整合式時間數位轉換器能簡化飛時測距設計

時間數位轉換器 (TDC) 是一種電子裝置，可精準測量從起始脈衝到一或多個停止脈衝之間的時間。其中整合了電子碼錶的所有必要功能，因此可大幅簡化許多應用的飛時測距 (ToF) 量測作業。這些功能是測距的關鍵要素。

以超音波測距儀為例，發射的超音波脈衝與目標接收到的回波 (圖 1) 之間的時間，與發射器和目標之間的距離成正比。

圖 1：超音波測距儀會測量發射的突發 (左) 與目標的反射 (右) 之間的時間，藉此判定兩者之間的距離。(圖片來源：Art Pini)

發射的脈衝會傳播至目標再反射，然後在回程途中，由傳感器進行感測。在此範例中，往返共耗時 3.5 ms，因此超音波脈衝傳到目標的時間為 1.75 ms。在 22°C 下，音速為 344 m/s，因此兩者之間的距離為 0.00175 x 344 = 0.6 m。

其他使用測距的類似應用 (例如雷達、光達 (LiDAR)、聲納)，也是利用發射脈衝和反射回波的 ToF 來判定與目標間的距離。隨著測距裝置增加，這種做法在汽車業越來越普遍。流速的測量也需要 ToF 計算，會在上下游傳感器之間進行測量，以判定流體速度

簡化 TDC 功能

設計人員的目標是盡可能簡化 TDC 功能，以節省時間和空間。為此，有許多高度整合的 TDC 可供選擇。例如，Texas Instruments 的 TDC7201ZAXR (圖 2) 就是一款雙通道 TDC 積體電路 (IC)，專門用於汽車應用的測距，例如採用 ToF 技術的先進駕駛輔助系統 (ADAS)。TDC7201ZAXR 具有兩種量測模式：模式 1 涵蓋 12 ns 至 2000 ns，模式 2 則涵蓋 250 ns 至 8 ms。兩種模式的時間解析度均為 55 ps。這款 TDC 利用外部供應的時脈、內部環形振盪器和各自的計數器，來測量共同起始脈衝和停止脈衝 (最多達六道) 之間的 ToF。

圖 2：TDC7201ZAXR 的功能方塊圖顯示採用獨立環形振盪器、粗略計數器、外部時脈和時脈計數器的雙通道 TDC 核心。(圖片來源：Texas Instruments)

TDC7201ZAXR 由 2 至 3.6 VDC 電源供電。內部有低壓降穩壓器，能為 TDC 時基提供穩定的電源。史密特觸發式比較器，能調節並形成輸入的起始與停止訊號。每個 TDC 中有環形振盪器，是各個 TDC 核心的主要時間量測機制。粗略計數器與環形振盪器有關，而外部時脈則可驅動時脈計數器。外部時脈源必須是穩定的頻率來源，因為時脈準確度會直接影響 TDC 的計時準確度。外部時脈是對以內部環形振盪器為基礎的時基進行校準時的參考。為了達到最佳計時準確度，建議的時脈頻率範圍介於 8 至 16 MHz。

深入細究 TDC 的操作模式，有助於瞭解其運作原理。模式 1 (適用於 2000 ns 以下的計時範圍)，採用環形振盪器輸出和粗略計數器 (圖 3)。

圖 3：模式 1 僅使用環形振盪器來驅動粗略計數器，可針對 2000 ns 以下的 ToF 達到 55 ps 的計時解析度。(圖片來源：Texas Instruments)

計時解析度由環形振盪器週期設定，標稱值為 55 ps，且會根據外部時脈進行內部校準來精準判定。起始脈衝和停止脈衝之間的 ToF 會儲存於特定的暫存器位置 (停止脈衝最多可達六道)。

模式 2 會將時間範圍拉長至 8 ms，但時間解析度的標稱值仍維持在 55 ps (圖 4)。

圖 4：模式 2 會利用時脈計數器來計算外部時脈週期數，並利用粗略計數器來計算起始脈衝和後續外部時脈之間的環形振盪器週期數，以及停止脈衝和後續外部時脈之間的環形振盪器週期數。(圖片來源：Texas Instruments)

粗略計數器可當作游標尺，用於測量起始脈衝和後續外部時脈邊緣之間的時間，以及停止脈衝和後續外部時脈邊緣之間的時間。這個組合不僅能達到粗略計數器的時間解析度，同時還可擴大量測範圍。

TDC7201ZAXR 可透過序列周邊裝置介面 (SPI) 進行控制，且此介面會使用晶片選擇線路來區分兩個 TDC。測量時間輸出和裝置配置，也是利用此 SPI 介面完成。

若想試試這款 TDC，可從 TDC7201-ZAX-EVM 評估板入手。此評估板能讓您評估 TDC7201 的操作和效能，且具備容易使用的圖形使用者介面 (GUI)。

Analog Devices 的 MAX35101EHJ+ 是一款適用於熱量計和流量計應用的 TDC。此裝置的時間解析度為 20 ps，最大範圍為 8 ms；更具有以放大器和比較器形式呈現的完整類比前端 (AFE)。此外，此裝置還提供高度準確的溫度量測結果、用於資料記錄的 8 Kbyte 非揮發性記憶體，以及即時時脈。

熱量計可測量熱能，會利用上下游方向的 ToF 量測結果，來判定熱水加熱系統中的流體速度 (圖 5)。

圖 5：以 ToF 量測為基礎的熱量計，會利用上下游壓電傳感器來判定流經閥軸體的水流速度。(圖片來源：Analog Devices)

熱量計可測量經由散熱器輸送的熱能。利用電阻溫度偵測器 (RTD) 來測量入口和出口的溫度。閥軸體能確保水流經某個已知直徑的開口。閥軸體中含有壓電傳感器，MAX35101EHJ+ 會朝上游和下游方向產生脈衝。ToF 量測的差值即可提供水流速度。以此資訊搭配已知的開口面積，就可用來判定流量。再搭配溫降，就能計算出散熱器耗散的熱能量。MAX35101EHJ+ 屬於自足式裝置，可執行所有必要的量測。

結論

TDC 屬於關鍵元件，可在汽車、工業和研究應用中促成眾多 ToF 量測。Texas Instruments 和 Analog Devices 皆有提供許多高度整合且功能強大的裝置，有助於簡化設計流程。另外還提供評估板，可確保裝置符合您的應用條件。