基于TDC_GP_2的高精度时差测量系统设计
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
Ｋ ｅ ｒ ｓ ｄ ｓ ａ ｃ ｙ ｔ ｍ ｆ ｕ ｓ ａ ｅ ｕ ｅ ａ ｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ｅ ｏ ｌ ｅ ｌ ｓ ｒｆ ｚ ； ｐ ｌｃ ｔｏ ｆＴＤＣ— ２ ｈ ｇ ｒ ｃ ｓｏ ａ ｕ ｅ ｅ ｔ ｐ ＧＰ ； ｉ ｈ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ｍ ｎ
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 ３ １ ｍ／， 当 测 量 范 围 为 ×０ ｓ 几 米 ，测 距 精 度 要 求 达 到 厘 米 量 级 时 ，激 光 脉 冲 往
Ｄｉｔ ｎ ｅ Ｓ ｔ ｍ ｆＰｕｌｅＬａ ｅ ｓａ ｃ ｙｓｅ ｏ ｓ ｓ ｒＦｕｓ ｅ Ｂ ａ ｅ ｎ Ｈ ｉ ｈ Ｐｒ ｃ ｓｏ ｎ ｅ ｖ ｌ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔＣｈｉ ｓ ｄ ｏ ｇ ｅ ｉｉ ｎ Ｉ ｔ ｒ ａ ａ ｕ ｅ ｎ Ｍ ｐ ＴＤＣ— ＧＰ２
Ｓｏｎ ａ ． ｎ ｉ ｈａ 。 ｇ Ｎ Ｄｅ ｇ Ｊａ ｏ ’ ．ＣｕｉＪｎｇ ｉ
（ ． ｙＬ ｂ ｒ ｔｒ Ｅｅ ｔｏ ｃ ａ ｉａ Ｄ ｎ ｍｉ Ｃ ｎｒ ｌＢ ｉｎ ｎ ｔｕｅｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｂｅ ｉｇ１ ０ ８ ， ｈｎ ； １Ｋｅ ａ ｏａｏｙ ｌｃｒｍｅ ｈ ｎｃ ｌ ｙ ａ ｃ ｏ ｔｏ， ｅ ｉｇＩｓｉ ｔ ｊ ｔ ｆＴｃ ｎ ｌｇ ， ｉｎ ０ ０ １ Ｃ ｉａ ｊ ２ Ｓ ｈ ｏ ｌ ｔ ｍｅｈ ｎｃ ｌ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｂｅ ｉ ｓｉ ｔ Ｄ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｂ ｉｎ ０ ０ １ Ｃ ｉａ ． ｃ ｏ ｌｆｅｅ ｒ ｏ ｃ ｏ ｃ ａ ｉａ ｇｎ ｅ ｉ ， ｉｎ Ｉ ｔ ｕｅ 厂Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ｅ ｉｇ１ ０ ８ ， ｈｎ ） Ｅ ｎ ｊｇ ｎ ｔ ｊ
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。
140
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 ２ 期
制 导 与 引 信
ＧＵＩ ＤＡＮ Ｃ ＆ ＦＵＺ Ｅ Ｅ
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ２ １３ ． Ｊ Ｄ ２ １ Ｕ． ０ ２
２１ ０ ２年 ６月
文章 编号 ：６ １０ ７ （０ ２ ０ —０ ００ １ ７ —５ ６ ２ １ ） ２０ ２— ５
基 于 Ｔ Ｃ技 术 的高 精 度 时差 测 量 系统设 计 Ｄ
１ ＴＤＣ ＧＰ 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
２ １
波 脉 冲终 止计 数 ， 后 读 出计 数值 。如果 测 量分 最
式 有 Ｉ ｄ 模 式 、 Ｍｏ ｅ模 式 、 — ｄ — Ｍｏ ｅ Ｇ— ｄ Ｒ Ｍｏ ｅ模 式 、 Ｍ— ｄ 模 式 四种 。 Ｍｏ ｅ 根 据 测 量 精 度 和 量 程 的 要 求 ， 用 了 Ｒ 选 —
辨率 要 达 到 ０ ５ｎ ， 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 ２ ｉ 模 式 。本 次 设 计 选 用 １ 另 ８ ｂｔ ６
ｂｔ 式 。１ ｉ 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 — Ｐ Ｃ Ｇ Ｘ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 ２ ０ ９ ） ０ ０ ０
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
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图 2 TDC - GP2 外围电路图
3 系统硬件程序设计
TDC - GP2 测量控制流程如图 3 所示 。本系统使
用 TDC - GP2 的测量范围 1。在寄存器配置中 , 设置 Stop2 和 Stop1 进行数值计算 , 这样做可以将测量的最 小值理论上缩小到 0 ns, 有效地消除由 TDC - GP2 内
