基于TDC_GP_2的高精度时差测量系统设计

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TDC-GP2在时差法很有用

TDC-GP2在时差法(TOF)脉冲式激光测距中的应用摘要：在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量（time of flight measurement）成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。

德国acam 公司设计的时间数字转换芯片TDC-GP2为激光测距的时间测量提供了完美的解决方法。

本文着重介绍了应用TDC-GP2 在设计激光测距电路当中的优势，以及在应用中给出一些建议和提出了需要注意的一些问题。

1. 概述在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。

在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。

因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。

由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。

例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。

德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。

2. TDC-GP2 激光测距原理TDC-GP2 的激光测距基本原理如图1 所示：图1：TDC-GP2 激光测距原理激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。

一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。

那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。

在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。

高精度时间数字转换器在超声波流量计量中的应用

高精度时间数字转换器在超声波流量计量中的应用目前市场上先进的超声波流量计都采用高精度时间转换器即TDC-GP2 芯片，该芯片内部通过特殊的设计和布线方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变化的，因此TDC-GP2 设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准，同时这个参考时钟也会在被测时间较长时介入时间丈量。

TDC-GP2的高精度时间丈量原理其中Toffset 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。

每个门电路的传输延时典型值是65ps，TDC 核心丈量单元通过计数在STOP 脉冲到来之前START 信号通过的门电路个数来获得START 与STOP 信号之间的时间距离。

时差法超声波流量丈量的枢纽是对超声波传播时间的丈量，德国ACAM 公司的时间数字转换芯片TDC-GP2 提供典型值65ps 的时间分辨率，丈量范围从0 到4ms。

前言。

相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，明显降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。

因为顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的Toffset 是一样的。

超声波流量计的丈量原理相对于使用传统丈量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的长处：它不会改变流体的活动状态，分歧错误流体产生附加阻力；它可适应多种管径的流体丈量，不会因管径的不同增加仪表本钱；它的换能器可设计成夹装式，可作移动性丈量。

TDC-GP2作为高精度的时间丈量芯片，不但集成了时间丈量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度丈量功能。

如图3 所示，TDC 核心丈量单元只丈量TFC1 和TFC2，而TCC 则通过数参考时钟的周期数来完成丈量，待测时间TSS 便可通过如下计算获得：如图2 所示，TDC 核心丈量单元对START 和STOP 脉冲之间的时间距离进行丈量。

顺、逆流传播的时间差为：如图1 所示，超声波在静止流体中的传播速度用C 表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：以使用较多的时差法超声波流量计为例，通过分别丈量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。

基于TDC_GP2的脉冲激光测速系统设计

激光测速是从六十年代中期发展起来的，利用激光的单色性、能量高度集中的特点，用测频的方法直接测物体的速度。

比起老式的雷达测速仪，最新的激光测速仪的性能有了明显的提高。

激光测速的主要方法有脉冲法和相位法。

由于相位法对光路要求非常严格，且外围电路设计复杂，成本太高，不利于工业领域大范围应用，因此，目前激光测速多采用脉冲法。

1脉冲激光测速原理脉冲激光测速系统是通过测量激光器发出的光脉冲与光脉冲返回光接收机的时间间隔来计算目标距离，从而根据距离推算出目标速度。

激光测距公式为：R＝C×△t ／2n軈＝Cm ／2n 軈f （1）式中，R 为目标距离，C 为真空中的光速（2．998×108m ／s ），n軈为光束路径上大气折射率的平均值，m 为时标振荡器在光往返过程的脉冲个数，f 为计数时钟频率。

激光测速系统是在激光测距的基础上，用直接探测法来进行测速的，即分别在t 1、t 2时刻测量目标距离R 1、R 2，再计算径向平均速度。

激光测速公式为：V＝（R 1－R 2）／（t 1－t 2）（2）由于脉冲时间极短，可将径向平均速度看成瞬时速度。

影响脉冲激光测速的关键在于测距精度，由式(1)可见，影响测距精度的关键，在于发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔的测量精度。

由于激光的速度非常快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常短。

例如要测量1km 的距离，分辨率要求为1cm ，则时间间隔测量的分辨率要求高达67ps ，因此时间测量对于脉冲激光测速系统来说是非常重要的一个环节。

本激光测速系统采用ACAM 公司的TDC－GP2芯片测量发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔,采用STC89C52单片机进行控制。

