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MS1205N——激光測距用高精度時間測量(TDC)電路

王子文 ? 來源:jf_30348363 ? 作者:jf_30348363 ? 2024-10-21 17:58 ? 次閱讀

產品簡述

MS1205N 是一款高精度時間測量(TDC)電路,具有四通

wKgZomcVy3uAZiT4AABu-RlLX1c247.png

道、多脈沖的采樣能力、高速 SPI 通訊、多種測量模式,適合

于激光雷達和激光測距。

主要特點

? 單精度模式 60ps

? 雙精度模式 30ps

? 非校準測量范圍 3.5ns(0ns)至 25μs

? 單精度校準測量范圍 3.5ns(0ns)至 16μs

? 雙精度校準測量范圍 3.5ns(0ns)至 4μs

? 20ns 最小脈沖間隔,四通道最多可接收 40 個脈沖

? 4 線 SPI 通信接口

? 工作電壓 2.5V 至 3.6V

? 工作溫度-40°C 至+125°C

? QFN40 封裝

應用

? 激光雷達

? 激光測距

? 脈沖測量

產品規格分類

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管腳圖

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管腳說明

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內部框圖

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極限參數

芯片使用中,任何超過極限參數的應用方式會對器件造成永久的損壞,芯片長時間處于極限工作

狀態可能會影響器件的可靠性。極限參數只是由一系列極端測試得出,并不代表芯片可以正常工作在

此極限條件下。

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推薦工作條件

沒有特別規定,環境溫度為 Ta = 25°C ±2°C 。

wKgaoWcXT-uAN4H0AAB0a9kK8XQ170.png

*包括晶振管腳 XIN, XOUT

電氣參數

直流特性

Vcc = Vdd = 3.0 V, Tj = -40 到 +85°C。

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如有需求請聯系——三亞微科技 王子文(16620966594)

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功能描述

1. SPI接口

MS1205N 有 2 個 SPI 接口,分別控制 1# 和 2#,SPI 接口是與 4 線制 SPI 兼容的,它需要一個 Serial

Select Not(SSN)信號,因此不能工作在 3-線制 SPI 接口。

SSN 的下降沿或者第一個 SCK 的上升沿將會復位 INTN 管腳(中斷管腳)狀態。

從最高位(MSB)開始傳輸,以最低位(LSB)結束。傳輸是以字節方式完成的。通過給 SSN 發送一個

LOW-HIGH-LOW 的電平,數據傳輸可以在每個字節后停止。

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4. 電源電壓

為了達到最佳測量效果,好的電源非常重要。電源應該具有高電容性和低電感性。MS1205N 提供

兩對電源供應端口:VCC - I/O 供電電壓 ,VDD - 內核供電電壓。

所有的 Ground 引腳都應該連接到印刷電路板的地層上。 VCC 和 VDD 應該通過一個電池或者固定

的線性電壓調節器給出。不要應用開關式的調節器,避免由于 IO 電壓引起的干擾。

時間數字轉換器能夠有好的測量效果,完全取決于好的電源供電。芯片測量主要是脈沖式的電

流,因此雙通濾波非常重要:VCC 47 μF(最小 22 μF),VDD 100 μF(最小 22 μF)。

電壓應該通過一個模擬的調節器給出,推薦不要使用開關式的電壓調節。

5. 操作碼及寄存器

5.1 配置寄存器

MS1205N 有 2×1 組 32 位的配置寄存器,分別對應 1#和 2#的寄存器設置。

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如有需求請聯系——三亞微科技 王子文(16620966594)

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6. 時間測量

6.1. 概述

非校準模式測量范圍,從 3.5ns 到 25μs(0-25μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

校準模式單精度測量范圍,從 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

校準模式雙精度測量范圍,從 3.5ns 到 4μs(0-4μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

單精度模式典型精度為 60ps,2 個 stop 通道相對于 start 通道。

雙精度模式典型精度為 30ps,僅 stop1 通道相對應 start 通道。

內置特殊防抖技術,使測量時間高度精準。

20ns 的脈沖之間最小間隔。

四個 stop 通道可同時采集,且每個 stop 通道最多 10 個脈沖。

每個 stop 通道可選擇上升或下降沿捕獲,或者選擇上升和下降沿同時捕獲。

自動測量 START 和 STOP 脈沖之間的時間間隔,無需再進行寄存器設置。

可任意設置溢出時間,從而減少高速測量時溢出時間等待。

在非校準模式下,可以任意測量比預期脈沖數少的脈沖。

典型應用: 激光測距、激光雷達、脈沖測量。

6.2. 高精度時間測量原理

數字式 TDC 運用內部的邏輯門延時來進行高精度的時間間隔的測量,下圖闡述了這種絕對時間

TDC 的測量原理結構。該電路結構確保電路通過特殊的測量方法,使信號通過邏輯門的時間可以非常

精確。最高的測量精度完全取決于內部通過邏輯門的傳播時間。

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時間測量是通過一個 start 信號觸發,經過內部防抖處理后,TDC 的門電路開始高速計數,直到

