德国acam公司时间数字转换技术及应用介绍

　　背景

　　时间是我们熟悉的最基本的物理尺度，越来越多的领域以高精度的时间测量为基础。这些领域包括工业、汽车、医学和科研所要求的时间测量分辨率通常小于1ns，在很多甚至只有几个皮秒，他们往往要求具有高精度、小体积、低成本和商业化等综合因素的经济型解决方案。

　　一个标准计数器如果要达到几个皮秒的分辨率，则需要几百GHz的频率时钟，这对于一个普通的系统来说，几乎是不可能的!成立于德国的acam公司，则以另一种方式，开发出基于皮秒级时间间隔测量的集成电路和系统解决方案----TDC(Timer Digital Converter)，即时间数字转换器。这些芯片把时间间隔直接转化为高精度的数字值。它与位于前端传感器和数字处理器之间的数模转换器非常相似。但是 TDC 仅指高精度的时间测量工具。通常 TDC 是用在分辨率小于1ns 的转换器上的。

　　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。

　　测量单元由 START 信号触发，接收到 STOP 信号停止。通过START和STOP之间通过的门电路的个数来获得START和STOP信号之间的时间间隔。如上图由START通过环形振荡器到达的位置和coarse counter的计数值即计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。下图2中tss即为测量的时间间隔。

　　与模拟测量方法如AD方式相比，TDC主要优势在于高测量刷新率，优秀的测量分辨率和极低功耗，以及可用性、灵活性、可用电路的高集成性等等，是一种使很多用户都能方便使用的芯片。