设置为 0;否则无法开启测量。

(2)选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式,测量精度为典型 30ps,但仅有一个 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式,测量精度为典型 60ps,这时两个 stop 通道都可用。

(3)校准选择

在非校准模式下,校准将关闭,寄存器 bit 13 CALIBRATE=0;

(4)产生 CAL 值

在非校准模式下,可以选择产生 CAL 值和不产生 CAL 值,寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时,产

生 CAL 值,NO_CAL_AUTO=1 时,不产生 CAL 值。

(5)溢出选择

在非校准模式下,寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出时间关闭,这时溢出时间为 TDC 溢出,当

EN_SEL_TIMO=1 时开启溢出时间,且溢出时间和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

(6)选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当

RFEDGE=0 时,NEG_X=0 则上升沿触发,NEG_X=1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2),选择 STOP 由上升沿或下降沿单独触发(RFEDGE=0),还是上升沿和下降

沿同时触发(RFEDGE=1),当 RFEDGE=1 时,Bit 9-10 选择无效。

(7)中断

中断引脚 INTN 可以有不同的中断源,在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择,非校准模式选择

bit 6 = 1 和 bit 5= 1;

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出

6.3.3 测量流程

wKgZomc2t9mAIV4VAAFpQK9pL2M999.png

如有需求请联系——三亚微科技 王子文(16620966594)

wKgZomc2uECAUhs-AAFYaHcebT0731.png

6.4 校准时间测量

注:校准测量单精度最大测量范围 16μs,双精度最大测量范围 4μs。

6.4.1 校准时间测量概述

校准时间测量,在高速振荡器开启情况下进行测量,测量的门延时数量和 Tref 门延时数量通过

ALU 进行计算并输出到结果寄存器。输出的结果为 24 位浮点数,高 8 位为整数位,低 16 位为小数

位。校准模式下最大测量范围是 3.5ns-16μs,单精度模式下,可以两个 STOP 通道同时测量,且每个通

道最多可以测量 10 个 STOP 脉冲,双精度模式下,仅 STOP1 通道可以使用。

校准时间测量过程中,需要开启高速时钟(START_CLKHS=1)和校准开启(CALIBRATE=1),当产生校准

值关闭(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)结果寄存器输出非校准值(可参考非校准部分介绍),当产生校准

值开启(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)时,结果寄存器输出校准后的值 RES_X,测量时间如下计算,被测

时差不能超过 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

测量时间= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8;

在校准时间测量中,必须开启溢出时间功能(EN_SEL_TIMO=1),溢出时间由溢出时间选择

(SEL_TIMO)进行选择溢出时间,这里的时间仅和高速时钟相关,不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响,例

如高速时钟为 8MHz,SEL_TIMO=0 的情况下,溢出时间为 250ns,这时状态寄存器 Bit14=1(时间溢

出)。

校准模式下,测量脉冲个数必须大于或者等于预期脉冲个数,当测量脉冲小于预期脉冲个数时,

ALU 不进行计算,这时状态寄存器 Bit14=1(时间溢出)。且 EN_ERR_VAL=1 的情况下,结果寄存器 0

输出全 F。

6.4.2 寄存器设置

主要的设置为:

(1)选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B;

寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B,不能设置为 0;否则无法开启测量。

(2)选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式,测量精度为典型 30ps,但仅有一个 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式,测量精度为典型 60ps,这时两个 stop 通道都可用。

(3)校准选择

在校准模式下,高速晶振和校准都必须开启,寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19 START_CLKHS=1

(4)产生 CAL 值

在校准模式下,必须选择产生 CAL 值,寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时,产生 CAL 值。

(5)溢出选择

在校准模式下,必须开启溢出,寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 开启溢出时间,且溢出时间和寄存

器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

(6)选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当

RFEDGE = 0 时,NEG_X = 0 则上升沿触发,NEG_X = 1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2),可以选择 STOP 下降沿单独触发(RFEDGE=0),还是上升沿和下降沿同时

触发(RFEDGE=1),当 RFEDGE=1 时,Bit 9-10 选择无效。

(7)中断

中断引脚 INT 可以有不同的中断源,在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择,由于 Reg bit 5=1 中