stop 信號產生記錄計數結果,達到 STOP 預期脈沖數后停止計數。

3.3V 和 25°C 時,MS1205N 的單精度最小分辨率是 60ps。溫度和電壓對門電路的傳播延時時間有

很大的影響。通常是通過校準來補償由溫度和電壓變化而引起的誤差。在校準過程中,TDC 測量 0.5

個和 1.5 個時鐘周期,相減后得一個時鐘周期的 TDC 計數結果,即為校準值。測量范圍受計數器大小

的限制,以下是非校準模式下的最大測量范圍:tyy = 60 ps x 442368 ≈ 25 μs。

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每一個輸入端均可以被單獨設置成上升沿、下降沿或上下沿同時觸發有效。可通過設置寄存器的

bit8-10 位(EG_START,NEG_STOP1,NEG_STOP2)和寄存器的 bit0-1 位(REFDGEx) 來選擇觸發沿。

時間測量結束后,MS1205N 會自動將各個脈沖的測量結果順序寫到相應的結果寄存器,無需再進

行寄存器操作設置。在計算結果的過程中,先計算 STOP1 通道的脈沖,然后計算 STOP2 通道的脈沖,

所以當使用單通道時,必須使用 STOP1。

6.3. 非校準時間測量

6.3.1 非校準時間測量概述

非校準時間測量,實際上就是應用數字式 TDC 內部的邏輯門延時來實現高精度時間測量,非校準

模式下的最大測量范圍是 3.5ns-25μs。單精度模式下,可以同時測量兩個 STOP 通道,且每個通道最多

可以測量 10 個 STOP 脈沖。雙精度模式下,僅可以使用 STOP1 通道。

非校準時間測量過程中,無需高速時鐘參與,所以可以通過寄存器設置來關閉高速時鐘

(START_CLKHS=0)。在該模式下,測量速度最快,結果寄存器直接輸出門延時個數。在非校準模式下,

結果寄存器有效位為 20 位,測量時間計算如下,該測量時間受溫度和電壓影響。

測量時間=RES_X × 60ps (DOUBLE_RES=0)

測量時間=RES_X × 30ps (DOUBLE_RES=1)

非校準模式下也可以實現時間測量和 CAL 值的同時測量,在該模式下,需要開啟高速時鐘

(START_CLKHS=1)和開啟自動校準(NO_CAL_AUTO=0),這樣就會在測量時間的同時,產生一個 Tref× N 周

期的門延時個數,然后將 CAL 值 RES_Tref 存在指定的結果寄存器中。測量時間如下計算,該測量時間

和溫度和電壓無關,僅和高速時鐘抖動有關。

測量時間=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1,2,4,8

非校準模式測量溢出,當溢出時間功能關閉(EN_SEL_TIMO=0)的情況下,溢出時間相當于 TDC 溢

出,也就是要 25μs 后產生溢出,并且狀態寄存器 Bit13=1(TDC 溢出);當溢出時間功能開啟

(EN_SEL_TIMO=1)的情況下,溢出時間由溢出時間選擇(SEL_TIMO)進行設置,溢出時間僅和高速時鐘相

關,不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響。例如,高速時鐘為 8MHz,SEL_TIMO=0 的情況下,溢出時間為

125ns,溢出時狀態寄存器 Bit14=1(時間溢出)。

非校準模式下,當測量脈沖個數小于預期脈沖個數時,可以正常輸出測量脈沖的值,雖然這時狀

態寄存器溢出,但測量到的脈沖的產生的結果是正確的,這種應用可以解決在測距過程中多個不定目

標的問題。

6.3.2 寄存器設置

主要的設置為:

(1)選擇測量預期脈沖個數

寄存器 bit 31-28 設置 STOP2 預期脈沖個數 HITIN2=0 或者 2-B;

寄存器 bit 27-24 設置 STOP1 預期脈沖個數 HITIN1=2-B,不能設置為 0;否則無法開啟測量。

(2)選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式,測量精度為典型 30ps,但僅有一個 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式,測量精度為典型 60ps,這時兩個 stop 通道都可用。

(3)校準選擇

在非校準模式下,校準將關閉,寄存器 bit 13 CALIBRATE=0;

(4)產生 CAL 值

在非校準模式下,可以選擇產生 CAL 值和不產生 CAL 值,寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時,產

生 CAL 值,NO_CAL_AUTO=1 時,不產生 CAL 值。

(5)溢出選擇

在非校準模式下,寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出時間關閉,這時,溢出時間為 TDC 溢出。當

EN_SEL_TIMO=1 時,開啟溢出時間,且溢出時間和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 設置有關。

(6)選擇輸入觸發方式

可通過設置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X),在每一個輸入端口(Start,Stop1,Stop2)選擇邊沿觸發方式。

