基于TDC芯片的窄脉宽测量系统设计

基于 TDC芯片的窄脉宽测量系统设计 张 　 , 刘 　波 , 刘国福 (国防科技大学机电工程与自动化学院 , 湖南省长沙市 410073) 【摘 　要 】　通过介绍一个基于 TDC (时间 2数字转换器 )芯片的高精度窄脉宽发生、测量和自校准 电路 ,提出一种新的窄脉宽测量。文中论述了电路自校准原理。系统分为分频模块、延时模块、 数字选择模块和显示模块 4部分 ,实现过程简单 ,电路精度可调 ,最高精度为 125 p s,功耗极低。 关键词 : TDC, 窄脉宽测量系统 , 自校准 , 分频 中图分类号 : TM935. 41 收稿日期 : 2005203211; 修回日期 : 2005205217。 0　引 　言 随机等效时间采样技术在宽频带雷达、逻辑 仪、数字存储示波器等现代测试仪器领域有广泛应用 , 实现随机采样技术的关键在于窄脉宽产生和测量电路 的精度和分辨率。随着仪器领域的迅猛发展和人们对 高精度测量仪器日益增长的需求 ,窄脉宽发生和测量 电路的精度已成为一项引人瞩目的科研攻关难题。 目前 ,国内外流行的窄脉宽发生和测量方法有精 密内插器法、精密数字移相法、采用高频率晶振的 DSP 或单片机法测量等。其中数精密内插器法最为普遍 , 技术也最成熟 ,采用国外先进的技术制作的窄脉 宽发生和测量电路精度可达纳秒级。后两种方法目前 尚未进入工业领域 ,仅供科研之用。 用 TDC (时间 2数字转换器 ) 2GP1芯片法实现的电 路其最大的优势是 :精度高 ,调试简单 ,功耗低。单通 道测量精度 125 p s,双通道测量精度 250 p s;每个通道 可支持连续的 4次脉冲输入 ,因此 ,该方法能够连续进 行多次 (最多 4次 ,若选择队列模式最多可连续进行 8 次 )测量 ;用该芯片测量功耗低 , 用电池即可驱动。 1　系统的总体设计 50 MHz有源晶振发出矩形波信号 ,分两路进入 TDC2GP1芯片 :一路经 1 000次分频电路 ,然后使经延 时后的分频信号与未经延时后的分频信号进入数字选 择电路进行选择 (由软件控制 ) ,送入 TDC芯片 STOP2 输入端 ;另一路直接进入芯片 STOP1输入端。系统原 理框图如图 1所示。 通过 89ATC51单片机对 TDC2GP1芯片设置工作 通道、工作模式 ,使两路信号分别进入芯片的两个通 道 ,芯片内部对两信号进入通道的第 1个上升沿进行 减法运算 ,得到一个大小为 0～20 ns的窄脉宽 ,软件 控制芯片按特定的精度要求测量此窄脉宽的大小 ,随 后由单片机读出 ,并进行显示。 图 1　原理框图 　 此电路具有自校准功能 ,通过延时电路部分外接 电阻的调整 ,从而可调节延迟时间 ,并进而改变进入 TDC2GP1芯片的两路信号的相对时间差 ,即改变了窄 脉宽的大小。延迟时间为 : tw = ln 2 ×Cext Rext ≈ 0. 69Cext Rext 　　若知道外接电阻和外接电容值 ,则可得到窄脉宽 的理论值。将理论值与实测结果进行对比 ,便可校准 测量结果。 2　系统硬件构成 2. 1　TDC2GP1芯片简介 TDC2GP1芯片是一种通用型双通道时间 2数字转 换芯片 ,由 ACAM公司生产 ,最大量程 200 m s,精度为 125 p s。芯片支持两个工作量程 ,多种工作模式 ,工作 方式灵活。不仅可精确测量时间 、相位、频率等物理 量 ,还可对静态敏感元件电阻、电容、电感等量进行测 量 ,精度高 ,耗能少。可用于测距、测高、流量测量、电 磁定位、激光技术和高能物理等领域 ,用途广泛。 主要技术特性如下 : a) 双通道测量 ,精度 250 p s,单通道测量 ,精度达 125 p s; b) 每个通道默认 4次脉冲输入 ,若选择队列模 式 ,脉冲支持的脉冲输入数加倍 ; c) 两通道精度完全相等 ; ·1· 第 31卷第 7期 2005年 7月 　　　　　　　　　　　　　　 电 子 工 程 师 　ELECTRON IC ENGINEER　　　　　　　　　 　　　　　　　 Vol. 31 No. 7 　Jul. 2005 　　d) 具有可重触发能力 ; e) 有两个量程 : 3 ns ～7. 