TDC7200：高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的深度剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，時(shí)間測(cè)量的精度和效率至關(guān)重要。TDC7200作為一款專為飛行時(shí)間應(yīng)用設(shè)計(jì)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。本文將深入探討TDC7200的特性、應(yīng)用、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師提供全面的參考。

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1. TDC7200特性概覽

TDC7200具備一系列令人矚目的特性，使其在時(shí)間測(cè)量領(lǐng)域脫穎而出。

• 高精度測(cè)量：分辨率高達(dá)55 ps，標(biāo)準(zhǔn)偏差為35 ps，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量，滿足對(duì)時(shí)間精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬測(cè)量范圍：支持兩種測(cè)量模式，模式1的測(cè)量范圍為12 ns至500 ns，模式2為250 ns至8 ms，可適應(yīng)不同的時(shí)間測(cè)量需求。
• 低功耗設(shè)計(jì)：在2 SPS的采樣率下，功耗僅為0.5 μA，非常適合電池供電的設(shè)備，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 多停止信號(hào)支持：最多可支持5個(gè)停止信號(hào)，為復(fù)雜的時(shí)間測(cè)量任務(wù)提供了更大的靈活性。
• 自主多周期平均模式：該模式可優(yōu)化系統(tǒng)功耗，在測(cè)量過程中，主機(jī)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，待測(cè)量完成后再喚醒，有效降低了整體功耗。
• 寬電壓范圍：供電電壓范圍為2 V至3.6 V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 工作溫度范圍廣：可在 -40°C至85°C的溫度環(huán)境下正常工作，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。
• SPI接口：通過SPI主機(jī)接口進(jìn)行配置和寄存器訪問，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

TDC7200的高精度和靈活性使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

• 流量測(cè)量：可用于水表、燃?xì)獗?、熱量表等流量測(cè)量設(shè)備，通過精確測(cè)量超聲波在流體中的傳播時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。
• 磁致伸縮位置/液位傳感：在磁致伸縮傳感器中，TDC7200可以精確測(cè)量超聲波在磁致伸縮材料中的傳播時(shí)間，從而確定位置或液位信息。
• 無人機(jī)飛行時(shí)間測(cè)量：在無人機(jī)的LIDAR和SONAR系統(tǒng)中，TDC7200能夠準(zhǔn)確測(cè)量激光或聲波的飛行時(shí)間，為無人機(jī)的導(dǎo)航和避障提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
• 熱量分配器：用于熱量分配器中，精確測(cè)量熱量傳遞的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)熱量的準(zhǔn)確分配。

3. 工作原理與功能模塊

3.1 功能概述

TDC7200本質(zhì)上是一個(gè)秒表集成電路，用于測(cè)量單個(gè)起始事件（START引腳的邊沿）與多個(gè)后續(xù)停止事件（STOP引腳的邊沿）之間的時(shí)間間隔，即飛行時(shí)間（TOF）。它內(nèi)部擁有一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，能夠以皮秒級(jí)的精度進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，這使得它在流量測(cè)量等對(duì)精度要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

3.2 功能模塊

3.2.1 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）

LDO是TDC7200的內(nèi)部電源電壓調(diào)節(jié)器，為芯片提供穩(wěn)定的電源。使用時(shí)，只需在其輸出端連接一個(gè)0.4 μF - 2.7 μF（典型值為1 μF）的陶瓷去耦電容，且電容的ESR最大為100 mΩ。如果電容值超出推薦范圍，可能會(huì)導(dǎo)致芯片故障甚至損壞。

3.2.2 CLOCK（時(shí)鐘）

TDC7200需要一個(gè)外部參考時(shí)鐘連接到CLOCK引腳。這個(gè)外部時(shí)鐘用于精確校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)，因此測(cè)量精度在很大程度上依賴于外部時(shí)鐘的精度。在設(shè)備啟用（ENABLE = HIGH）時(shí)，時(shí)鐘必須始終可用且穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，隨著參考時(shí)鐘頻率的增加，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差（即測(cè)量不確定性）會(huì)降低，因此推薦使用16 MHz的參考時(shí)鐘以獲得最佳性能。

3.2.3 計(jì)數(shù)器

TDC7200的時(shí)間測(cè)量依賴于兩個(gè)計(jì)數(shù)器：粗計(jì)數(shù)器（Coarse Counter）和時(shí)鐘計(jì)數(shù)器（Clock Counter）。

• 粗計(jì)數(shù)器：用于計(jì)數(shù)環(huán)形振蕩器（TDC7200的核心時(shí)間測(cè)量機(jī)制）的循環(huán)次數(shù)，其結(jié)果存儲(chǔ)在TIME1至TIME6寄存器中。
• 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器：僅在測(cè)量模式2中使用，用于計(jì)數(shù)START和STOP事件之間的整數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)，結(jié)果存儲(chǔ)在CLOCK_COUNT1至CLOCK_COUNT5寄存器中。

