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來(lái)源：Digikey 作者：Art Pini 時(shí)間數字轉換器 (TDC) 是精確測量起始脈沖與一個(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)化了各種應用中飛行時(shí)間 (ToF) 的測量。這些功能是測距應用的基本功能。 例如，在超聲波測距儀中，發(fā)射出的超聲波脈沖和從目標接收到的回聲之間的時(shí)間（圖 1）與發(fā)射器和目標之間的距離成正比。 
圖 1：超聲波測距儀會(huì )測量發(fā)射的脈沖群（左）與接收到的目標反射脈沖群（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，反射回來(lái)并被傳感器所感應。在上圖示例中，來(lái)回行程花費了 3.5 毫秒 (ms)，所以超聲脈沖從目標傳播回來(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。 使用測距的類(lèi)似應用還有雷達、光探測和測距 (LiDAR) 和聲吶，也使用發(fā)射脈沖與反射回聲之間的 ToF 來(lái)確定到目標的距離。隨著(zhù)測距設備層出不窮，它們在汽車(chē)行業(yè)的應用正變得更常見(jiàn)。在流速測量時(shí)也要求ToF 計算，這發(fā)生在上、下游方向的傳感器之間。 簡(jiǎn)化 TDC 功能 設計人員目標是為了簡(jiǎn)化 TDC 功能，盡可能節省時(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)測距應用，如采用 ToF 技術(shù)的高級駕駛輔助系統 (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有兩個(gè)測量模式：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、內部環(huán)形振蕩器以及各自的計數器來(lái)測量一個(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 內核，使用獨立的環(huán)形振蕩器、粗計數器、外部時(shí)鐘和時(shí)鐘計數器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 伏直流電源 (VDC) 供電。內部有一個(gè)低壓降穩壓器為 TDC 時(shí)基提供穩定的電源。施密特觸發(fā)比較器對輸入的起始和停止信號進(jìn)行調節和整形。每個(gè) TDC 中的環(huán)形振蕩器是每個(gè) TDC 內核的主要時(shí)間測量機構。粗計數器與環(huán)形振蕩器相關(guān)聯(lián)，而外部時(shí)鐘驅動(dòng)時(shí)鐘計數器。外部時(shí)鐘必須有頻率穩定的來(lái)源，因為 TDC 的定時(shí)精度直接取決于時(shí)鐘精度。外部時(shí)鐘是校準內部環(huán)形振蕩器時(shí)基的基準。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時(shí)精度。 研究 TDC 運行模式有助于我們了解其工作原理。模式 1 的計時(shí)范圍小于 2000 ns，使用環(huán)形振蕩器輸出和粗計數器（圖 3）。
圖 3：模式 1 只使用環(huán)形振蕩器來(lái)驅動(dòng)粗計數器，可在 ToF 小于 2000 ns 時(shí)實(shí)現 55 ps 的計時(shí)分辨率。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 環(huán)形振蕩器的周期確定了計時(shí)分辨率，標稱(chēng) 55 ps，具體取決于依據外部時(shí)鐘的內部校準結果。起始脈沖和最多六個(gè)停止脈沖之間的 ToF 存儲到特定寄存器位置。 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)鐘計數器和粗計數器，前者用于計算外部時(shí)鐘周期，后者計算起始脈沖與后續外部時(shí)鐘之間以及停止脈沖與后續外部時(shí)鐘之間的環(huán)形振蕩器周期。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 粗計數器用作游標，測量起始脈沖與下一個(gè)外部時(shí)鐘沿之間的時(shí)間。它還能測量停止脈沖與后續外部時(shí)鐘邊沿之間的時(shí)間。這種組合既能實(shí)現粗計數器的時(shí)間分辨率，又能擴大測量范圍。 TDC7201ZAXR 使用串行外設接口 (SPI) 控制，該接口使用片選線(xiàn)區分兩個(gè) TDC。測量時(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，請從 TDC7201-ZAX-EVM 評估板開(kāi)始。通過(guò)該電路板，您可以評估 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(hù)界面 (GUI)。 Analog Devices 的 MAX35101EHJ+ 是一款適合熱量表和流量計應用的 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量功能、用于數據記錄的 8 千字節 (Kb) 非易失性存儲器和實(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 測量來(lái)確定熱水加熱系統中的流體速度，從而測量出熱能（圖 5）。
圖 5：基于 ToF 測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） 熱量表測量通過(guò)輻射器傳遞的熱能。它使用電阻溫度檢測器 (RTD) 測量入口和出口溫度。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 ToF 測量值之差可以計算出水流速度。這一信息與已知的開(kāi)口面積相結合，就可用于確定流量。結合溫降，就可以計算出輻射器的熱能耗散量。MAX35101EHJ+ 是自足式的，可執行所有必要的測量。 結語(yǔ) TDC 是實(shí)現汽車(chē)、工業(yè)和研究應用中許多 ToF 測量的關(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)化您應用的設計流程。同時(shí)提供評估板供您評估和測試，確保這些器件滿(mǎn)足您應用的需要。 |