断输出最早,Reg bit 4=1 输出最晚,用户可以根据实际情况进行选择。

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出&TDC 溢出

(8)高速时钟分频

由于校准测量时间小于 2 ×Tref× DIV_CLKHS(Tref 只与外接高速晶振相关,如外接 4M,则 Tref =

250ns),所以需要测量时间增长的话,需要设置高速时钟分频,在寄存器的 Bits20-21(DIV_CLKHS)

中进行设置,但 2 ×Tref× DIV_CLKHS 不能超出测量范围最大值 16μs。

6.4.3 测量流程

wKgaomc2uR6AWrRwAAFP0Bm46Yg005.png

7. 高速振荡器

MS1005 在校准模式下需要高速时钟用于校准采样, 通常 MS1005 会需要一个高速时钟单元进行

校准,频率范围 1-8MHz,推荐高速时钟频率为 4MHz。

晶振在一直起振的状态下,平均工作电流为 220 µA。但是晶振仅在测量时间的时候需要开启,

MS1005 可以通过内部电路控制晶振的开启和关闭。设置是通过设置参数 START_CLKHS 来实现。

START_CLKHS = 0 晶振关闭

= 1 晶振持续开启

通过关闭晶振这种方式电流消耗可以大大被降低。

wKgZomc2uU6AfBd_AAAg2LRAapg485.png

8. 快速初始化

MS1005 提供了快速初始化的功能。设置寄存器的 bit16(EN_FAST_INIT)=1,中断标志会自动初始化

TDC。因此在读出数据时 TDC 就已经准备好进行下次测量了。这种模式只适用于高速应用中。这对于

只有一个 STOP 信号的非校准测量模式下尤其适合。在快速初始化模式下,状态寄存器的值永远是 0,

所以无需再读状态寄存器。

INTN 不同模式下产生时间

INIT 是整个测试流程的重要标志位,INTN 是和 EN_INT[2:0]来配合使用,不同的中断源输出中断时

间不一样,如下图 tva 的时间为 INTN 产生时间,具体如下:

wKgaomc2uWeAMeDBAAEUkvY998o244.png

如有需求请联系——三亚微科技 王子文(16620966594)

wKgZomc2uXOAb1_gAAIGXLfthec934.png

典型应用图

wKgaomc2uY2ABarFAACSiyTWQrY473.png

MS1002&MS1022&MS1005 主要性能对比

wKgaomc2uaKAIiw5AADolp6WAW8460.png

封装外形图

QFN20

wKgZomc2ubuAfGxpAAEH5JTYL-g649.png

——爱研究芯片的小王

审核编辑 黄宇

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 高精度
    +关注

    关注

    1

    文章

    525

    浏览量

    25456
  • 激光测距
    +关注

    关注

    9

    文章

    159

    浏览量

    27552
  • 时间测量
    +关注

    关注

    0

    文章

    11

    浏览量

    6353
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    行业知识 | CMOS激光位移传感器如何实现高精度测量?

    明治的CMOS激光位移传感器是一种高精度、高灵敏度的位移传感器,通过结合先进的光学测量原理、高频率激光脉冲发射、高灵敏度的光电转换器件、创新的算法和信号处理技术以及非接触式
    的头像 发表于 12-04 01:04 251次阅读
    行业知识 | CMOS<b class='flag-5'>激光</b>位移传感器如何实现<b class='flag-5'>高精度</b><b class='flag-5'>测量</b>?

    使用TDC测量pwm两个波形相位延时时间,如何去设计TDC7201的外围电路

    您好,当我使用TDC测量pwm两个波形相位延时时间,如何去设计TDC7201的外围电路
    发表于 12-03 08:07

    利用瓦级皮秒激光器实现高精度空间碎片观测

      中国科学院上海天文台与紫金山天文台联合改造德令哈青海观测站1.2米望远镜,利用瓦级的皮秒激光器实现了对空间碎片的高精度激光测距。空间碎片目标测量
    的头像 发表于 11-18 06:25 151次阅读
    利用瓦级皮秒<b class='flag-5'>激光</b>器实现<b class='flag-5'>高精度</b>空间碎片观测