當(dāng)粗計(jì)數(shù)器或時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值達(dá)到相應(yīng)的溢出寄存器的值時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，停止正在進(jìn)行的測(cè)量。此外，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器停止掩碼寄存器（CLOCK_CNTR_STOP_MASK）可以定義掩碼窗口的結(jié)束，用于抑制錯(cuò)誤或不需要的停止觸發(fā)信號(hào)。

4. 測(cè)量模式

TDC7200支持兩種測(cè)量模式：測(cè)量模式1和測(cè)量模式2。

4.1 測(cè)量模式1

適用于測(cè)量較短的時(shí)間間隔（< 500 ns）。在該模式下，TDC7200使用內(nèi)部環(huán)形振蕩器和粗計(jì)數(shù)器從START到最后一個(gè)STOP進(jìn)行計(jì)數(shù)。隨著測(cè)量時(shí)間的增加，測(cè)量精度會(huì)降低，因此不建議用于測(cè)量超過500 ns的時(shí)間。

4.2 測(cè)量模式2

內(nèi)部環(huán)形振蕩器僅用于計(jì)數(shù)總測(cè)量時(shí)間的小數(shù)部分。當(dāng)接收到START信號(hào)后，環(huán)形振蕩器開始計(jì)數(shù)，直到時(shí)鐘的第一個(gè)上升沿，然后關(guān)閉，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)外部時(shí)鐘輸入的時(shí)鐘周期，直到接收到STOP脈沖，環(huán)形振蕩器再次開始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿。

4.3 飛行時(shí)間計(jì)算

在不同的測(cè)量模式下，飛行時(shí)間（TOF）的計(jì)算方法不同。

• 測(cè)量模式1：$TOF_n = (TIME_n)(normLSB)$，其中$normLSB = frac{(CLOCKperiod)}{(calCount)}$，$calCount = frac{CALIBRATION2 - CALIBRATION1}{(CALIBRATION2_PERIODS) - 1}$。
• 測(cè)量模式2：$TOFn = normLSB (TIME1 - TIME{n+1}) + (CLOCK_COUNT_n)(CLOCKperiod)$，其中$normLSB$和$calCount$的計(jì)算方法與測(cè)量模式1相同。

5. 校準(zhǔn)與功能模式

5.1 校準(zhǔn)

為了補(bǔ)償環(huán)境變量（如溫度、系統(tǒng)噪聲等）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，TDC7200需要進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)包括兩個(gè)外部時(shí)鐘的測(cè)量周期：第一個(gè)是測(cè)量外部時(shí)鐘的單個(gè)時(shí)鐘周期；第二個(gè)是測(cè)量由CONFIG2寄存器中的CALIBRATION2_PERDIOS設(shè)置的外部時(shí)鐘周期數(shù)。校準(zhǔn)結(jié)果存儲(chǔ)在CALIBRATION1和CALIBRATION2寄存器中，用于將TIME1至TIME6的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際的飛行時(shí)間。

5.2 功能模式

5.2.1 多周期平均模式

在多周期平均模式下，TDC7200可以自動(dòng)進(jìn)行一系列測(cè)量，并在完成后向MCU發(fā)送中斷信號(hào)。在等待過程中，MCU可以進(jìn)入睡眠模式，從而優(yōu)化系統(tǒng)功耗。用戶可以通過配置CONFIG2寄存器中的AVG_CYCLES位來選擇平均周期數(shù)（1至128）。

5.2.2 START和STOP邊沿極性

為了獲得最高的測(cè)量精度，建議START和STOP輸入信號(hào)具有相同的邊沿極性。在測(cè)量模式2中，強(qiáng)烈建議選擇“上升沿”作為START和STOP信號(hào)的邊沿極性，可通過設(shè)置CONFIG1寄存器中的START_EDGE和STOP_EDGE位為0來實(shí)現(xiàn)。