2TDC－GP2芯片简介TDC－GP2是德国ACAM 公司继TDC－GP1之后新推出的一款高精度时间间隔测量芯片。

与TDC－GP1相比，TDC－GP2具有更高的精度和更小的封装，价格仅为TDC－GP1的40％，更适合应用于低成本的工业领域。

基于高精度时间间隔测量芯片TDC—GP2的脉冲激光引信定距系统

ｔｃａｙｒｑｒｍｅｎ．ｈｅａｃｕｒｃｅｕｉｅｔ
Ｋｅｒｓｄｓａｃｙｔｍｆｕｓａｅｕｅａｐｉａｉｎｏｙｗｏｄ：ｉｔｎｅｓｓｅｏｌｅｌｓｒｆｚ；ｐｌｃｔｏｆＴＤＣ— ２ｈｇｒｃｓｏａｕｅｅｔｐＧＰ；ｉｈｐｅｉｉｎｍｅｓｒｍｎ
Ｏ引言
因为具有峰值功率高、探测距离远、测距精度
高、对光源相干性要求低等优点，脉 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 激光测距在激光引信中得到了广泛应用。脉冲激光引信的测在距系统中，要对激光在大气中的传播时间进行测需量，从而计算出激光运行的往返路程 …。由于光在大气中的传播速度约为３１ｍ／，当测量范围为 ×０ｓ几米，测距精度要求达到厘米量级时，激光脉冲往
ＤｉｔｎｅＳｔｍｆＰｕｌｅＬａｅｓａｃｙｓｅｏｓｓｒＦｕｓｅＢａｅｎＨｉｈＰｒｃｓｏｎｅｖｌｅｓｒｍｅｔＣｈｉｓｄｏｇｅｉｉｎＩｔｒａａｕｅｎＭｐＴＤＣ— ＧＰ２
Ｓｏｎａ．ｎｉｈａ。ｇＮＤｅｇＪａｏ ’ ．ＣｕｉＪｎｇｉ
（．ｙＬｂｒｔｒＥｅｔｏｃａｉａＤｎｍｉＣｎｒｌＢｉｎｎｔｕｅｏｅｈｏｏｙＢｅｉｇ１０８，ｈｎ；１Ｋｅａｏａｏｙｌｃｒｍｅｈｎｃｌｙａｃｏｔｏ，ｅｉｇＩｓｉｔｊｔｆＴｃｎｌｇ，ｉｎ００１Ｃｉａｊ２ＳｈｏｌｔｍｅｈｎｃｌｎｉｅｒｇＢｅｉｓｉｔＤｅｈｏｏｙＢｉｎ００１Ｃｉａ．ｃｏｌｆｅｅｒｏｃｏｃａｉａｇｎｅｉ，ｉｎＩｔｕｅ厂Ｔｃｎｌｇ，ｅｉｇ１０８，ｈｎ）Ｅｎｊｇｎｔｊ

基于TDC-GP2的高精度时间间隔测量系统设计

基于TDC-GP2的高精度时间间隔测量系统设计张彬彬;崔永俊;杨兵【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)005【摘要】In order to realize the time synchronization in satellite positioning system,a high precision and high reso⁃lution time interval measurement system is designed. Using two time digital converter chip TDC-GP2,the pulse counting method and digital interpolation method are combined,The result shows that the measurement accuracy of the system is 1 ns,the resolution is 100 ps,the measuring range is up to 1 ns~1 s. With the advantages of small size, high accuracy,and flexibility it can be widely used in different time synchronization system.%为了实现卫星定位系统中的时间同步，设计了一种高精度、高分辨率的时间间隔测量系统。

采用两片时间-数字转换芯片TDC-GP2，将脉冲计数法和数字内插法相结合，使测量精确度能够达到1 ns，分辨率可以达到100 ps，量程范围可达1 ns~1 s；具有体积小、精度高、使用灵活等优点，能够广泛的应用到不同的时间同步系统中。

【总页数】5页(P1108-1112)【作者】张彬彬;崔永俊;杨兵【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN787【相关文献】1.基于SOPC高精度时间间隔测量系统设计与实现 [J], 任全会;曹冰2.基于TDC-GP2的高精度时差测量系统设计 [J], 杨佩;徐军;王菲3.基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2的脉冲激光引信定距系统 [J], 宋娜;邓甲昊;崔静4.基于TDC-GP2的时间间隔测量系统设计 [J], 杨兵;崔永俊;贾磊;王晋伟5.基于TDC-GP2的高精度时间间隔测量仪 [J], 李志勇;李长安;李良洪;安居;孙昱因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于TDC-GP2的时差式超声流量计的设计

基于TDC-GP2的时差式超声流量计的设计李中;廖斌【摘要】为实现流体流量测量高精度和低功耗的设计目的,采用TDC-GP2高精度低功耗测时模块,设计了一种基于ATmega32的时差式超声流量计.通过实验测量管径为20mm的管道中的家用自来水流量,得到系统测量精度为±1％,LCD上动态显示瞬时和累计流量以及电池电量等参数,同时可以通过RS232与外部通信,便于大规模应用时由上位机对信息统一管理.%In order to realize the high precision and low power consumption of fluid flow measurement, a kind of transit-time ultrasonic flowmeter based on ATmega32 was designed by adopting the low power and high accuracy TDC-GP2 module. The household water in the pipeline of 20mm diameter was measured in the experiment, and the precision of the system was ±1%. The flow rate, total flux and the batteries' power can be shown on the LCD device. The flowmeter can be managed by the upper-monitor in large application via the communication between RS232 and external device.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)001【总页数】3页(P202-204)【关键词】TDC-GP2;低功耗;单片机;时差法【作者】李中;廖斌【作者单位】西南科技大学,四川绵阳 621000;西南科技大学,四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】TN911.7-340 引言流量计量是计量科学技术的重要组成部分[1]，流量测量技术广泛应用于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域。

