Časově-digitální převodníky (TDC) jsou elektronické součástky, které přesně měří čas mezi počátečním impulsem a jedním nebo více odraženými impulsy. Jsou to v podstatě elektronické stopky s vynikající přesností. Výrazně tak zjednodušují ToF měření v široké řadě aplikací. Například v ultrazvukovém měřiči vzdálenosti je doba mezi vyslaným ultrazvukovým impulsem a jeho přijatým echem úměrná vzdálenosti mezi vysílačem a cílem.
Obrázek 1: Ultrazvukový měřič vzdálenosti měří čas mezi vyslaným impulzem (vlevo) a odrazem od cíle (vpravo), aby určil vzdálenost cíle. (Zdroj obrázku: Art Pini)
Vysílaný impuls se šíří k cíli, odráží se a je snímán převodníkem. V tomto příkladu trvá cesta tam a zpět 3,5 ms, takže ultrazvukový impuls je 1,75 ms od cíle. Při 22 °C je rychlost zvuku 344 m/s, takže vzdálenost je 0,00175 x 344 = 0,6 m. Radary, LiDARy a sonary také používají metodu ToF ( měření času mezi vyslaným impulzem a odraženým echem) k určení vzdálenosti. ToF se používá i pro měření průtoku kapaliny. Díky získaným datům lze určit nejen rychlost proudění tekutiny, ale i směr toku.
Zjednodušení funkce TDC – časově digitálního převodníku
Cílem je co nejvíce zjednodušit funkci TDC, aby se ušetřil čas vývoje a prostor na desce. K tomuto cíli nás dovedou vysoce integrované TDC jako je například TDC7201ZAXR od Texas Instruments (obrázek 2). Jedná se o duální integrovaný obvod TDC určený pro zjišťování vzdálenosti v automobilových aplikacích jako jsou pokročilé asistenční systémy řidiče (ADAS) využívající techniky ToF. TDC7201ZAXR nabízí dva režimy měření. Režim 1 pokrývá rozsah měření 12 až 2000 ns, zatímco režim 2 je schopen měřit v rozsahu od 250 ns do 8 ms. Časové rozlišení v obou režimech je 55 ps. Tento TDC používá externí hodiny, vnitřní ring oscilátor a příslušné hrubé čítače k měření ToF mezi společným počátečním impulsem a až šesti odraženými impulsy.
Obrázek 2: Funkční blokové schéma TDC7201ZAXR ukazuje duální TDC jádra používající nezávislé ring oscilátory, čítače, externí hodiny a hodinové čítače. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
TDC7201ZAXR je napájen z 2 až 3,6 V DC zdroje a interní low dropout regulátor poskytuje stabilní zdroj napětí pro časovou základnu TDC. Schmittovy klopné obvody upravují a tvarují vstupní signály start a stop. Ring oscilátor v každém TDC je primárním mechanismem měření času každého jádra TDC. Hrubý čítač je spojen s ring oscilátorem, zatímco externí hodiny řídí hodinový čítač. Externí hodiny musí být frekvenčně stabilní, protože přesnost časování TDC přímo závisí na přesnosti hodin. Externí hodiny jsou referencí pro kalibraci časové základny interního ring oscilátoru. Doporučená frekvence hodin se pohybuje od 8 do 16 MHz pro optimální přesnost časování. Režim 1 pro rozsah časování menší než 2000 ns využívá výstup ring oscilátoru a hrubého čítače (obrázek 3).
Obrázek 3: Režim 1 používá ring oscilátor výhradně k řízení hrubého čítače, a to poskytuje časové rozlišení 55 ps pro ToF menší než 2000 ns. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Perioda ring oscilátoru nastavuje rozlišení časování, a to jmenovitě 55 ps. To je dáno interní kalibrací vůči externím hodinám. ToF mezi spouštěcím impulsem a až šesti odraženými impulsy se ukládají do specifických míst registru. Režim 2 zvyšuje časový rozsah na 8 ms při zachování stejného nominálního časového rozlišení 55 ps (obrázek 4).
Obrázek 4: Režim 2 využívá hodinový čítač počítající periody externích hodin, a hrubý čítač počítající periody ring oscilátoru mezi počátečním impulsem a následujícími externími hodinami a mezi odraženým impulsem a následujícími externími hodinami. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Hrubý čítač slouží jako nonius (zařízení k jemnějšímu odečítání délek) měřící čas mezi počátečním impulsem a další hranou externích hodin. Měří také čas mezi odraženými impulsy a následujícími vnějšími hodinovými hranami. Tato kombinace poskytuje vynikající časové rozlišení hrubého čítače a zároveň rozšiřuje rozsah měření. TDC7201ZAXR je řízen pomocí SPI rozhraní, které rozlišuje mezi dvěma TDC pomocí SLK pinu pro výběr čipu. Výstupy naměřených časů a konfigurace TDC se provádí rovněž pomocí rozhraní SPI. K dispozici je vývojová deska TDC7201-ZAX-EVM, která umožňuje vyhodnotit provoz a výkon TDC7201 a má snadno použitelné grafické uživatelské rozhraní.
MAX35101EHJ+ od Analog Devices je TDC pro měřiče tepla a průtokoměry. Vyznačuje se časovým rozlišením 20 ps a maximálním rozsahem 8 ms. Obsahuje také kompletní analogový front-end (AFE) ve formě zesilovače a komparátoru. Kromě toho poskytuje vysoce přesné měření teploty, 8 Kbyte energeticky nezávislou paměť pro záznam dat a hodiny v reálném čase. Měřič vyzářeného tepla z radiátoru měří tepelnou energii stanovením rychlosti tekutiny v systému ohřevu teplé vody pomocí měření času ve směru proudění kapaliny i proti směru proudění kapaliny (obrázek 5).
Obrázek 5: Měřič vyzářeného tepla založený na měření ToF určuje rychlost vody skrz tělo cívky pomocí piezoelektrických měničů po směru proudění kapaliny i proti proudění kapaliny. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Měřič tepla měří tepelnou energii dodávanou radiátorem pomocí odporového teplotního detektoru (RTD), který měří vstupní a výstupní teplotu. Tělo cívky tvoří trubku o známém průměru, ve které proudí voda. Tělo cívky obsahuje piezoelektrické měniče, které MAX35101EHJ+ pulzuje ve směru proti proudu i po proudu. Rozdíl v měřeních ToF získáme rychlost proudění vody. Tyto informace v kombinaci se známým průměrem trubky lze použít k určení objemu průtoku. Tím máme všechny veličiny (teplotu na vstupu i na výstupu a množství objemu kapaliny proudící radiátorem) k vypočtení množství tepelné energie rozptýlené radiátorem. MAX35101EHJ+ je samostatný obvod, který je schopen provádět všechna výše uvedená měření.
Závěr
TDC je důležitým prvkem, který umožňuje vícenásobné měření času pro ToF aplikace. Tyto vysoce integrované obvody jsou k dispozici od Texas Instruments a Analog Devices a zjednodušují celý design ToF měření v široké škále aplikací.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