5.2.3 測(cè)量序列

TDC7200的測(cè)量序列如下：

1. 設(shè)備上電后，EN引腳需要先置低，然后在VDD供電的情況下進(jìn)行一次低到高的轉(zhuǎn)換，以正確初始化設(shè)備。
2. MCU通過SPI接口請(qǐng)求啟動(dòng)新的測(cè)量。
3. 在CONFIG1寄存器中設(shè)置START_MEAS位后，TDC7200在TRIGG引腳生成觸發(fā)信號(hào)，用于觸發(fā)相應(yīng)的超聲波模擬前端（如TDC1000）進(jìn)行測(cè)量。
4. 發(fā)送觸發(fā)信號(hào)后，TDC7200啟用START引腳，等待接收START脈沖邊沿。
5. 接收到START信號(hào)后，TDC重置TRIGG引腳。
6. 在外部時(shí)鐘信號(hào)的下一個(gè)上升沿后，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)（測(cè)量模式2）。時(shí)鐘計(jì)數(shù)器停止掩碼寄存器（CLOCK_CNTR_STOP_MASK_H和CLOCK_CNTR_STOP_MASK_L）確定停止掩碼窗口的長(zhǎng)度。
7. 達(dá)到時(shí)鐘計(jì)數(shù)器停止掩碼值后，STOP引腳等待接收一個(gè)或多個(gè)停止觸發(fā)信號(hào)。
8. 接收到最后一個(gè)停止觸發(fā)信號(hào)后，TDC通過中斷（INTB引腳）向MCU發(fā)出信號(hào)，表示寄存器中有新的測(cè)量結(jié)果。START、STOP和TRIGG引腳被禁用（在多周期平均模式下，TDC將自動(dòng)生成新的TRIGG信號(hào)開始下一個(gè)周期）。
9. MCU檢索結(jié)果后，可以通過SPI設(shè)置START測(cè)量位，使用相同的寄存器設(shè)置開始新的測(cè)量，無需在測(cè)量之間將ENABLE引腳置低。
10. 如果測(cè)量間隔較長(zhǎng)，可將ENABLE引腳置低，使TDC7200進(jìn)入最低功耗狀態(tài)。但再次將ENABLE引腳置高時(shí)，設(shè)備將恢復(fù)默認(rèn)寄存器設(shè)置，需要通過SPI重新配置。

6. 編程與寄存器映射

6.1 串行外設(shè)接口（SPI）

TDC7200通過SPI接口進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)讀寫。SPI接口由數(shù)據(jù)輸入（DIN）、數(shù)據(jù)輸出（DOUT）、串行接口時(shí)鐘（SCLK）和片選信號(hào)（CSB）組成。通信支持寫和讀事務(wù)，寫事務(wù)包括一個(gè)寫命令字節(jié)和一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，讀事務(wù)包括一個(gè)讀命令字節(jié)和8或24個(gè)SCLK周期。

6.2 寄存器映射

TDC7200擁有多個(gè)寄存器，用于配置設(shè)備參數(shù)和存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。這些寄存器包括配置寄存器（CONFIG1和CONFIG2）、中斷狀態(tài)寄存器（INT_STATUS）、中斷掩碼寄存器（INT_MASK）、計(jì)數(shù)器溢出寄存器（COARSE_CNTR_OVF_H、COARSE_CNTR_OVF_L、CLOCK_CNTR_OVF_H、CLOCK_CNTR_OVF_L）、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器停止掩碼寄存器（CLOCK_CNTR_STOP_MASK_H、CLOCK_CNTR_STOP_MASK_L）、測(cè)量結(jié)果寄存器（TIME1至TIME6、CLOCK_COUNT1至CLOCK_COUNT5、CALIBRATION1、CALIBRATION2）等。

7. 應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.1 應(yīng)用示例：流量測(cè)量

在流量測(cè)量應(yīng)用中，TDC7200與TDC1000超聲波模擬前端配合使用。通過測(cè)量超聲波在流體中的上下游飛行時(shí)間差，可以計(jì)算出流體的流速和流量。具體步驟如下：

1. MCU配置TDC7200和TDC1000，并通過SPI接口向TDC7200發(fā)送測(cè)量開始命令。
2. TDC7200向TDC1000發(fā)送觸發(fā)脈沖，TDC1000驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，同時(shí)產(chǎn)生同步的START脈沖，啟動(dòng)TDC7200的計(jì)數(shù)器。
3. 接收換能器接收到有效回波脈沖后，TDC1000在STOP引腳產(chǎn)生STOP脈沖，停止TDC7200的計(jì)數(shù)器。
4. 重復(fù)上述步驟進(jìn)行上下游測(cè)量，計(jì)算飛行時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出流體的流速和流量。

7.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.2.1 電源供應(yīng)

TDC7200的模擬電路設(shè)計(jì)工作在2 V至3.6 V的輸入電壓范圍內(nèi)。建議在VDD引腳附近放置一個(gè)100 nF的陶瓷旁路電容，并使用一個(gè)大于1 μF的電解或鉭電容作為大容量電容，以提供穩(wěn)定的電源。

7.2.2 布局設(shè)計(jì)

• 層疊順序：在4層電路板設(shè)計(jì)中，推薦的層疊順序?yàn)樾盘?hào)層、接地層、電源層和信號(hào)層。
• 旁路電容：旁路電容應(yīng)靠近VDD引腳放置，以減少電源噪聲。
• 信號(hào)走線：START和STOP信號(hào)的走線長(zhǎng)度應(yīng)匹配，避免不必要的過孔，保持走線短而直接，以減少PCB上的寄生電容。SPI信號(hào)走線應(yīng)靠近放置，并在DOUT源端（靠近TDC7200）和DIN、SCLK、CSB源端（靠近主MCU）放置串聯(lián)電阻。

總結(jié)

TDC7200作為一款高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。通過深入了解其特性、工作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，電子工程師可以更好地將其應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量和流量測(cè)量等功能。在設(shè)計(jì)過程中，需要注意電源供應(yīng)、布局設(shè)計(jì)等方面的要點(diǎn)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。你在使用TDC7200的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。