基于TDC-GP2的时间间隔测量模块

0 引言
时间间隔在很多领域有着广泛的应用。高精度的时间间隔测量技术，尤其是皮秒量级的测量技术尤为重要，在原子物理、天文实验、激光测距、定位定时、航天遥测遥控、自动检测设备以及数字通信中的角度调制信号解调和数字示波器等领域有着广泛的应用。本文目的是提高磁致伸缩位移传感器的精度，对于通过测量时间来计算位移原理的位移传感器，时间间隔测量的准确性决定了磁致伸缩位移传感器的精度。本文介绍了 ACAM 公司产生的第二代 TDC－GP2 芯片，详细叙述了基于 TDC－GP2 芯片的时间间隔测量方法及硬件结构设计，为解决短时间间隔高精度测量提供了一种实际可行的方法。
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Sheji yu Fenxi◆设计与分析
即 1.81 μs。校准测量采用图 4 所示的数学计算模型来计算。
由于门电路延时受温度和电压的影响，因此 4 MHz 晶振是
计数测量值 Cal2
REGX
Cal1
为了校准而设置的一个基准。当使用陶瓷晶振时，由于其频率的误差非常大，所以需要在测量时用 32.768 kHz 的晶振对高速晶振进行校准。若选用温度稳定性非常高的石英晶振，在测量时就不用对高速晶振进行校准，因为这种晶振能够完全满足系统测量的要求。该系统使用 C8051F340 单片机作为系统控制器。其
用户 B 时间信号
图 2 时间测量示意图非校准结果计算这种方式可直接读取转换寄存器的值，将对应的数据值乘以 65 ps，则得到非校准的时间测量值。校准测量计算这种方式的目的在于消除芯片由于电压和温度等环境因素变化带来的测量误差。TDC－GP2 通过测量门电路的传输延迟计算时间间隔，在电路芯片内部，传输延迟受当前温度和工作电压的影响，测量芯片会将周围环境相关的因素引入测量结果。温度、电压等变化的随机性，带来测量结果的随机性，并且不具有重复性和结果重现性，不能准确得到实际的时间间隔值。为保证不同环境条件下对同一个值的多次测量得到同样的测量结果，必须对测量结果进行某种校准计算， TDC－GP2 的校准计算采用在对外部脉冲测量的同时测量一个已知的时间间隔，测量完成后根据高稳定时间值的测量结果，对外部测量结果与已知时间间隔的测量值进行比对，消除因为温度和电压变化而带来的误差。TDC－GP2 的校准测量要求芯片由一个外部相对稳定的时钟信号，校准测量时 TDC－GP2 测量参考时钟的一个和两个参考时钟信号来获得校准基准值。测量过程如图 3 所示，Cal1 和 Cal2 分别表示用来进行校准的一个和两个时钟周期的测量结果。

基于TDC技术的高精度时差测量系统设计

第３卷３
第２期
制导与引信
ＧＵＩＤＡＮＣ＆ＦＵＺＥＥ
Ｖｏ．３Ｎｏ２１３．ＪＤ２１Ｕ．０２
２１０２年６月
文章编号：６１０７（０２０ —０００１７ —５６２１）２０２— ５
基于ＴＣ技术的高精度时差测量系统设计Ｄ
１ＴＤＣＧＰ功能描述 — Ｘ
为了获取高精度的时间间隔值，一种方法是
产生足够高的频率计数，射脉冲启动计数、发回
第２期
王艳平，：于ＴＤ等基Ｃ技术的高精度时差测量系统设计
２１
波脉冲终止计数，后读出计数值。如果测量分最
式有Ｉｄ模式、Ｍｏｅ模式、 — ｄ — ＭｏｅＧ— ｄＲＭｏｅ模式、Ｍ— ｄ模式四种。Ｍｏｅ根据测量精度和量程的要求，用了Ｒ选 —
辨率要达到０５ｎ，计数器的频率要达到２．ｓ则ＧＨｚ不易于实现；二种方法对方法一进行了，第
模式，一种是２ｉ模式。本次设计选用１另８ｂｔ６
ｂｔ式。１ｉ模式可以节约管脚，ｉ模６ｂｔ但对寄存器要进行两次读写操作。ＴＤ — ＰＣＧＸ芯片的工作模
王艳平，宋丽娜，陶坤宇
（海无线电设备研究所，上上海２０９）０００
摘要：传统的基于脉冲计数的方法难以实现高精度时差测量，电路的规模较大、噪且抗

基于FPGA和TDC-GP2的钟差测量系统设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅｔｅｓｔｒａｎｇｅ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｎｄａｒｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｄｅｃｉｄｅｓｄｉｒｅｃｔｌｙｔｈｅｄａｔａｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｃｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ。ｂｕｔｉｔｉＳｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｎｔｈｅｃｌｏｃｋｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｆｒｅ — ｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｌｏｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｉｔｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｈｉｇｈ — ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｕｎｔｅｒ，ｂｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｃａｎｏｎｌｙ
己口ｌ５年１月第３４卷第１期
应用天地
基于ＦＰＧＡ和ＴＤＣ — ＧＰ２的钟差测量系统设计
冯胜民陈娟花曹占山牛艳君
（６３７２６部队银川７５０００４）
摘
要：在航天试验靶场，频标设备的频率准确度直接决定了测控设备测量数据的质量，而频率准确度的测量依赖标准频率

基于GP2的多通道时间测量组件

基于GP2的多通道时间测量组件1张岳华，李峰，江晓，虞孝麒，金革中国科学技术大学近代物理系安徽省物理电子学重点实验室，安徽合肥（230026）E-mail ：goldjin@摘要：在“神光III”原型中，中子飞行时间探测器阵列的时间分辨期望小于1ns ，其电子学系统的时间分辨期望小于100ps 。