图 3 TDC - GP2 单元测量控制流程图
4 TDC 测量结果计算与数据校准
TDC - GP2 的测量结果可分为两种 , 校准值和非 校准值 。校准值是指 TDC 在测量时对由于温度等外 界因素引起的误差进行校准之后所产生的测量结果 。 非校准则直接读取测量结果 , 不对其进行校准 。
非校准测量中 , 在 TDC 配 置寄 存器 Reg0 设 置 B IT5 = 0, 关闭校准 , 测量完成后 , 在结果寄存器中 直接读取 16位数据 , 将该数据乘以 65 p s得到的计算 结果 , 即为非校准测量的时间间隔数值 。
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杨佩 , 等 : 基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
电子 ·电路
部电路引起的系统误差 。在寄存器配置完成之后 , 即 可开启 Start、 Stop1 、 Stop2 使能 , 通过单片机向 TDC 发送开始信号 , 触发测量 , 同时 TDC 开始等待接收 Stop1、 Stop2 脉冲信号 。完成测量之后 , TDC 根据预 先设定的校准模式进行数据的校准 , 如果设置为数据 自动校准 , 那么 ALU 单元便可自动进行校准测量 , 然后写入数据输出寄存器中 , 如果设置手动校准 , 则 需要通过 SP I口发送 Start_Cal_TDC 指令进行数据并 读取校准系数 。等待中断信号 INTN 为 0后 , 即可发 送 Read_data命令 , 从结果寄存器中测量数据 。单片 机根据预先设定的测量模式以及时钟周期 , 计算出精 确的时差数据 。
D esign of the H igh2prec ision T im e D ifference M ea surem en t System Ba sed on TDC 2GP2
Yang Pei, Xu Jun, W ang Fei ( School of Technical Physics, Xidian University, Xiπan 710071, China) Abstract According to the analysis of time difference measurement by the method of Time2to2D igital Converter ( TDC) , a high2p recision time difference measurement system based on the general TDC module TDC2GP2 is de2 signed. The measurement range of the system is 0～118μs and the p recision can reach 70 p s. The system has effec2 tively solved the p roblem of high2p recision time difference measurement in app lication of laser ranging and L IDAR. Keywords TDC2GP2 ; high2p recision time difference measurement system; laser ranging; system design
目前 , 时间间隔测量常用的测量方法是直接计数 法 (D irect Counter M ethod) [ 1 ] 。其原理是 , 通过计数 电路记录两个间隔脉冲之间所经历的时钟周期数 , 即 可计算出两脉冲信号的时间差 , 测量的分辨率为最小 的脉冲周期 。当时间精度要求为 1 ns时 , 其时钟的 频率至少为 1 GHz, 这给电路的设计和应用增加了较 大的困难 。利用时间数字转换法 ( Time - to - D igital Converter简称 TDC, 也称之为延时线法 ) [ 2 - 3 ]的测量 原理 , 运用 ACAM 生产的通用型 TDC 测量芯片对时 间间隔进行精确测量 , 其最高精度可达到 65 p s, 摆 脱了高精度时间间隔测量对高频时钟的依赖 , 减小了 电路设计及应用中的难度 。
收稿日期 : 2009211225 作者简介 : 杨佩 ( 1984 - ) , 男 , 硕士研究生 。研究方向 : 红 外系统 , 模式识别 , 图像处理 。
1 TD C 工作原理及功Fra bibliotek描述TDC - GP2 是德国 ACAM 公司通用型 TDC系列的 新一代产品 。 TDC - GP2 主要由 TDC 测量模块 , 16 位算术逻辑模块 (ALU ) , 温度测量模块以及 4线 SP I 串行数据接口组成 。具有两个测量范围 , 其精度均达 到 65 p s。 TDC - GP2 采用尺寸较小的 QFN32 封装 。 通过 4线 SP I与控制器相连 , 具有最高 1 MHz的连续 数据输出 。并且可通过配置内部寄存器 , 设置 TDC GP2 的测量范围 、信号触发方式等 , 使用户能够对该 芯片进行灵活应用 。