6μs; 60 ns～200 m s; f) 选择精度可调模式 ,芯片测量精度可通过程序 设定 ; g) 具有 4个端口 ,可进行电阻、电容和电感的精 确测量 ; h) 内置 16位算术逻辑单元 ,可对测量结果进行 校准并数乘一个 24位的整数 ; i) 算术逻辑单元的校准时间独立于外部时钟 ,校 准并数乘 ,整个过程需要大约 4μs; j) 内部可存储 4个校准数据或 8个未校准数据 ; k) 校准和控制时钟 500 kHz～35 MHz; l) 采用真空、便于掌握的 442TQFP封装 ; m) 环境工作环境温度为 - 40 ℃～85 ℃; n) 功耗极低 ,用电池即可驱动。 系统原理简图如图 2所示。 图 2　系统原理简图 　2. 2　分频电路 实现 1 000次分频 ,电路采用 4位十进制 74160 系列芯片。鉴于芯片对输入 50 MHz晶振的可辨识 性 ,选用了 74HC160芯片。芯片间采取串行进位方式 的连接方法。2片 74HC160的 EP和 ET恒为 1,都工 作在计数状态。第 1片每计数到 9时 C端输出变为高 电平 ,经反相器后使第 2片的 CP端为低电平。下一 个计数输入脉冲到达后 ,第 1片计为 0状态 , C端跳回 低电平 ,经反相后使第 2片的输入端产生一个正跳变 , 于是第 2片计入 1。第 3片接法同前 2片。 2. 3　延时电路 延时电路实现有两种途径 :一种是移相 ,另一种是 延时。电路中采用延时的方法 ,使用 TTL集成单稳态 触发器 74LS221实现 ,该芯片不可重触发。 芯片外接电阻 Rext初值为 2 kΩ ,并且制作电路板 时留出两根引线 ,通过引线可接入任意大小的电阻 ,由 于电路参数的要求 ,限定最大为 100 kΩ。外接电容 Cext为 20 pF ,延迟时间一般为 28 ns。调节滑动变阻 器 ,电阻值为 2. 0 kΩ～3. 85 kΩ变化 ,又知 : ΔtW = ln 2 ×CextΔRext ≈ 25. 9 ( ns) 　　由此可知 ,通过调节电阻可使信号延迟时间最大 为 25. 9 ns,此时间大于两路频率为 50 MHz信号比较 可产生的最大窄脉宽大小 20 ns,所以自校准量程控制 为 0 ns～20. 0 ns。 2. 4　数据选择电路 用单片机控制 74LS153的数据选择端口。引脚 1A恒置 1、1B置 0时 ,分频后经延时的信号被选中 ,进 入 TDC2GP1芯片 ;当 1B置 1时 ,分频后未经延时的信 号被选中进入芯片。 此部分电路是自校准功能不可缺少的电路。电路 运行开始 ,可以令分频后未经延时的信号被选中进入 芯片 ,产生并测量窄脉宽 ,记录结果为 Ⅰ。其后 ,置滑 动变阻器阻值为 0,令分频后经延时的信号被选中 ,送 入芯片得到结果 Ⅱ。结果 Ⅰ为分频电路所附加的响应 时间 ,记为 t1 (标定值 ) ;结果 Ⅱ为分频电路和延时电 路所附加的响应时间 ,记为 t2 (标定值 )。由此 ,可以 推知延时电路所附加响应时间的近似理论值 t (单位 ns)为 : t = t2 - t1。 整个电路测量后的近似理论值 T: (单位 ns)为 : T = ( t2 + tW ) - 20 ( t2 + tW ) 20 2. 5　显示电路 采用 74LS273锁存 51单片机 P0口输出的测量结 果 , P2. 6引脚选通位码 , P2. 5引脚选通段码 ,位码由 反相器 74LS04驱动 ,段码用 74LS07驱动 ,接上拉电 阻 ,阻值 470Ω。 3　系统软件设计 对 51单片机编程应完成的任务是 :数据选择端口 的设置 ; TDC2GP1芯片工作通道、工作模式的设定 ;测 量结果的读出 ;所得数据的 BCD化 ;测量数据的显示。 图 2中 P1. 3与 1A口相连 , P1. 4与 1B口相连 ,因 而 ,程序初始化 TDC2GP1芯片完毕后的数据选择端口 的设置 ,只须将 P1. 3置 1, P1. 4置 0。 实现对 TDC2GP1芯片的控制需要进行一系列写 操作。置 TDC芯片于写工作状态 ,通过赋值控制寄存 器 7屏蔽所有的 STOP输入信号 ;接着 ,写控制寄存器 11,初始化 TDC和 ALU;然后 ,指针指向控制寄存器 0, 使芯片工作于量程 1,自校准模式 ,兼具数乘功能 ,此 时写控制寄存器 1,实现芯片精度可调 ,即工作于精度 可调模式 ;再写控制寄存器 2,令通道 2第 1个脉冲上 升沿与通道 1第 1个脉冲上升沿作差 ;最后 ,通过写控 制寄存器 7,取消两个通道对 STOP输入信号的屏蔽。 (下转第 4页 ) ·2· ·测控技术 · 电 子 工 程 师 2005年 7月 平 ,控制可控硅导通 ,换气扇工作 ;反之 , P2. 