作者： Art Pini 2024-08-13

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時間數字轉換器 (TDC) 是精確測量起始脈沖與一個或多個停止脈沖之間時間的電子器件。它們集成了電子秒表必備的所有必要功能，大大簡化了各種應用中飛行時間 (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，發射出的超聲波脈沖和從目標接收到的回聲之間的時間（圖 1）與發射器和目標之間的距離成正比。

圖 1：超聲波測距儀會測量發射的脈沖群（左）與接收到的目標反射脈沖群（右）之間的時間，以此來確定它們之間的距離。（圖片來源：Art Pini）

發射脈沖傳播到目標，反射回來并被傳感器所感應。在上圖示例中，來回行程花費了 3.5 毫秒 (ms)，所以超聲脈沖從目標傳播回來的時間是 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。

使用測距的類似應用還有雷達、光探測和測距 (LiDAR) 和聲吶，也使用發射脈沖與反射回聲之間的 ToF 來確定到目標的距離。隨著測距設備層出不窮，它們在汽車行業的應用正變得更常見。在流速測量時也要求ToF 計算，這發生在上、下游方向的傳感器之間。

簡化 TDC 功能

設計人員目標是為了簡化 TDC 功能，盡可能節省時間和空間。為此，市場推出了高度集成的 TDC。例如，[Texas Instruments]的 [TDC7201ZAXR]（圖 2）是一款雙 TDC 集成電路 (IC)，旨在用于汽車測距應用，如采用 ToF 技術的高級駕駛輔助系統 (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有兩個測量模式：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)。兩種模式的時間分辨率均為 55 皮秒 (ps)。這款 TDC 器件使用外部時間、內部環形振蕩器以及各自的計數器來測量一個通用起始脈沖到最多六個停止脈沖之間的 ToF。

圖 2：TDC7201ZAXR 功能框圖展示了兩個 TDC 內核，使用獨立的環形振蕩器、粗計數器、外部時鐘和時鐘計數器。（圖片來源：Texas Instruments）

TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 伏直流電源 (VDC) 供電。內部有一個低壓降穩壓器為 TDC 時基提供穩定的電源。施密特觸發比較器對輸入的起始和停止信號進行調節和整形。每個 TDC 中的環形振蕩器是每個 TDC 內核的主要時間測量機構。粗計數器與環形振蕩器相關聯，而外部時鐘驅動時鐘計數器。外部時鐘必須有頻率穩定的來源，因為 TDC 的定時精度直接取決于時鐘精度。外部時鐘是校準內部環形振蕩器時基的基準。建議時鐘頻率范圍為 8 至 16 兆赫 (MHz)，如此才能獲得最佳計時精度。

研究 TDC 運行模式有助于我們了解其工作原理。模式 1 的計時范圍小于 2000 ns，使用環形振蕩器輸出和粗計數器（圖 3）。

圖 3：模式 1 只使用環形振蕩器來驅動粗計數器，可在 ToF 小于 2000 ns 時實現 55 ps 的計時分辨率。（圖片來源：Texas Instruments）

環形振蕩器的周期確定了計時分辨率，標稱 55 ps，具體取決于依據外部時鐘的內部校準結果。起始脈沖和最多六個停止脈沖之間的 ToF 存儲到特定寄存器位置。

模式 2 將時間范圍增加到 8 ms，同時保持 55 ps 的時間分辨率（圖 4）。

圖 4：模式 2 利用了時鐘計數器和粗計數器，前者用于計算外部時鐘周期，后者計算起始脈沖與后續外部時鐘之間以及停止脈沖與后續外部時鐘之間的環形振蕩器周期。（圖片來源：Texas Instruments）

粗計數器用作游標，測量起始脈沖與下一個外部時鐘沿之間的時間。它還能測量停止脈沖與后續外部時鐘邊沿之間的時間。這種組合既能實現粗計數器的時間分辨率，又能擴大測量范圍。

TDC7201ZAXR 使用串行外設接口 (SPI) 控制，該接口使用片選線區分兩個 TDC。測量時間輸出和器件配置均通過 SPI 接口完成。

如果您想試用這款 TDC，請從 [TDC7201-ZAX-EVM] 評估板開始。通過該電路板，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 的時間分辨率和 8 ms 的最大量程。它還具有一個完整的模擬前端 (AFE)，由一個放大器和一個比較器組成。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時時鐘。

熱量表通過使用上游和下游兩個方向的 ToF 測量來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閥芯體的水流速度。（圖片來源：Analog Devices）

熱量表測量通過輻射器傳遞的熱能。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已知直徑的開口。閥芯體包含 MAX35101EHJ+ 向上、下游方向發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

TDC 是實現汽車、工業和研究應用中許多 ToF 測量的關鍵元件。來自 Texas Instruments 和 Analog Devices 的高集成度、高性能器件可以簡化您應用的設計流程。同時提供評估板供您評估和測試，確保這些器件滿足您應用的需要。

審核編輯 黃宇