和温度的校准测量单元 , 通过设置 TDC 配置寄存器 Reg0 的 B IT5 位 , 开启或关闭校准 。在校准测量中 , 也通过配置进行自动或手动校准 。
TDC - GP2 校准是在测量外部脉冲间隔时 , 另外 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 测量值进行比较 , 消除由于环境温度和供电电压的变 化带来的系统测量误差 。 TDC - GP2 的校准测量要求 芯片有一个外部相对稳定的时钟信号 , 校准测量时 , TDC - GP2 在完成对外部信号的测量后 , 继续测量 1 倍和 2倍内部基准时钟周期 , 分别记作 Cal1 和 Cal2 , 如图 4所示 。图中 Cal1 、Cal2 分别为 1 倍 、 2 倍参考 时钟周期的测量值 , RefClk为参考时钟信号 。
由于 TDC测量中 , 门电路的延时时间受到电源 电压 、环境温度等因素变化的影响 , 并且其影响具有 不确定性和不重复性 , 因此在其影响下 , TDC的测量 结果也具有不确定性和不重复性 , 严重影响测量电路 的精度和稳定性 。因此 , 为了能够得到精确测量结 果 , 需要在测量中对温度和电压的影响进行补偿 。为 解决这一问题 , 在 TDC - GP2 的内部设置了针对电压
2010年第 23卷第 7期 Electronic Sci1& Tech1 /Jul115, 2010
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基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
杨 佩 , 徐 军 , 王 菲
(西安电子科技大学 技术物理学院 , 陕西 西安 710071) 摘 要 通过对时间数字转换法进行时间间隔测量分析 , 设计出一款基于通用型 TDC测量模块 TDC - GP2 的高精 度时差测量系统 。该系统测量范围为 0～118μs, 精度可达到 70 p s, 有效地解决了激光测距 、激光雷达等应用中高精 度时差测量的问题 。 关键词 TDC - GP2 ; 高精度时差测量系统 ; 激光测距 ; 系统设计 中图分类号 TN249 文献标识码 A 文章编号 1007 - 7820 (2010) 07 - 077 - 05
2 TDC - GP2 硬件电路设计
杨佩 , 等 : 基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
图 2所示的是 TDC - GP2 外围硬件电路原理图 , 在 TDC - GP2 的 应 用 中 需 要 2 个 晶 振 , 4 MHz 和 321768 kHz, 分别如图 2 中所示的方式接入电路中 。 由于门电路 的延 时受 到温 度和 电压的 影响 , 因此 , 4 MHz晶振是为了校准而设置的一个基准 。当使用陶 瓷晶振时 , 由于其频率误差大 , 所以需要在测量时用 321768 kHz的晶振 , 对高速晶振进行校准 。若选用温 度稳定性较高的石英晶振 , 在测量时就不用对高速晶 振进行校准 , 因为这种晶振能够满足系统测量要求 。 该系统使用 M SP430 单片机作为系统控制器 。其中 EN _Start、 EN _Stop1、 EN _Stop2 分别为 TDC - GP2 的 Start、 Stop1 、 Stop2 的使能控制端 , 连接至 M SP430的 I/O 口 。 INTN 为 TDC - GP2 的中断信号输出 , RSTN 为 TDC - GP2 复 位 信 号 输 入 。 TDC - GP2 的 SP I口 (图 2中 SSN、 SCK、MOSI、M ISO端 ) 与 M SP430 的 SP I口直接相连 , 进行数据通信 。在本系统中 , Start 信号是由单片机 I/O 口产生 , 并用于来触发 TDC 启 动测量 。
TDC是以信号通过内部门电路的传输延时来进行 高精度时间间隔测量的 [ 4 - 6 ] 。图 1显示的是这种测量 绝对时间 TDC的主要架构 。测量过程中 , 只需计算出 开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数 , 就 可以精确的计算出 Start信号与 Stop 信号之间的时间 间隔 。芯片上的智能电路结构 、担保电路和特殊的布 线方式保证芯片精确地记下信号通过门电路的个数 。
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图 1 TDC绝对时间测量系统框架