德國acam公司時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)及應(yīng)用介紹

　　背景

　　時(shí)間是我們熟悉的最基本的物理尺度，越來越多的領(lǐng)域以高精度的時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)。這些領(lǐng)域包括工業(yè)、汽車、醫(yī)學(xué)和科研所要求的時(shí)間測(cè)量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有幾個(gè)皮秒，他們往往要求具有高精度、小體積、低成本和商業(yè)化等綜合因素的經(jīng)濟(jì)型解決方案。

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器如果要達(dá)到幾個(gè)皮秒的分辨率，則需要幾百GHz的頻率時(shí)鐘，這對(duì)于一個(gè)普通的系統(tǒng)來說，幾乎是不可能的!成立于德國的acam公司，則以另一種方式，開發(fā)出基于皮秒級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量的集成電路和系統(tǒng)解決方案----TDC(Timer Digital Converter)，即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這些芯片把時(shí)間間隔直接轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字值。它與位于前端傳感器和數(shù)字處理器之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換器非常相似。但是 TDC 僅指高精度的時(shí)間測(cè)量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的轉(zhuǎn)換器上的。

　　TDC原理

　　TDC是ACAM核心的超高精度的時(shí)間間隔測(cè)量產(chǎn)品，全數(shù)字化集成電路，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，對(duì)溫度和電壓的變化采用補(bǔ)償方式，以便能同時(shí)滿足高精度、高測(cè)量刷新率、低功耗和小體積等方面的要求。具體來講，TDC是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的，如下圖1顯示了這種測(cè)量絕對(duì)間隔時(shí)間TDC的主要框架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、冗余電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號(hào)通過門電路的個(gè)數(shù)，并且能保證每個(gè)門電路的延遲時(shí)間嚴(yán)格一致。芯片能獲得的最高測(cè)量精度由信號(hào)通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時(shí)間tpd決定。

　　測(cè)量單元由 START 信號(hào)觸發(fā)，接收到 STOP 信號(hào)停止。通過START和STOP之間通過的門電路的個(gè)數(shù)來獲得START和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。如上圖由START通過環(huán)形振蕩器到達(dá)的位置和coarse counter的計(jì)數(shù)值即計(jì)算出 START 信號(hào)和 STOP 信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá) 20 位。下圖2中tss即為測(cè)量的時(shí)間間隔。

　　與模擬測(cè)量方法如AD方式相比，TDC主要優(yōu)勢(shì)在于高測(cè)量刷新率，優(yōu)秀的測(cè)量分辨率和極低功耗，以及可用性、靈活性、可用電路的高集成性等等，是一種使很多用戶都能方便使用的芯片。