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高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1的工作原理及设计
时间:2020-07-28   编辑:admin

  TDC-GP1苛重运用于超声波流量仪、高能物理和核物理、各式手持/机载或固定工的高精度、飞舞时期谱仪、天文的时期间隔观测、频率和相位信号领悟等高精度测试界限。TDC-GP1还供应了与微管束器的众种

  TDC-GP1采用44引脚TQFP封装,具有TDC衡量单位、16位算术逻辑单位、RLC衡量单位及与8位管束器的接口单位4个苛重性能模块。内部布局如图1所示。

  当两个脉冲的上升测或低重测的时期差为几十到几百ns时,守旧的衡量脉冲宽度的脉冲计数法已不再合用。这是由于要测的脉冲越窄,所需求的时钟频率就愈高,对芯片的本能央求也越高。比方央求1ns的衡量差错时,时钟频率就需求抬高到1GHz,此时平常计数器芯片很难平常事情,同时也会带来电途板布线、原料挑选、加工等诸众题目。为战胜上述题目,TDC-GP1诈欺信号通过逻辑门电途的绝对传输时期提出了一种新的时期间隔衡量设施,衡量道理如图2所示。START信号和STOP信号之间的时期间隔由非门的个数来决计,而非门的传输时期能够由集成电途工艺切确地确定。同时,因为门电途的传输时期受温度和电源电压的影响斗劲大,因此该芯片内部安排了锁相和标定电途。

  如图1所示,TDC-GP1有两个算术逻辑单位(ALU)。前面的ALU将粗值寄存器中的衡量结果蜕化为一无符号整数,以便后面的ALU举办算术运算。后面的16位规律ALU苛重告竣以下三方面的事情:遵照把握寄存器中的指令举办时期间隔的策画;将策画出的结果举办标定;将标定后的结果举办乘法运转。ALU具有独立的时钟,告竣完全上述事情仅需4μs。

  TDC-GP1诈欺自己的时期间隔衡量性能正在芯片上集成了一个RLC衡量单位。开始一已知电容通过被测电阻放电,当电容器上的放电电压抵达斗劲器的门限电压外,TDC-GP1记实下这一段放电时期。然后将被测电阻变换为一已知阻值的电阻,反复上述经过获得其它一段放电时期。凭据这两段放电时期的比值与已知电阻的阻值就可策画出被测电阻的阻值。

  TDC-GP1供应了与8位单片机的接口,包含8位数据总线个寄存器操作的所在线以及读、写、片选等把握线。其它,为了简化接口安排,还供应了所在锁存线、性能描画

  TDC-GP1供应了两个量程及精度可调节等三个形式可供用户挑选,每个形式中的分袂率能够设立为高或低。下面扼要先容一下三个形式的测试经过和时序。

  TDC-GP1供应了两个衡量通道,每个通道精度250ps,两个通道精度等第统统相通;两个通道公用一个STSRT输入,可分歧与四个独立的STOP输入举办斗劲,最小时限为15ns;START和STOP信号务必陆续2.5ns以上,不然芯片无法辨识;STOP信号之间可举办彼此的斗劲,无最小时限;量程为3ns~7.6μs;两个通道可举办排序,如许可使1通道应许8个脉冲输入,这种形式下通道2的STOP输入被漠视。图3给出了量程1的衡量时序。

  为举办多量程时期衡量,芯片引入了一个16位的predivider。该形式下芯片只要通道1可用;平常精度形式下应许4个脉冲输入;STOP信号之间不行彼此斗劲,仅STOP与STSRT信号可举办斗劲;最多量程60ns~200ms。图4给出了量程2的衡量时序。

  道理如下:输入START信号,芯片内部迟缓衡量出这个信号与下一个校准时钟上升测的时差,记为tFC1。之后,计数器初阶事情,获得此predivider的事情周期数,记为period。这进,从新激活芯片内部衡量单位,衡量出输入的STOP信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差,记为tFC2。TFC3是STOP信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差,tCall是一个校准时钟周期,tCal2是两个校准时钟周期。凭据图4能够得出START信号与STOP信号第一个脉冲的时期间隔为

  TDC芯片另一个紧张特性是器件引入了精度调节形式。正在此形式下,两通道数值会极端切确。校准环途由外部时钟引入举动参考。咱们能够通过对芯片内部寄存器的设立事情于此形式,于是,结果的精度取决于标准中的设立。精度可调节形式不需求START信号,于是最众只可通过通道1和通道2共引入8个STOP输入。此时,随便两个STOP信号均能够举办斗劲,量程为3ns~3.8μs。事情于精度可调节形式,芯片耗电量斗劲大,大约为25mA。图5给出了精度可调节形式的测试时序。

  高速逻辑门电途的延迟时期平常只要几ns,用以前的脉冲计数法无法对之举办衡量。运用TDC-GP1后,这类事情就变得相对容易众了。图6是它的衡量方框图实时序图,图7是整体电途道理。运用量程1的寄存器设立为: Reg0:0x44;Reg1:0x4D;Reg2:0x01;Reg3:0xXX;Reg4:0xXX;Reg5:0xXX;Reg6:0x02;

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