为了达到这一要求，我们采用ACAM 公司的GP2 TDC 作为时间测量组件的核心芯片，研制了基于VME 多路TDC 时间测量组件，其时间分辨小于61ps 。

关键词：中子飞行时间，TDC ，VME 总线中图分类号：TL81. 引言在ICF 聚变中，DD 反应产生的中子能量为 2.45Mev ；DT 反应产生的中子能量为14.1Mev 。

燃料离子热运动会造成单能中子的能量离散，测量到离散大小就可以得到离子温度[1][2]。

ICF 靶核在空间上可以近似看成点源，在时间上中子可以看作同时产生，中子飞越到探测器过程中基本上不发生碰撞，因而可以用中子飞行时间（nTOF ）技术来测量中子能谱。

中子飞行到探测器的时间与中子的能量有关，中子到达探测器的时间离散∆t 与燃料离子温度有关，其关系可由（3）（4）给出。

其中，d 为靶核到探测器的距离，T i 为离子温度。

“神光III”原型上进行的内爆实验，次级DT 中子产额约为105 ～ 106。

通过测量次级中子能谱，可以给出高密度压缩状态下的〉〈R ρ。

为了使测量系统误差减到最小，每次实验需要尽可能多的记录中子事件。

因此，nTOF探测器的面积应尽可能的大，同时又需要避免探测器的多次击中。

为了满足这个要求，“神光III”原型的nTOF 探测器设计成由960个独立的闪烁体－光电倍增管组成探测器阵列。

每个探测器只测量第一个到达探测器的中子，其输出信号经过TDC 和ADC 数字化后送入计算机。

典型的情况下，平均每个探测器有0.1~0.5个击中，即有100-500个探测器各自测到1个击中，将这100-500个粒子数组成一条中子飞行时间谱，从而得到中子能谱，由此推出T i 和〉〈R ρ。