RFEDGE=0 時,NEG_X=0 則上升沿觸發,NEG_X=1 則下降沿觸發。還可以通過設置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2),選擇 STOP 是由上升沿或下降沿單獨觸發(RFEDGE=0),還是上升沿和下

降沿同時觸發(RFEDGE=1)。當 RFEDGE=1 時,Bit 9-10 選擇無效。

(7)中斷

中斷引腳 INTN 可以有不同的中斷源,在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇,非校準模式選擇

bit 6 = 1 和 bit 5= 1;

Reg bit 4 = 1 ALU 已經準備好

Reg bit 5 = 1 預期脈沖個數全部被接收到

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出

6.3.3 測量流程

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wKgaomcXU0eAdwxDAAFE7fNu93Y602.png

6.4 校準時間測量

注:校準測量單精度最大測量范圍 16μs,雙精度最大測量范圍 4μs。

6.4.1 校準時間測量概述

在高速振蕩器開啟情況下進行校準時間測量,測量的門延時數量和 Tref 門延時數量通過 ALU 進行

計算并輸出到結果寄存器。輸出的結果為 24 位浮點數,高 8 位為整數位,低 16 位為小數位。校準模

式下的最大測量范圍是 3.5ns-16μs,單精度模式下,可以同時測量兩個 STOP 通道,且每個通道最多可

以測量 10 個 STOP 脈沖,雙精度模式下,僅可以使用 STOP1 通道。

校準時間測量過程中,需要開啟高速時鐘(START_CLKHS=1)和校準開啟(CALIBRATE=1)。當產生校準

值關閉(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1),結果寄存器輸出非校準值(可參考非校準部分介紹)。當產生校

準值開啟(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)時,結果寄存器輸出校準后的值 RES_X,測量時間如下計算,被

測時差不能超過 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

測量時間= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8;

在校準時間測量中,必須開啟溢出時間功能(EN_SEL_TIMO=1),溢出時間由溢出時間選擇

(SEL_TIMO)進行選擇,這里的時間僅和高速時鐘相關,不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響。例如,高速

時鐘為 8MHz,SEL_TIMO=0 的情況下,溢出時間為 250ns,這時狀態寄存器 Bit14=1(時間溢出)。

校準模式下,測量脈沖個數必須大于或者等于預期脈沖個數。當測量脈沖小于預期脈沖個數時,

ALU 不進行計算,這時,狀態寄存器 Bit14=1(時間溢出),且 EN_ERR_VAL=1 的情況下,結果寄存器

0 輸出全 F。

6.4.2 寄存器設置

主要的設置為:

(1)選擇測量預期脈沖個數

寄存器 bit 31-28 設置 STOP2 預期脈沖個數 HITIN2=0 或者 2-B;

寄存器 bit 27-24 設置 STOP1 預期脈沖個數 HITIN1=2-B,不能設置為 0,否則無法開啟測量。

(2)選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式,測量精度為典型 30ps,但僅有一個 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式,測量精度為典型 60ps,這時兩個 stop 通道都可用。

(3)校準選擇

在校準模式下,高速晶振和校準都必須開啟,寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19 START_CLKHS=1

(4)產生 CAL 值

在校準模式下,必須選擇產生 CAL 值,寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時,產生 CAL 值。

(5)溢出選擇

在校準模式下,必須開啟溢出,寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 開啟溢出時間,且溢出時間和寄存

器 bit 23-22 SEL_TIMO 設置有關。

(6)選擇輸入觸發方式

可通過設置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X),在每一個輸入端口(Start,Stop1,Stop2)選擇邊沿觸發方式。

當 RFEDGE = 0 時,NEG_X = 0 則上升沿觸發,NEG_X = 1 則下降沿觸發。還可以通過設置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2),可以選擇 STOP 下降沿單獨觸發(RFEDGE=0),還是上升沿和下降沿同時

觸發(RFEDGE=1)。當 RFEDGE=1 時,Bit 9-10 選擇無效。

(7)中斷

中斷引腳 INT 可以有不同的中斷源,在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇。由于 Reg bit 5=1 中

斷輸出最早,Reg bit 4=1 輸出最晚,用戶可以根據實際情況進行選擇。

Reg bit 4 = 1 ALU 已經準備好

Reg bit 5 = 1 預期脈沖個數全部被接收到

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出&TDC 溢出

(8)高速時鐘分頻

由于校準測量時間小于 2 ×Tref× DIV_CLKHS(Tref 只與外接高速晶振相關,如外接 4M,則 Tref =

250ns),所以如果需要增長測量時間,則需要設置高速時鐘分頻,在寄存器的 Bits20-21(DIV_CLKHS)

中進行設置,但 2 ×Tref× DIV_CLKHS 不能超出測量范圍的最大值 16μs。

6.4.3 測量流程

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典型應用圖

wKgZoWcXVDSACNndAADn6NAOVgk256.png

封裝外形圖

wKgaoWcXVEyAeqvTAABi4hsqSjw004.png

審核編輯 黃宇

——愛研究芯片的小王

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