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來(lái)源：Digikey 作者：Art Pini 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 是精確測(cè)量起始脈沖與一個(gè)或多個(gè)停止脈沖之間時(shí)間的電子器件。它們集成了電子秒表必備的所有必要功能，大大簡(jiǎn)化了各種應(yīng)用中飛行時(shí)間 (ToF) 的測(cè)量。這些功能是測(cè)距應(yīng)用的基本功能。 例如，在超聲波測(cè)距儀中，發(fā)射出的超聲波脈沖和從目標(biāo)接收到的回聲之間的時(shí)間（圖 1）與發(fā)射器和目標(biāo)之間的距離成正比。 
圖 1：超聲波測(cè)距儀會(huì)測(cè)量發(fā)射的脈沖群（左）與接收到的目標(biāo)反射脈沖群（右）之間的時(shí)間，以此來(lái)確定它們之間的距離。（圖片來(lái)源：Art Pini） 發(fā)射脈沖傳播到目標(biāo)，反射回來(lái)并被傳感器所感應(yīng)。在上圖示例中，來(lái)回行程花費(fèi)了 3.5 毫秒 (ms)，所以超聲脈沖從目標(biāo)傳播回來(lái)的時(shí)間是 1.75 ms。在 22°C，聲波速度為 344 米每秒 (m/s)，所以距離是 0.00175 x 344 = 0.6 m。 使用測(cè)距的類(lèi)似應(yīng)用還有雷達(dá)、光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 和聲吶，也使用發(fā)射脈沖與反射回聲之間的 ToF 來(lái)確定到目標(biāo)的距離。隨著測(cè)距設(shè)備層出不窮，它們?cè)谄?chē)行業(yè)的應(yīng)用正變得更常見(jiàn)。在流速測(cè)量時(shí)也要求ToF 計(jì)算，這發(fā)生在上、下游方向的傳感器之間。 簡(jiǎn)化 TDC 功能 設(shè)計(jì)人員目標(biāo)是為了簡(jiǎn)化 TDC 功能，盡可能節(jié)省時(shí)間和空間。為此，市場(chǎng)推出了高度集成的 TDC。例如，Texas Instruments 的 TDC7201ZAXR（圖 2）是一款雙 TDC 集成電路 (IC)，旨在用于汽車(chē)測(cè)距應(yīng)用，如采用 ToF 技術(shù)的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有兩個(gè)測(cè)量模式：模式 1 覆蓋 12 至 2000 納秒 (ns)，模式 2 范圍則為 250 ns 到 8 毫秒 (ms)。兩種模式的時(shí)間分辨率均為 55 皮秒 (ps)。這款 TDC 器件使用外部時(shí)間、內(nèi)部環(huán)形振蕩器以及各自的計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量一個(gè)通用起始脈沖到最多六個(gè)停止脈沖之間的 ToF。
圖 2：TDC7201ZAXR 功能框圖展示了兩個(gè) TDC 內(nèi)核，使用獨(dú)立的環(huán)形振蕩器、粗計(jì)數(shù)器、外部時(shí)鐘和時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 伏直流電源 (VDC) 供電。內(nèi)部有一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器為 TDC 時(shí)基提供穩(wěn)定的電源。施密特觸發(fā)比較器對(duì)輸入的起始和停止信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和整形。每個(gè) TDC 中的環(huán)形振蕩器是每個(gè) TDC 內(nèi)核的主要時(shí)間測(cè)量機(jī)構(gòu)。粗計(jì)數(shù)器與環(huán)形振蕩器相關(guān)聯(lián)，而外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。外部時(shí)鐘必須有頻率穩(wěn)定的來(lái)源，因?yàn)?TDC 的定時(shí)精度直接取決于時(shí)鐘精度。外部時(shí)鐘是校準(zhǔn)內(nèi)部環(huán)形振蕩器時(shí)基的基準(zhǔn)。建議時(shí)鐘頻率范圍為 8 至 16 兆赫 (MHz)，如此才能獲得最佳計(jì)時(shí)精度。 研究 TDC 運(yùn)行模式有助于我們了解其工作原理。模式 1 的計(jì)時(shí)范圍小于 2000 ns，使用環(huán)形振蕩器輸出和粗計(jì)數(shù)器（圖 3）。