基于TDC_GP2的高精度时间差测量的关键技术研究

基于TDC_GP2的高精度时间差测量的关键技术研究赵德平;韩建平【摘要】时差法超声波流量计、激光测距、磁致伸缩传感器等领域要求测量开始脉冲与停止脉冲之间的时间间隔精度必须达到纳秒级以内,为此,本文基于最小分辨率达65ps的专用测时芯片TDC_GP2,采用高性能FPGA Core3S500E作为主控器,设计了一种高精度超短时间间隔的测时系统.本文详细分析了测时系统的硬件电路原理及软件设计的关键技术,为评估测时芯片不同时间间隔测量的精度,对TDC_GP2的测量范围1及范围2进行了一系列时间间隔测量实验及数据误差分析.实验结果表明,测时芯片TDC_GP2对于纳秒级时间间隔的测量,测量精度均为皮秒级,500 μs以下的时间间隔测量数据极为稳定,标准差均在180 ps以下.【期刊名称】《材料与冶金学报》【年(卷),期】2014(013)004【总页数】6页(P306-311)【关键词】TDC_GP2;高精度时间间隔测量;FPGA【作者】赵德平;韩建平【作者单位】沈阳建筑大学理学院,沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TM930.114时差法超声波流量计[1, 2]、磁致伸缩传感器[3]、高精度脉冲激光测距[4, 5]、卫星及导航定位[6～8]等领域要求测量的时间间隔必须精确到纳秒(ns)级，准确获取时间间隔直接决定这些系统的测量精度.目前，时间间隔的测量主要有三种方法：模拟法、数字法和数字插入法[9, 10].模拟法是通过在待测脉冲时间间隔内对积分电容以大电流I充电，然后以小电流I/k放电，测出其放电时间k*tm，即可计算出微小时间间隔tm.此方法的优点是精度极高，可达皮秒(ps)级，但电容充放电时间关系存在非线性现象，约为测量范围的万分之一，而且充放电性能受温度影响较大，可达10～30 ps/℃，限制了其测量范围及测量环境.数字法是通过计数器记录被测时间间隔脉冲所经历的的基准时钟周期数进而计算出两信号间的时间差, 其优点是线性好，精度与测量范围无关.但其测量误差为正负一个脉冲，要使精度达到ns级，其时钟频率就要达到GHz，市场上很少有如此高的振荡器，且其稳定性也不能得以保证.数字插入法[11]是通过采用数字法结合不同的插入方法来实现精确的时间测量的，此法将待测的时间间隔分成两部分：基准时钟周期的整数部分与小数部分.整数部分通过粗值计数器(即数字法)测出，小数部分通过插值单元读出，可实现ps级分辨率的测量，具有测量范围大，高线性、高精度等优点.德国acam公司推出的新一代高精度测时芯片TDC_GP2[12]就是采用数字插入法技术，其绝对时间测量架构及测量原理如图1，2所示.粗值计数器测出开始信号与停止信号之间的基准时钟个数Cc，高速单元用于测量开始信号到相邻基准时钟上升沿的间隔时间Fc1以及停止信号到相邻基准时钟上升沿的间隔时间Fc2，其测量结果为精确测量值和粗略测量值的总和，即：其单次测量的分辨率可达65 ps.高精度、小尺寸QFN32封装、低功耗、小成本等特性使其成为时差测量的理想器件.杨佩[13]，姚万业[14]，纪荣祎[15]采用单片机控制TDC_GP2设计了时差测量系统，张黎明[4]采用32位ARM处理器控制TDC_GP2进行高精度时间间隔测量.但他们都是针对测量范围1:ns级的时间间隔进行实验及测时精度分析，均未对测量范围2:μs、ms级的测时精度进行过研究. 本文将TDC_GP2专用测时芯片与高性能主控芯片FPGA Core3S500E相结合设计了精密时间间隔测量系统.针对测时芯片的软硬件设计的关键技术，测量范围1及测量范围2从ns到ms级不同时间间隔测量的精度进行系列实验研究及误差分析，为时差法超声波流量计顺逆流传播时间μs级时差测量，激光脉冲测距ns级时差测量等应用提供一种切实可行的解决方案.该系统采用Xilinx的FPGA Core3S500E作为系统的主控芯片，时间间隔测量模块的硬件外围电路如图3所示，FPGA通过四线SPI(从机使能信号SSN, 时钟信号SCK, 数据输入SI, 数据输出SO)与TDC_GP2相连进行数据通信，En_Start、En_Stop1分别是TDC_GP2的开始信号Start和停止信号Stop1的使能控制端.INTN为计时芯片的中断信号输出端，当计时芯片的ALU单元处理完时间间隔数据后会将该引脚拉低，此时主控器即可读取相应寄存器中的测量数据.RSTN为定时芯片的复位引脚，低电平有效，芯片工作前，必须通过该信号线对芯片进行复位.其中4MHz的晶振作为TDC_GP2的高速基准时钟，采用陶瓷晶振时存在较大的频率误差，32.768 kHz的晶振用于对其进行校准.采用典型的3.3 V对芯片进行供电，芯片上电后，无源晶振4 MHz及32.768 kHz正常起振，说明芯片能正常工作.测得的时间间隔数据由FPGA通过串口232发送至上位机PC中，通过MFC 界面进行时间数据的显示及保存.系统采用Verilog HDL语言,基于SPI协议实现FPGA与TDC_GP2之间的数据通信，其程序流程图如图4所示.上电后，首先必须向芯片的RSTN复位引脚发送一个50 ns以上的低电平信号进行复位，然后再向芯片写入0x50对其进行软复位，否则将导致芯片测量不正常.TDC_GP2准确测时的关键在于准确配置其内部的六个32位寄存器reg0～reg5[16]，如芯片的测量范围，待测信号Start和Stop的敏感沿，中断源设置等关键参数都需通过设置不同寄存器的相应位.芯片的每个寄存器必须单独寻址，reg0～reg5的高8位分别对应地址操作码0x80～0x85，后24位为相应功能的配置值.本文选取Start及Stop信号的上升沿作为测时的敏感沿，采用校准模式进行测量，中断源设置为ALU中断触发，测量通道为Stop1通道，采样一个Stop 脉冲，其测量范围1及范围2的相应寄存器配置如表1所示.需要特别注意的是，在测量范围2配置寄存器reg1中stop1通道预期接受的脉冲个数时，其HINT1设置值必须比预期接收脉冲多1个，因为Start也被作为一次采样计数.寄存器配置完之后，需向TDC发送0x03进行校准，0x70初始化，选通Start及Stop通道后，TDC进入测量状态，等待Start及Stop信号，其ALU单元根据设置的采样通道及采样脉冲个数进行数据计算，计算完成将产生中断信号，此时FPGA向TDC发送0xb0操作码读取其寄存器reg0中的数据，并将数据通过串口发送至上位机.采用校准模式测量，其数据格式为32位固定浮点数，前16位为整数部分，后16位为小数部分; 上位机MFC将串口接收的32位数据进行换算，转换成十进制的浮点数数据，并进行数据的显示及保存.本文对TDC_GP2的测量范围1及测量范围2分别进行时间间隔实验，采用的基准时钟为4MHz，内部分频器数值设置为1，由于测量范围1只有在2*Tref大于被测时间间隔时，ALU才能正常工作，否则ALU输出值为0xFFFFFFFF，并且芯片要求Start脉冲触发沿与Stop脉冲触发沿的时间间隔至少3.5 ns，ALU单元才能精确计算并产生中断信号，因此，测量范围1可实现3.5～500 ns的时间间隔测量，测量范围2可实现500 ns(2*Tref)～4 ms的时间间隔测量.为测试该时间间隔测量系统的测时精度，选取Start及Stop时间间隔为20 ns～4 ms之间的共计17组数据进行测量，每组测量500次，其中20 ns，200 ns，20 μs，200 μs四组实验数据的分布图如图5所示.为准确评估系统的测时精度，对每组的500个测量数据分别进行统计分析，分别将各组测量数据代入均值计算公式及标准差公式σ=求取不同信号时差对应的系统均值及总体标准差，其测量及计算结果如表2和表3所示.对于测量范围1，表2中测量误差与信号时差的关系曲线如图6所示，其测量误差(Δ=μ-t)为ps级，随信号时差上下波动，且测量均值都小于理论的信号时差，最小测量误差为-13ps，最小标准差66ps与芯片的最小分辨率65ps几乎一致. 对于测量范围2，测量均值都大于理论的信号时差，随被测信号时差的增大，误差从ps增加到了ns级，对表3中测量误差(Δ=μ-t)与信号时差之间的关系进行最小二乘拟合，如图7所示.拟合的直线方程为y=19.59×10-5x+8.879×10-5，其斜率为19.59×10-5，即系统在量程2的整个测量范围内的误差曲线保持较好的线性度，在实际应用中，若被测的信号时间间隔较大，可根据该误差拟合直线对测量数据进行实时校正，以提高测量精度.而不论测量范围1还是范围2，其测量的标准差均为ps级，且对于500 μs以下的时间间隔测量，标准差随信号时差上下波动，取TDC_GP2的最小分辨率65 ps 为一个标准偏差σ，500 μs以下测量数据均落在±3σ之间，因此，测时芯片更加适合于超短时间间隔的测量.本文通过对TDC_GP2测量范围1及范围2进行大量实验及测量误差分析，发现TDC_GP2对于ns级时间间隔的测量，其测量精度均在皮秒级，而500 μs以上的时间间隔测量，其测量误差达到几百ns.因此，测时芯片更加适合于纳微级时间间隔的测量，其精度足以满足时差法超声波流量计顺逆流传播时间几十μs的时差测量，激光脉冲测距纳秒级时差测量，对于较大500 μs以上的时间间隔测量，其测量误差为ns级，但其测量误差与被测时间间隔成明显的线性关系，通过误差拟合直线方程进行实时校准，可更大地发挥TDC_GP2的性能.【相关文献】[1] 杨剑. 基于 FPGA 超声波流量计的设计[D]. 武汉：武汉理工大学， 2012.(Yang J. Design of ultrasonic flowmeter based on FPGA[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012.)[2] 姚滨滨, 张宏建，唐晓宇，等. 基于时差法和 TDC-GP2 的超声波流量测量方法[J]. 自动化与仪表, 2011, 26(8): 17-20.(Yao B B, Zhang H J, Tang X Y, et al. Method of ultrasonic flow rate measure based on delta-T and TDC-GP 2[J]. Automation & Instrumentation, 2011, 26(8): 17-20.)[3] 高涛, 朱蕴璞, 吴蕊, 等. TDC-GP2 在磁致伸缩传感器中的应用[J]. 自动化仪表, 2010, 31(12): 68-71.(Gao Tao, Zhu Yunpu, Wu Rui, et al. Application of TDC-GP2 in magnetostrictive sensor[J]. Process Automation Instrumentation, 2010, 31(12): 68-71.)[4] 张黎明, 张毅, 赵欣. 基于 TDC 的激光测距传感器飞行时间测量研究[J]. 传感器与微系统, 2012, 30(12): 71-74.(Zhang L M, Zhang Y, Zhao X. Study on flight time measurement laser ranging sensor based on TDC [J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2012, 30(12): 71-74.) [5] 杨佩. 基于 TDC-GP2 的高精度脉冲激光测距系统研究[D]. 西安：西安电子科技大学， 2010. (Yang P. Research on high-precision pulsed laser ranging system based on TDC_GP2[D]. 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基于TDC_GP2的高精度时间间隔测量系统设计_张彬彬

