TDC_GP1高精度时间间隔测量芯片及其应用

O RLC 测量时端口 2 ADR0~ADR4 23~26
I 地址输入线
RLC_P1
11
O RLC 测量时端口 1 INTFLAG
34
O 中断标志，高有效
ALE
29
I 地址锁存信号
START
36
I START 脉冲输入
RDN
30
I 读信号
EN_STOP2
37
I STOP2 使能
WRN
31
I 写信号
STOP2
STOP1 tpw >2.5ns STOP2
tpw >2.5ns
t2 >15nstpwFra bibliotek>2.5ns
图 ３ 量程 １ 测量时序
阻值。 （４）与微控制器的接口单元
Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 提供了与 ８ 位单片机的接口，包括 ８ 位 数据总线，４ 位可对 １ ６ 个寄存器操作的地址线以及
START
tFC1
出输入的 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 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 ｔ Ｆ Ｃ ２ 。 ｔ Ｆ Ｃ ３ 是 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 信号的第二 个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差，ｔ 是一个校
Ｃａｌ１
准时钟周期，ｔ Ｃ ａ ｌ ２ 是两个校准时钟周期。 根据图 ４ 可以得
39 ２００４．１１ Microcontrollers & Embedded Systems
40
２００４．１１
如图 １ 所示，Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 有两个算术逻辑单元（ Ａ Ｌ Ｕ ） 。 前面的 Ａ Ｌ Ｕ 将粗值寄存器中的测量结果转变为一无符
ＲＬＣ测量单元 测量范围２的计数器
ＴＤＣ测量单元 粗值存储器 ＴＤＣ测量单元 粗值存储器
时钟分频器
ＰＬＬ锁相器
ALU
１６位 顺序 ALU
结果和状 态寄存器
控制和 模式寄 存器
STOP1 START STOP2
（１）ＴＤＣ 测量单元
CLK_REF
当两个脉冲的上升沿或下降沿的时间 差为几十到几百 ｎ ｓ 时， 传统的测量脉冲宽 度的脉冲计数法已不再适用。这是因为要 测的脉冲越窄， 所需要的时钟频率就愈 高， 对芯片的性能要求也越高。例如要求 １ｎｓ 的测量误差时，时钟频率就需要提高到 １ Ｇ Ｈ ｚ ，此时一般计数器芯片很难正常工 作， 同时也会带来电路板的布线、 材料选 择、 加工等诸多问题。 为克服上述问题， Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 利用信号通过逻辑门电路的绝对 传输时间提出了一种新的时间间隔测量方
ｃｃ 表示 ｐｒｅｄｉｖｉｄｅｒ 的计数值。
t1 >15ns
图５ 精度可调整模式测量时序
（３）精度可调整模式 Ｔ Ｄ Ｃ 芯片另一个重要特征是器件引入了精度可调整
模式。 在此模式下， 两通道数值会非常精确。 校准环路
时钟分配及 驱动电路
CLOCK
门电路延迟
STOP1 START
TDC-GP1
MCS-51
文的时间间隔观测、频率和相位信号分析等高精度测试
领域。Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 还提供了与微处理器的多种接口方式，
用户可以很方便地用它构成自己的系统或
仪器。
RLC
２ 结构原理与引脚功能
ＴＤＣ－ＧＰ１ 采用 ４４ 引脚 ＴＱＦＰ 封装， 具有 Ｔ Ｄ Ｃ 测量单元、１ ６ 位算术逻辑单元、 Ｒ Ｌ Ｃ 测量单元及与 ８ 位处理器的接口单元 ４ 个主 要功能模块。 各引脚名称和功能如表 １ 所 列， 内部结构如图 １ 所示。
只有通道 １ 可用；正常精度模式下允许 ４ 个脉冲输入； ＳＴＯＰ 信号之间不能相互比较，仅 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 与 Ｓ Ｔ Ｓ Ｒ Ｔ 信号可 进行比较；最大量程 ６０ｎｓ￣２００ｍｓ。图 ４ 给出了量程 ２ 的 测量时序。
时钟， 完成所有上述工作仅需 ４ μｓ 。 （３）ＲＬＣ 测量单元
Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 利用本身的时间间隔测量功能在芯片
