激光测距用高精度时间测量(TDC)电路MS1005参数

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MS1005描述

MS1005 是一款高精度时间测量(TDC)电路，对比 MS1002 具有更高的精度和更小的封装，适合于高精度小封装的应用领域。

MS1005 具有双通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI 通讯、多种测量模式，适合于激光雷达和激光测距。

主要特点

 双通道单精度模式 60ps

 单通道双精度模式 30ps

 非校准测量范围 3.5ns(0ns)至 25μs

 单精度校准测量范围 3.5ns(0ns)至 16μs

 双精度校准测量范围 3.5ns(0ns)至 4μs

 20ns 最小脉冲间隔，双通道最多可接收 20 个脉冲

 4 线 SPI 通信接口

 工作电压 2.5V 至 3.6V

 工作温度-40°C 至+125°C

 QFN20 封装

应用

 激光雷达

 激光测距

 脉冲测量

封装图

管脚图

管脚说明图

内部框图

电气参数

功能描述

1. SPI接口

MS1005 的 SPI 接口是与 4 线制 SPI 兼容的，它需要一个 SerialSelectNot(SSN)信号，从而不能够工作在 3-线制 SPI 接口。

第一个 SCK 的上升沿将会复位 INTN 管脚(中断管脚)状态。

从最高位(MSB)开始传输以最低位(LSB)结束。传输是以字节方式完成的。数据传输可以在每个字节后停止，通过给 SSN 发送一个 LOW-HIGH-LOW 的电平。

电源电压

为了达到最佳测量效果,好的电源非常重要。电源应该具有高电容性和低电感性。MS1005 提供两对电源供应端口：VCC - I/O 供电电压 ，VDD - 内核供电电压。

所有的 Ground 引脚都应该连接到印刷电路板的地层上。 VCC 和 VDD 应该通过一个电池或者固定的线性电压调节器给出。不要应用开关式的调节器,避免由于 IO 电压引起的干扰。

时间数字转换器能够有好的测量效果，完全取决于好的电源供电。芯片测量主要是脉冲式的电流，因此一个充足的双通滤波非常重要：VCC 47 µF（最小 22 µF），VDD 100 µF（最小 22 µF）。

电压应用通过一个模拟的调节器给出，我们推荐不要使用开关式的电压调节。

时间测量

概述

非校准模式测量范围从 3.5ns 到 25us（0-25us 在两个 stop 通道之间测量）。

校准模式单精度测量范围从 3.5ns 到 16us（0-16us 在两个 stop 通道之间测量）。

校准模式双精度测量范围从 3.5ns 到 4us（0-4us 在两个 stop 通道之间测量）。

单精度模式典型精度为 60 ps，2 个 stop 通道相对于 start 通道。

双精度模式典型精度为 30ps，仅 stop1 通道相对应 start 通道。

内置特殊防抖技术，使测量时间高度精准。

20ns 的脉冲之间最小间隔。

两个 stop 通道可同时采集，且每个 stop 通道最多 10 个脉冲。

每个 stop 通道可选择上升或下降沿捕获，或者选择上升和下降沿同时捕获。

自动测量 START 和 STOP 脉冲之间的时间间隔，无需再进行寄存器设置。

可任意设置溢出时间，从而减少高速测量时溢出时间等待。

在非校准模式下，可以任意测量比预期脉冲数少的脉冲。

典型应用: 激光测距、激光雷达、高精度延时测量。

高精度时间测量原理

数字式 TDC 应用内部的逻辑门延时来高精度测量时间间隔，下图阐述了这种绝对时间 TDC 的测量原理结构。该电路结构确保电路以特殊的测量方法，使信号通过逻辑门的时间可以非常精确。最高的测量精度完全取决于内部通过逻辑门的传播时间。

时间测量是通过一个 start 信号触发,通过内部防抖处理后，TDC 的门电路开始高速计数，直到 stop信号产生记录计数结果，达到 STOP 预期脉冲数后停止计数。

3.3V 和 25°C 时，MS1005 的单精度最小分辨率是 60ps。温度和电压对门电路的传播延时时间有很大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。在校准过程中，TDC 测量 0.5 个和 1.5 个时钟周期，相减后得一个时钟周期的 TDC 计数结果，即为校准值。测量范围受计数器大小的限制，以下是非校准模式下最大测量范围：tyy = 60 ps x 442368 ≈ 25 µs。

每一个输入端均可以被单独设置成上升沿、下降沿或上下沿同时触发有效。可通过设置寄存器的bit8-10 位(EG_START，NEG_STOP1,NEG_STOP2)和寄存器的 bit0-1 位(REFDGEx) 来选择触发沿。