电子器件Chinese Journal of Electron Devices第39卷第5期2016年10月Vol 39No.5Oct.2016Design of High Precision Time Interval MeasurementSystem Based on TDC -GP2*ZHANG Binbin 1，2，CUI Yongjun 1，2*，YANG Bing 1，2（1.Ministerial Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ）Abstract ：In order to realize the time synchronization in satellite positioning system ，a high precision and high reso⁃lution time interval measurement system is ing two time digital converter chip TDC -GP2，the pulse counting method and digital interpolation method are combined ，The result shows that the measurement accuracy of the system is 1ns ，the resolution is 100ps ，the measuring range is up to 1ns~1s.With the advantages of small size ，high accuracy ，and flexibility it can be widely used in different time synchronization system.Key words ：time interval measurement ；TDC -GP2；pulse counting method ；digital interpolation method ；High -pre⁃cisionEEACC ：7320Kdoi ：10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.018基于TDC -GP2的高精度时间间隔测量系统设计*张彬彬1，2，崔永俊1，2*，杨兵1，2（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）摘要：为了实现卫星定位系统中的时间同步，设计了一种高精度、高分辨率的时间间隔测量系统。

基于TDC-GP2的时间间隔测量系统设计

基于TDC-GP2的时间间隔测量系统设计杨兵;崔永俊;贾磊;王晋伟【摘要】精确的时间间隔测量在时间同步系统有着至关重要的作用,为了满足大量程和高精度的需求,介绍了一种直接计数法和时间-数字装换法相结合的时间间隔测量系统;设计中采用两片TDC-GP2时间-数字转换芯片,结合FPGA和上位机,可以实现精度为1 ns时差测量;经过大量的实际测量,系统的分辨率为70 ps,精度为1 ns,最大可以测量1 s的时间间隔;该设计的系统具有可靠性高、功耗低、精度高、使用灵活等优点.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2015(023)009【总页数】3页(P2974-2976)【关键词】TDC-GP2;时间间隔测量;FPGA;上位机【作者】杨兵;崔永俊;贾磊;王晋伟【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN787时间作为航天飞行试验测量控制的重要参数和测量基准，测量设备的站间时间同步精度直接影响测量数据和处理结果的精度，而时间间隔测量又是时间同步系统中至关重要的一环。

但是当前时间间隔的测量都需要专用设备，并且支持设备众多且操作复杂，对于布局分散的测控站点的时间同步工作造成了许多困难，也使得试验所需的准备时间变长。

基于上述原因，提出利用FPGA作为系统逻辑控制芯片，使用两块TDC-GP2专用时间测量芯片，结合直接计数法和时间-数字转换法，并设计上位机软件实现命令收发和数据处理等功能，以实现大量程和纳秒级的高精度时间间隔测量等功能［1-2］。

TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用

万方数据　万方数据２００９年第１期仪表技术·６１·从图４超声波接收波形来看，可以得到起振以后正弦波个数，各个正弦波的大致起止时间ｒ。

一ｒ。

，ｒ。

，一ｒ。

：。

ｙ。

和矿。

确定了接收波形的峰值范围，以此来确定两次收发过程波形的一致性，这给判断该次测量的可靠性提供依据。

根据两次过零点波形，分别对两次过比较阈值点时间的可靠性进行判断，确定ｒ．，～乙、瓦。

一叱各自对应过零点的位置。

在过零点波形分析中，要考虑在过零点处可能存在的噪声干扰引起的误触发波形。

根据第一个有效波形的上升过程和下降过程中两个比较阈值计算出的时间Ｌ。

，ｒ。

，％，ｒ。

：可以推算出对应正弦波的表达式Ｖ＝ａｓｉｎ（２矽＋９）。

求解出ｙ＝０时的时间便是所求的过零点疋．的值。

控制发送换能器反向发射超声波，同样也是发射相同的波形２次，根据以上的过程再做一次，求出在反向发射超声波时接收波在相同位置过零点的时间ｒ出的值。

ｒ。

一ｒ：。

的绝对值便是正反向超声波的时间差。

根据公式秒＝｝寻·÷笔便可以求出流体的流速，乘ｓｌｎ，￡仃上管道截面积就能算出流量了，公式为：ｑ。

＝∥·Ａ＝１ｒ·Ｄ２／４·秽＝Ｋ·砂式子中Ａ为管径节面积；Ｖ为流体流速；ｑ，为体积流量；Ｄ为管道内径。

４结束语超声波时间测量是超声波流量计当中的一个很重要的环节，因为超声波顺流和逆流的时差十分微小，测量时间的精度要求很高，测量时间的精度又直接影响到了流量计的精度，因此时间间隔测量在整个超声波流量计系统中占有非常重要的地位。

ＴＤＣ—ＧＰ２是一款高精度的时间测量芯片，它具有６５ｐｓ量级的时间间隔测量精度。

在超声波流量计时间测量系统中运用ＴＤＣ—ＧＰ２大大提高了超声波流量计的测量精度。

本文为实现ＴＤＣ—ＧＰ２在超声波流量计时间测量中的应用提供了一个技术方案，在实际流量测量中，还存在流量管道气泡杂质等影响，从而影响流量测量的精度，这是有待改进的。

基于TDC-GPX2的精密时间间隔测量仪设计

基于TDC-GPX2的精密时间间隔测量仪设计侯志军;马红皎;王康;赵爱萍;邢燕【摘要】为满足科学研究和工程应用中对多通道、高精度时间间隔测量的需求,基于TDC-GPX2时间数字转换芯片设计了一款四通道精密时间间隔测量仪,根据功能控制模块的设置,仪器可实现对不同通道输入信号时间间隔的高精度测量.详细论述了系统的测量原理,硬件组成和软件设计,并搭建实验平台对仪器的性能进行测试与分析.实验结果表明:设计的时间间隔测量仪测量精度优于20 ps,并具有良好的准确性,接入5 MHz的时钟参考其量程可达3.34s,基本满足大多数时间频率应用领域对测量设备的性能需求.【期刊名称】《时间频率学报》【年(卷),期】2017(040)004【总页数】8页(P213-220)【关键词】时间测量;TDC-GPX2;多通道【作者】侯志军;马红皎;王康;赵爱萍;邢燕【作者单位】中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院国家授时中心,西安710600【正文语种】中文【中图分类】TN965.6测量两个物理事件间隔的时间或一个物理事件持续的时间称为时间间隔测量，当测量精度优于1 ns时称为高精度时间间隔测量[1]。

高精度时间间隔测量技术在原子物理研究、电子通信、激光测距、授时及时间传递等领域有着广泛的应用[2-3]，现已成为卫星导航、航天遥测等国防和军事应用中不可或缺的关键技术[4-5]。

近年来，随着电子技术的不断发展，市面上已出现一些较为常用的时间间隔测量设备，如：美国斯坦福大学研发的通用时间间隔计数器SR620，欧洲粒子物理研究中心设计的时间测量芯片HPTDC，美国惠普公司研制的精密时间间隔测量仪HP5370B等[5-7]。

但大多数仪器的通道数量较为有限（如SR620、HP5370B仅有两个测量通道），无法对多个物理事件进行并行观测，现有的多通道测量设备（如HPTDC）在测量精度与测量范围两方面不能同时兼顾，且一般价格较为昂贵，给应用带来诸多不便。