由外部时钟引入作为参考。 我们可以通 过对芯片内部寄存器的设置工作于此模 式， 因此，结果的精度取决于程序中的 设置。精度可调整模式不需要 Ｓ Ｔ Ａ Ｒ Ｔ 信 号，因此最多只能通过通道 １ 和通道 ２ 共
START
引入 ８ 个 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 输入。 此时， 任意两个
STOP1
门电路的延迟时间
Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 信号均可以进行比较， 量程为 ３ｎｓ￣３．８ μｓ。工作于精度可调整模式，芯 片耗电量比较大，大约为 ２ ５ ｍ Ａ。图 ５ 给
t1 >60ns
tFC2
tFC3
t2 <240ms
t3 >60ns
tCal2 tCal1
读、 写、 片选等控制线。 另外， 为了简化接口设计， STOP 还提供了地址锁存线（ Ａ Ｌ Ｅ ） 。
图 ４ 量程 ２ 测量时序
３ 功能描述
原理如下：输入 Ｓ Ｔ Ａ Ｒ Ｔ 信号，芯片内部迅速测量出
Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 提供了两个量程及精度可调整等三个模式 这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差，记为 ｔ Ｆ Ｃ １ 。 之 可 供 用 户 选 择 ， 每 个 模 式 中 的 分 辨 率 可 以 设 置 为 高 或 后，计数器开始工作，得到此 ｐｒｅｄｉｖｉｄｅｒ 的工作周期数，
7
I
RLC 测量时的 施密特触发引脚
GND_IO
18,40
I/O 端口接地引脚
RLC_P4
8
O RLC 测量时端口 4 DATA0~DATA3 13~16 I/O 数据总线低 4 位
RLC_P3
9
O RLC 测量时端口 3 DATA4~DATA7 19~22 I/O 数据总线高 4 位
RLC_P2
10
新器件新技术
NEW PRODUCT & TECH
ＴＤＣ－ＧＰ１ 高精度时间间隔测量芯片及其应用
■ 长沙国防科技大学 刘国福 张玘 刘波
摘 要 关键词
德国 ＡＣＡＭ 公司研发的高精度时间间隔测量芯片 ＴＤＣ－ＧＰ１ ，可提供两通道 ２５０ｐｓ 或单通道 １２５ｐｓ 分辨 率的时间间隔测量；用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪器，因此已在多种高精度测试领域 得到了应用（如高精度激光测距仪、频率和相位信号分析等）。 文章详细介绍 ＴＤＣ－ＧＰ１ 的内部结构、 工作原理和性能指标， 并给出该芯片在测量门电路延迟时间方面的一个应用实例。
（２）量程 ２
为进行大量程时间测 量，芯片引入了一个 １６ 位的 ｐｒｅｄｉｖｉｄｅｒ。 该模式下芯片
号整数， 以便后面的 Ａ Ｌ Ｕ 进行算术运算。后面的 １ ６ 位 顺序 Ａ Ｌ Ｕ 主要完成以下三方面的工作：按照控制寄存 器中的指令进行时间间隔的计算；将计算出的结果进行 标定；将标定后的结果进行乘法运算。 Ａ Ｌ Ｕ 拥有独立的
1
I 有效
VCC_CORE
5,28,44
TDC 核电源电压
TEST
2
测试引脚，接地 GND_CORE
6,27,43
TDC 核接地引脚
CLK_REF 3
I 外部基准时钟输入 VCC_IO
17,35,39
I/O 端口电源电压
CHARGE
4
O
RLC 测量时的 充电引脚
GND_IO
12
I/O 端口接地引脚
SENSE
时间间隔测量 ＴＤＣ－ＧＰ１ 单片机
１ 概 述
Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 主要应用于超声波流量仪、高能物理和核
物理、各种手持 ／ 机载或固定式的高精度激光测距仪、
激光雷达、激光扫描仪、Ｃ Ｄ Ｍ Ａ 无线蜂窝系统无线定
位、 超声波密度仪、超声波厚度仪、涡轮增压器的转速
测试仪、 张力计、 磁致伸缩传感器、 飞行时间谱仪、 天
38
I STOP2 脉冲输入
CSN
32
I 片选信号
STOP1
41
I STOP1 脉冲输入
Phase
精度调整模式时的
33
O 相位输出信号
EN_STOP1
42
I STOP1 使能
较，最小时限为 １ ５ ｎ ｓ ； ＳＴＡＲＴ 和 ＳＴＯＰ 信号必须持 续 ２．５ｎｓ 以上，否则芯片无 法辨识；Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 信号之间可 进行相互的比较， 无最小 时限；量程为 ３ｎｓ￣７．６ μｓ ； 两个通道可进行排序， 这 样可使 １ 通道允许 ８ 个脉冲 输入，这种模式下通道 ２ 的 ＳＴＯＰ 输入被忽略。 图 ３ 给出 了量程 １ 的测量时序。