圖 3：模式 1 只使用環(huán)形振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)粗計(jì)數(shù)器，可在 ToF 小于 2000 ns 時(shí)實(shí)現(xiàn) 55 ps 的計(jì)時(shí)分辨率。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 環(huán)形振蕩器的周期確定了計(jì)時(shí)分辨率，標(biāo)稱(chēng) 55 ps，具體取決于依據(jù)外部時(shí)鐘的內(nèi)部校準(zhǔn)結(jié)果。起始脈沖和最多六個(gè)停止脈沖之間的 ToF 存儲(chǔ)到特定寄存器位置。 模式 2 將時(shí)間范圍增加到 8 ms，同時(shí)保持 55 ps 的時(shí)間分辨率（圖 4）。
圖 4：模式 2 利用了時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和粗計(jì)數(shù)器，前者用于計(jì)算外部時(shí)鐘周期，后者計(jì)算起始脈沖與后續(xù)外部時(shí)鐘之間以及停止脈沖與后續(xù)外部時(shí)鐘之間的環(huán)形振蕩器周期。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 粗計(jì)數(shù)器用作游標(biāo)，測(cè)量起始脈沖與下一個(gè)外部時(shí)鐘沿之間的時(shí)間。它還能測(cè)量停止脈沖與后續(xù)外部時(shí)鐘邊沿之間的時(shí)間。這種組合既能實(shí)現(xiàn)粗計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率，又能擴(kuò)大測(cè)量范圍。 TDC7201ZAXR 使用串行外設(shè)接口 (SPI) 控制，該接口使用片選線區(qū)分兩個(gè) TDC。測(cè)量時(shí)間輸出和器件配置均通過(guò) SPI 接口完成。 如果您想試用這款 TDC，請(qǐng)從 TDC7201-ZAX-EVM 評(píng)估板開(kāi)始。通過(guò)該電路板，您可以評(píng)估 TDC7201 的操作方式和性能，另外該板還提供了易于使用的圖形用戶界面 (GUI)。 Analog Devices 的 MAX35101EHJ+ 是一款適合熱量表和流量計(jì)應(yīng)用的 TDC。它具有 20 ps 的時(shí)間分辨率和 8 ms 的最大量程。它還具有一個(gè)完整的模擬前端 (AFE)，由一個(gè)放大器和一個(gè)比較器組成。此外，它還提供高精度溫度測(cè)量功能、用于數(shù)據(jù)記錄的 8 千字節(jié) (Kb) 非易失性存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 熱量表通過(guò)使用上游和下游兩個(gè)方向的 ToF 測(cè)量來(lái)確定熱水加熱系統(tǒng)中的流體速度，從而測(cè)量出熱能（圖 5）。
圖 5：基于 ToF 測(cè)量的熱量表利用上下游壓電傳感器確定通過(guò)閥芯體的水流速度。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 熱量表測(cè)量通過(guò)輻射器傳遞的熱能。它使用電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 測(cè)量入口和出口溫度。閥芯體可確保水流通過(guò)已知直徑的開(kāi)口。閥芯體包含 MAX35101EHJ+ 向上、下游方向發(fā)出脈沖的壓電傳感器。根據(jù) ToF 測(cè)量值之差可以計(jì)算出水流速度。這一信息與已知的開(kāi)口面積相結(jié)合，就可用于確定流量。結(jié)合溫降，就可以計(jì)算出輻射器的熱能耗散量。MAX35101EHJ+ 是自足式的，可執(zhí)行所有必要的測(cè)量。 結(jié)語(yǔ) TDC 是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)、工業(yè)和研究應(yīng)用中許多 ToF 測(cè)量的關(guān)鍵元件。來(lái)自 Texas Instruments 和 Analog Devices 的高集成度、高性能器件可以簡(jiǎn)化您應(yīng)用的設(shè)計(jì)流程。同時(shí)提供評(píng)估板供您評(píng)估和測(cè)試，確保這些器件滿足您應(yīng)用的需要。 |