基于时差法和TDC-GP2的超声波流量测量方法

Ａｂｔａｔ：ｌａ— ｓｒｃＤｅｔＴｍｅｈｏｕｔａｏｃｌｏｔｄｌｒｓｎｉｆｗｍｅｅｍｅｓｅｔｅｌｏｔｒａｕｒｓｈｆｗｒｔｔｒｕｈｈｍｏｇｔｅａｕｅｎｏｈｖｌｅｆｔｅ
文章编号：０１９４（０１０．０７０１０ —９４２１）８０１ —４
基于时差法和丁Ｄ — ２的超声波流量测量方法ＣＧＰ
姚滨滨，宏建，晓宇，洪亮张唐周
（江大学工业控制技术国家重点实验室，州３１０７）浙杭０２
量测量原理以及相应硬件测量电路的具体实现方法经实验验证．用本方法测量流量其测量精度和分辨率均较高．望推广应用。有
关键词：时差法；Ｄ — Ｐ；声波流量计；量测量；Ｓ４０４７ＴＣＧ２超流ＨＰ３Ｆ１
Ｄｌ－ｅｔＴ，ｗｉｈａｈｌａｏｉｌｗａｈｃｗｓｔｅｕｔｓｎｃｆｏｍｅｅｔｎｍｉｓｏｉｄｆｒｎｅｏｈｄｗｎｔｅｍｎｕｓｒａ，ＳｔｅｒｔｒｒｓｓｉｎｔａｍｅｉｅｅｃｆｔｅｏｓｒａａｄｐｔｍｆｅＯｈ
ｍｅｓｒｍｅｎｏｈｔａｓｓｉｎｉｗａｔｅｅｏｔｓｓｅ．Ｉｏｒｒｏｍｐｏｅｈｅｃｕａｙｆｉｍｅｓｒ — ａｕｅｔｆｔｅｒｎｍｉｓｏｔｍｅｓｈｋｙｆｈｅｙｔｍｎｄｅｔｉｒｖｔａｃｒｃｏｔｍｅａｕｅｍｅｔＴＤＣ —ＧＰｎ，２ｈ【ｈｉｐｒｃｉｉｎｉｅｇｅｓｏｔｍｅｓｒｍｅｃｉｗａｃｓｎｎｈｓａｅ．ＴｈｓａｅｉｔｏｕｃｓｔｅｌｏｍａｕｅｎｔｈｐｓｈｏｅｉｔｉｐｐｒｉｐｐｒｎｒｄｅｈｆｗｍｅｓｅａｕｒｍｅｎｐｉｉｌｏｈａＴｕｔａｏｃｌｗｍｅｅｂｓｄｏｔｅｔｒｎｃｐｅｆＤｅ－ｌｒｓｎｉｆｏｔｒａｅｎｈＴＤＣ—ＧＰ２ｈｐａｔｅｍｐｅｎａｉｎｏｏ－ — ｃｉｎｄｈｉｌｍｅｔｔｏｆｃｐｅ・ｓｏｉｈａｄｗａｅｅｓｒｍｅｃｒｕｔＡｆｅｔｅｘｅｉｅｔｔｉｍｅｈｄａｓｇｍｅｓｉｎｇｒｃｓｏａｄｅｏｕｉｎｐｎｄｎｇｒｒｍａｕｅｎｔｉｃｉ．ｔｒｈｅｐｒｍｎ，ｈｓｔｏｈｈｉｈａｕｒｐｅｉｉｎｎｒｓｌｔｏｒｔｏｎｄｗａｐｏｓｎｇｔｂｐｐｉｄ．ａｉａｓｒｍｉｉｏｅａｌｅ

基于TDC_GP2的激光测距系统设计_李玉株

第32卷第6期增刊仪器仪表学报V ol.32 No.6 2011年6月Chinese Journal of Scientific Instrument Jun. 2011 基于TDC-GP2的激光测距系统设计李玉株肖江黄丽燕刘君（北京林业大学北京市海淀区清华东路35号）摘要：为解决激光测距系统普遍存在成本高、稳定性差等问题, 设计了一个基于TDC-GP2计时单元，以飞行时间TIME-OF-FLIGHT（TOF）法中的脉冲激光测距法来实现激光测距的系统。

应用低功耗Atmega128单片机和低成本的SPLPL90_3作为激光发射管，实现了激光的发射, 并采用OSRAM公司生产的SFH203PFA作为激光探测器,将光信号转换为电流信号，经过放大、滤波等进一步处理后，通过TDC-GP2计时，从而实现激光测距。

它不需要用高压来供电，增加了系统的稳定性。

经试验证明，该系统在要求测量范围（50m）内，测量精度可以达到0.01m。

为汽车间距测量和机器人避障等领域中问题提供可行的测量距离的方法。

关键词：TDC-GP2 激光测距飞行时间 SPLPL90_3 SFH203PFA。

Design of laser rangefinder System based on the TDC - GP2Li Yuzhu Xiao Jiang Huang Liyan Liu Jun(Beijing forestry university, Beijing, haidian district number 35, tsinghua road)Abstract：Aiming at solving the problems of high cost, poor stability existed in Laser rangefinder system. A system is designed based on TDC - GP2 timing unit and FLIGHT TIME - - a FLIGHT (TOF) method to implement laser ranging system, which uses the low-power AVR atmega128 microcontroller and the low-cost SPLPL90_3 as laser tube to realize the launch, and the approach of the SFH203PFA as laser detector the laser OSRAM company produced. And the laser rangefinder is realized via further treatment TDC - GP2, the optical signals are converted to current signal, amplified, filtering, after. Without the high pressure to power supply, it increases the stability of the system. Experiments show that the measurement accuracy of this system at requirements measurement range (50m) can reach 0.01 m. It provides feasible method to measure the distance for actual operation such as automobile distance measurement and robot obstacle avoidance fields.Key words：TDC-GP2 Laser rangefinder TIME-OF-FLIGHT SPLPL90_3 SFH203PFA1引言激光测距是以激光器作为光源进行测距，其方法从技术途径上一般可分为三角测距法和飞行时间（TOF）法两大类。