新器件新技术
NEW PRODUCT & TECH
STOP1 STOP2
１０ＭＨｚ晶振
t2 <3.8µs
t3
无定时限制
出 Ｓ Ｔ Ａ Ｒ Ｔ 信号与 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 信号第一个脉冲的时间间隔为
time
=
period× (cc +
tFC1 tCal2
− tFC2 ) − tCal1
START
t1 >3.0ns
t4
<7.6µs
t3
无定时限制
上集成了一个 Ｒ Ｌ Ｃ 测量单元。首先一已知电容通过 被测电阻放电， 当电容器上的放电电压达到比较器 的门限电压时，Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 记录下这一段放电时间。 然后将被测电阻变换为一已知阻值的电阻， 重复上 述过程得到另外一段放电时间。 根据这两段放电时 间的比值与已知电阻的阻值就可计算出被测电阻的
８位 微处理 器接口 单元
图１ ＴＤＣ－ＧＰ１内部结构
动态存储器
数据预处理
图２ ＴＤＣ－ＧＰ１测量单元
粗值计数器
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２００４．１１
NEW PRODUCT & TECH 新器件新技术
表 １ ＴＤＣ－ＧＰ１ 引脚分配及功能
引脚名 引脚号 I/O
功能
引脚名
引脚号 I/O
功能
RST_N
复位引脚，低电平
低。 下 面 简 要 介 绍 一 下 三 个 模 式 的 测 量 过 程 和 时序。 记为 ｐ ｅ ｒ ｉ ｏ ｄ 。这时，重新激活芯片内部测量单元，测量
（１）量程 １
Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 提供了两个测量通道，每个通道精度 ２ ５ ０ ｐ ｓ ， 两个通道精度等级完全相同；两个通道公用一 个 Ｓ Ｔ Ｓ Ｒ Ｔ 输入，可分别与四个独立的 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 输入进行比
START STOP
法， 测量原理如图 ２ 所示。 Ｓ Ｔ Ａ Ｒ Ｔ 信号和 Ｓ Ｔ Ｏ Ｐ 信号之 间的时间间隔由非门的个数来决定， 而非门的传输时间 可以由集成电路工艺精确地确定。同时， 由于门电路的 传输时间受温度和电源电压的影响比较大，因而该芯片 内部设计了锁相和标定电路。
（２）１６ 位算术逻辑单元
PS501 电池管理集成电路产品采用了 Microchip 高性能、低功耗的 PIC18 单片机内核，其 16KB 的片内闪存中存储了 Accuron 专利算法。 该电池管理器件的工作电流较低，仅为 15 0 μＡ 。当相关应用暂停工作时，该器件会自动进入低功耗休眠模式，用电量不到 1 μＡ ，既 节能又减少电池过度放电。新器件还集成了 １ 个 16 位可编程的 Sigma-Delta 模数转换器，以及能优化专业应用的混合信号电路。该器件还具 有一个精确的硅振荡器，不再需要外置晶体。新器件将硬件和先进算法相结合，维持电池平衡，使器件能出色地适用于锂聚合物电池应用。
（收稿日期：２００４－０７－０１ ）
Microchip 新推可报告电量的现场可编程电池管理产品
20 04 年 9 月 27 日，M ic ro chip（美国微芯科技公司）为进一步扩充其电池管理产品的阵容，推出集成的现场可编程电量计，适用于 ２~４ 节锂离子及锂聚合物电池，或 ６ ~１ ２ 节镍氢电池及镍镉电池的应用。新器件符合智能电池系统（Smart Battery System，简称 SBS)，能 精确判断电池的电量，并提供电池监控功能，提高应用的安全性，且具备放电结束（End of Di schar ge，简称 EO D）控制，进而延长电池 寿命和工作时间。
图６ 门电路延迟时间测量方框图及时序
出了精度可调整模式的测量时序。
４ 应用实例
图７ 门电路延迟时间测量电路
高速逻辑门电路的延 迟时间一般只有几 ｎ ｓ ，用 以前的脉冲计数法无法对 之进行测量。使用 Ｔ Ｄ Ｃ － Ｇ Ｐ １ 后， 这类工作就变得 相对容易多了。图 ６ 是它的 测量方框图及时序图，图 ７ 是具体电路原理。应用量 程 １ 的寄存器设置为： Ｒｅｇ０：０ｘ４４；Ｒｅｇ１：０ｘ４Ｄ；Ｒｅｇ２： ０ｘ０１ ；Ｒｅｇ３：０ｘＸＸ ；Ｒｅｇ４： ０ｘＸＸ ；Ｒｅｇ５：０ｘＸＸ ；Ｒｅｇ６： ０ｘ０２；Ｒｅｇ７：０ｘ０１；Ｒｅｇ８：０ｘ００； Ｒｅｇ９：０ｘ００；Ｒｅｇ１０：０ｘ８０。