7为低电 平 ,使换气扇停止。 3　软件设计 软件主程序图如图 2所示。 图 2　软件主程序流程 　 计算 Px 值是测控系统的关键问题 ,根据式 ( 1)进 行 Px 值的计算 ,计算结果包括整数和小数两部分。由 于 Px 值的整数部分可用 5位二进制表示 ,小数部分可 用 11位二进制表示 ,所以存储 Px 需要 2个字节 ,整数 部分放在高地址字节的高 5位 ,小数部分放在高地址 字节的低 3位和低地址字节中。另外 ,为了能在 LED 显示器上显示氧气浓度和温度 ,必须把二进制数转换 成十进制数。 对于氧气浓度的调节 ,程序中包括设定氧气浓度 值、测定值与设定值的比较、可控硅的控制等。 显示温度和氧气浓度时 ,显示子程序先把要显示 的数据送到显示缓冲区 ,再送至显示接口由 LED显示 器显示出来 ,程序比较简单。 4　结束语 本文介绍了室内氧气浓度测控系统的工作原理、 软硬件设计。本装置对于改善人们的生活质量将起到 一定的作用。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 张安康 ,谭锡林. 电子工程师技术手册. 南京 :江苏科学技 术出版社 , 1993 [ 2 ]陈光东. 单片微型计算机原理与接口技术. 武汉 :华中理工 大学出版社 , 1998 [ 3 ] 徐兴康. 微处理机可控硅触发系统. 电气自动化 , 1981, (3) (上接第 2页 ) 　　读测量结果 ,电路中是令单片机查询 TDC2GP1芯 片的中断输出引脚 ,当芯片发出中断 ,程序即进入中断 服务程序。置 TDC芯片于读工作状态 ,单片机访问结 果寄存器 ,即读得结果。然后进行 BCD操作 ,送入数 据锁存器反相器 ,运用 LED显示。 4　结束语 本系统性能稳定 ,精度高 ,不掉电能够连续测量 , 节能 ,可用于科研高精度试验、工业中高精度仪器仪表 的开发等诸多领域。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 沈兰荪. 高速数据采集系统的原理与应用. 北京 :人民邮 电出版社 , 1995 [ 2 ] 王大衍. 现代仪器仪表技术与设计. 北京 :科学出版社 , 2002 [ 3 ] 张锡纯 , 常凤娥 , 张铁华. 电子示波器及其应用. 北京 :机 械工业出版社 , 1997 Design of Narrow Pulse M easur ing System Based on TDC Zhang Q i, L iu Bo, L iu Guofu (National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) 【Abstract】　 In this paper, a new method of the narrow pulse measurement is brought forward by means of introducing a high p recise circuit of the narrow pulse’s generation, measurement and self2calibration based on TDC. The p rincip le of the circuit’s self2calibration is shown, and an analysis is made in the paper. The system consists of four modules, including frequency demultip lication, delay, digital selection and disp lay. The resolution of the circuit can be adjusted, and can reach 125 p s. The power consump tion of the circuit which can be realized easily is extremely low. Keywords: TDC, narrow pulse2width, self2calibration, frequency demultip lication ·4· ·测控技术 · 电 子 工 程 师 2005年 7月