基于皮秒级时间间隔测量的集成电路和系统解决方案----TDC

TDC原理 　　TDC是ACAM核心的超高精度的时间间隔测量产品，全数字化集成电路，采用标准CMOS工艺制造，对温度和电压的变化采用补偿方式，以便能同时满足高精度、高测量刷新率、低功耗和小体积等方面的要求。具体来讲，TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的，如下图1显示了这种测量绝对间隔时间TDC的主要框架。芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数，并且能保证每个门电路的延迟时间严格一致。芯片能获得的最高测量精度由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间tpd决定。 图1：TDC 核心测量单元 　　测量单元由 S 【基于皮秒级时间间隔测量的集成电路和系统解决方案——TDC】 TDC，全称为Time-to-Digital Converter，是一种用于精确测量两个事件之间时间间隔的集成电路。它在ACAM公司的产品线中扮演着核心角色，提供了超高的测量精度，同时兼顾了高速度、低功耗和小型化的设计。TDC通过利用信号在芯片内部门电路中的传播延迟来实现时间间隔的测量。这种测量方法的关键在于，TDC芯片采用智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方式，确保了信号通过每个门电路时的延迟时间保持一致。 TDC的工作原理大致如下：当START信号触发时，TDC开始计数；当STOP信号到来时，计数停止。通过计算START和STOP信号之间通过的门电路数量，可以得出两个事件之间的时间间隔。这个过程的精度受到芯片内门电路最短传播延迟时间tpd的限制。图1描绘了TDC核心测量单元的基本框架，其中START和STOP信号通过环形振荡器和粗略计数器（coarse counter）来确定时间间隔。 与传统的模拟测量方法，如模数转换（AD）相比，TDC的优势在于其高测量刷新率、出色的测量分辨率以及低功耗特性。此外，TDC的高集成性和灵活性使其在多种应用场景中具有广泛适用性。 ACAM公司已经推出了三款TDC产品： 1. TDC-GP1：作为第一代产品，分辨率为125ps或250ps，最大可测量时间间隔为200ms，具有电阻、电感、电容测量单元，适用于距离测量、超声波流量测量和密度测量等领域。 2. TDC-GP2：作为新一代通用TDC，拥有更高的分辨率（65ps）和更紧凑的封装，适用于成本敏感的应用，如超声波热表、超声波流量计、激光测距仪和激光扫描仪等。 3. TDC-GPX：功能最为强大的TDC，提供单次测量的高分辨率（10ps、27ps、41ps、81ps），并具备相应的测量范围。适用于对性能和精度要求极高的工业和科研应用，如飞行时间（TOF）光谱分析、TOF测量和生物医学技术等。 以TDC-GP2为例，它包含时间测量核心单元、数据处理单元（ALU）、温度测量单元（TU）和脉冲发生器等组件。在超声波热量计的设计中，TDC-GP2可以结合简单的微处理器、触发脉冲发生器和传感驱动接收器，无需额外的A/D转换器就能实现功能。例如，通过发送和接收超声波信号的时间差来计算流量，同时内置的温度测量功能可以监测环境温度，提供一体化的解决方案。 TDC作为皮秒级时间间隔测量的集成电路，凭借其卓越的性能指标和广泛的适应性，已成为许多高精度测量应用中的关键技术，尤其是在超声波、光学、热力学等领域的测量和控制中发挥着重要作用。