    TDC芯片数据手册及官方参考例程

    TDC芯片是一种用于精密测时的专用芯片,这类芯片的测时精度通常可以达到ns级别,在激光测距、超声波探测等ToF领域广泛应用。 下面这个资料包含了市面上常用
    发表于 11-06 23:06

    MS1205N——激光测距高精度时间测量(TDC)电路

    MS1205N 是一款高精度时间测量(TDC)电路,具有四通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI
    的头像 发表于 10-21 17:58 331次阅读
    <b class='flag-5'>MS</b>1205N——<b class='flag-5'>激光</b><b class='flag-5'>测距</b><b class='flag-5'>用</b><b class='flag-5'>高精度</b><b class='flag-5'>时间</b><b class='flag-5'>测量</b>(<b class='flag-5'>TDC</b>)<b class='flag-5'>电路</b>

    MS1022——高精度时间测量(TDC)电路

    MS1022是一款高精度时间测量电路,内部集成了模拟比较器、模拟开关、施密特触发器等器件,带有方案,提供FAE,欢迎了解
    的头像 发表于 10-17 17:58 629次阅读
    <b class='flag-5'>MS</b>1022——<b class='flag-5'>高精度</b><b class='flag-5'>时间</b><b class='flag-5'>测量</b>(<b class='flag-5'>TDC</b>)<b class='flag-5'>电路</b>

    物联网系统中的高精度测距方案_单点TOF激光雷达

    激光雷达的优势 高精度测距: TOF激光雷达通过测量光脉冲往返目标的时间来计算距离,这种方法能够
    的头像 发表于 09-24 11:37 606次阅读
    物联网系统中的<b class='flag-5'>高精度</b><b class='flag-5'>测距</b>方案_单点TOF<b class='flag-5'>激光</b>雷达

    激光测距传感器怎么接线

    目标物体反射后,被接收器接收。通过测量激光发射和接收的时间差,可以计算出传感器与目标物体之间的距离。激光测距传感器的
    的头像 发表于 08-29 16:13 792次阅读

    激光测距传感器的安装方式有哪些

    激光测距传感器是一种高精度测量工具,广泛应用于工业自动化、机器人导航、无人驾驶、航空航天等领域。 一、安装前的准备工作 了解激光
    的头像 发表于 08-29 16:03 402次阅读

    激光测距传感器的工作原理是什么?

    激光测距传感器是一种利用激光技术进行距离测量高精度仪器。它具有测量速度快、
    的头像 发表于 08-29 15:58 588次阅读

    TDC7201适用于激光雷达、测距仪和ADAS中飞行时间应用的时间-数字转换器数据表

    电子发烧友网站提供《TDC7201适用于激光雷达、测距仪和ADAS中飞行时间应用的时间-数字转换器数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 08-14 11:28 0次下载
    <b class='flag-5'>TDC</b>7201适用于<b class='flag-5'>激光</b>雷达、<b class='flag-5'>测距</b>仪和ADAS中飞行<b class='flag-5'>时间</b>应用的<b class='flag-5'>时间</b>-数字转换器数据表

    知语科技激光测距:非接触式测量的新革命

    知语科技的激光测距技术,相较于传统的接触式测距激光测距无需与被测物体表面接触,从而避免了因接触而产生的形变和磨损。这种非接触式的
    的头像 发表于 06-11 16:41 344次阅读

    GLUKE产品系列—GLMS高精度激光测距仪介绍

    GLMS 高精度激光测距仪专门用于工作业恶劣现场工件的距离测量
    的头像 发表于 03-05 11:13 729次阅读

    如何实现更高精度的同步测量?如何做好同步数据采集的时间校准?

    如何实现更高精度的同步测量?如何做好同步数据采集的时间校准? 实现更高精度的同步测量是科研和工程领域中的一个重要问题。同步
    的头像 发表于 01-16 15:10 1530次阅读

    激光测距模块的工作原理 激光测距模块怎么 激光测距方法有哪几种

    激光测距模块的工作原理 激光测距模块怎么 激光测距
    的头像 发表于 01-03 15:59 1866次阅读