时间测量结束后，MS1005 会自动将各个脉冲的测量结果顺序写到相应的结果寄存器，无需再进行寄存器操作设置，在计算结果的过程中先计算 STOP1 通道的脉冲，然后计算 STOP2 通道的脉冲，所以当使用单通道时，必须使用 STOP1。

寄存器设置

主要的设置为：

（1）选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

（2）选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 30ps，但仅有一个 stop 通道可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 60ps，这时两个 stop 通道都可用。

（3）校准选择

在非校准模式下，校准将关闭，寄存器 bit 13 CALIBRATE=0；

（4）产生 CAL 值

在非校准模式下，可以选择产生 CAL 值和不产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产生 CAL 值，NO_CAL_AUTO=1 时，不产生 CAL 值。

（5）溢出选择

在非校准模式下，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出时间关闭，这时溢出时间为 TDC 溢出，当EN_SEL_TIMO=1 时开启溢出时间，且溢出时间和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

（6）选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当RFEDGE=0 时 ，NEG_X=0 则 上升 沿 触发 ， NEG_X=1 则 下降 沿 发。 还 可 以通 过 设置 寄 存器 的Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2)，选择 STOP 由上升沿或下降沿单独触发(RFEDGE=0)，还是上升沿和下降沿同时触发(RFEDGE=1)，当 RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

（7）中断

中断引脚 INTN 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择，非校准模式选择

bit 6 = 1 和 bit 5= 1；

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出

测量流程

6.4 校准时间测量

注：校准测量单精度最大测量范围 16us，双精度最大测量范围 4us。

6.4.1 校准时间测量概述

校准时间测量，在高速振荡器开启情况下进行测量，测量的门延时数量和 Tref 门延时数量通过ALU 进行计算并输出到结果寄存器。输出的结果为 24 位浮点数，高 8 位为整数位，低 16 位为小数位。校准模式下最大测量范围是 3.5NS-16US，单精度模式下，可以两个 STOP 通道同时测量，且每个通道最多可以测量 10 个 STOP 脉冲，双精度模式下，仅 STOP1 通道可以使用。

校准时间测量过程中，需要开启高速时钟(START_CLKHS=1)和校准开启(CALIBRATE=1)，当产生校准值关闭(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)结果寄存器输出非校准值（可参考非校准部分介绍），当产生校准值开启(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)时，结果寄存器输出校准后的值 RES_X，测量时间如下计算，被测时差不能超过 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

测量时间= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8；

在校准时间测量中，必须开启溢出时间功能(EN_SEL_TIMO=1)，溢出时间由溢出时间选择(SEL_TIMO)进行选择溢出时间，这里的时间仅和高速时钟相关，不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响，例如高速时钟为 8MHz，SEL_TIMO=0 的情况下，溢出时间为 250NS，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出)。

校准模式下，测量脉冲个数必须大于或者等于预期脉冲个数，当测量脉冲小于预期脉冲个数时，ALU 不进行计算，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出）。且 EN_ERR_VAL=1 的情况下，结果寄存器 0输出全 F。

6.4.2 寄存器设置

主要的设置为：

（1）选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

（2）选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 30ps，但仅有一个 stop 通道可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 60ps，这时两个 stop 通道都可用。

（3）校准选择

在校准模式下，高速晶振和校准都必须开启，寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19 START_CLKHS=1

（4）产生 CAL 值

在校准模式下，必须选择产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产生 CAL 值。

（5）溢出选择

在校准模式下，必须开启溢出，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 开启溢出时间，且溢出时间和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

（6）选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当RFEDGE = 0 时，NEG_X = 0 则上升沿触发，NEG_X = 1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2),可以选择 STOP 下降沿单独触发(RFEDGE=0)，还是上升沿和下降沿同时触发(RFEDGE=1)，当 RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

（7）中断

中断引脚 INT 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择，由于 Reg bit 5=1 中断输出最早，Reg bit 4=1 输出最晚，用户可以根据实际情况进行选择。

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出&TDC 溢出

（8）高速时钟分频

由于校准测量时间小于 2 ×Tref× DIV_CLKHS（Tref 只与外接高速晶振相关，如外接 4M，则 Tref =250ns），所以需要测量时间增长的话，需要设置高速时钟分频，在寄存器的 Bits20-21(DIV_CLKHS)中进行设置，但 2 ×Tref× DIV_CLKHS 不能超出测量范围最大值 16US。

典型应用图