基于TDC-GP2的时间间隔测量模块

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。
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。
ACAM 公司产生的第二代 TDC－GP2 芯片是一种新的时
间数字转换（TDC）芯片，它利用门电路的传输延迟完成时间信
号的数字化转换。图 1 表示芯片内部完成时间数字转换的原理
结构，该结构主要由一个非门组成的循环传输门电路组成，利
用严格的内部门电路布线方式，保证信号经过每个门电路的延
迟相同。当信号通过整个门电路时，转换部分可以精确地记下
信号通过门电路的个数，完成时间信号的数字化，芯片能获得
的最高时间测量精度由信号通过单个门电路的延迟决定。转换
单元由开始信号触发，停止信号锁定转换结果，循环值存储器
和粗值计数器记录开始信号和停止信号之间的时间间隔，数据
预处理过程完成时间信息的数据化处理。
开始
粗值 计数器
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停止
循环值存储器
数据预处理
图 1 时间数字转换的原理图 门电路的特性容易受到温度和电压变化等外部环境的影 响，给时间测量结果带来误差。为了降低环境因素的影响， TDC－GP2 提供了一种校准测量方法，来补偿由温度和电压变 化而引起的误差。 TDC－GP2 提供 2 种主要的测量方式，对应不同的测量范 围和测量精度。第一种方式的测量范围为 0～1.8 μs，典型分辨 率为 65 ps，提供双通道测量选择；第二种方式的测量范围大于 第一种方式，在 2 倍参考时钟周期到 4 ms 之间，但只提供单通 道的测量能力。TDC－GP2 工作时需要一个外部参考时钟驱动 内部的计算和处理单元，参考时钟的范围限制在 10 MHz 以内， 默认选择为 4 MHz。当参考时钟为 4 MHz 时，第二种方式的测量 范围为 500 ns～4 ms。TDC－GP2 提供简单的 4 线 SPI 接口和外 部微控制器连接，简化接口关系，其最大传输速率为 10 Mbps。
设计与分析◆Sheji yu Fenxi
基于 TDC－GP2 的时间间隔测量模块研究
马小燕 （扬州工业职业技术学院电子信息工程系，江苏 扬州 225127） 摘 要：详细分析了 TDC－GP2 的工作原理和功能，并介绍了基于 TDC－GP2 的时间间隔测量模块硬件电路设计的情况。 关键词：时间间隔测量；TDC－GP2；硬件电路设计
中 EN_Start、EN_Stop1 分别为 TDC－GP2 的 Start、Stop1 的使能
Tref
Time 2Tref
Cal2 START
Cal1
STOP
本地参考时钟
图 3 校准原始数据（Cal1&Cal2）测量方法 校准测量同样是在 TDC－GP2 的测量有效范围内进行。为 保证整个校准过程的 TDC－GP2 时钟保持在有效的测量范围 内，防止 TDC－GP2 计算结果溢出，参考时钟的 2 倍时钟周期必 须大于最大的外部测量脉冲间隔，并小于测量模式的测量范围
图 2 为时间测量示意图，用户 A 时间信号表示外部信号，
参考时钟为用户 B 的时钟信号，中间时间信号由用户 B 根据
参考时钟产生，时间差值由 TIME1 和 TIME2 2 部分组成，TIME1
的测量值小于一个参考时钟周期，TIME2 的测量值为整数倍的
时钟周期。将用户时间信号和中间时间信号分别作为
TDC－GP2 的启动信号和停止信号，采用第一种工作方式测量
计算出 TIME1。将中间时间信号和用户 B 时间信号分别作为脉
冲计数电路的启动和停止信号测得 TIME2，将这 2 个时间值经
过合并得到精确的时间差。
TIME1
TIME2
参考时钟
用户 A 时间信号
1 TDC－GP2 工作原理及功能
中间时间标志
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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