Integrierte Zeitdigitalisierer vereinfachen Laufzeit-Entfernungsmesssysteme

Zeitdigitalisierer (TDCs) sind elektronische Komponenten, die die Zeit zwischen einem Startimpuls und einem oder mehreren Stoppimpulsen genau messen. Sie vereinfachen Laufzeitmessungen (ToF) in einer Vielzahl von Anwendungen, indem sie alle notwendigen Funktionen einer elektronischen Stoppuhr integrieren. Diese Funktionen sind für die Entfernungsmessung von grundlegender Bedeutung.

Bei einem Ultraschall-Entfernungsmesser zum Beispiel ist die Zeit zwischen einem gesendeten Ultraschallimpuls und dem von einem Ziel empfangenen Echo (Abbildung 1) proportional zur Entfernung zwischen Sender und Ziel.

Abbildung 1: Ein Ultraschall-Entfernungsmesser misst die Zeit zwischen einem gesendeten Burst (links) und dem Empfang des am Ziel reflektierten Signals (rechts), um die Entfernung zwischen ihnen zu bestimmen. (Bildquelle: Art Pini)

Ein ausgesendeter Impuls breitet sich zum Ziel aus, wird reflektiert und auf dem Rückweg vom Messwertaufnehmer erfasst. In diesem Beispiel dauert der Hin- und Rückweg 3,5 Millisekunden (ms), so dass der Ultraschallimpuls 1,75 ms vom Ziel entfernt ist. Bei 22 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit 344 Meter pro Sekunde (m/s), also beträgt die Entfernung 0,00175 s x 344 m/s = 0,6 m.

Ähnliche Anwendungen wie Radar, LiDAR (Light Detection and Ranging) und Sonar verwenden ebenfalls ToF zwischen einem gesendeten Impuls und einem reflektierten Echo, um die Entfernung zu einem Ziel zu bestimmen. Dies wird in der Automobilindustrie mit der zunehmenden Verbreitung von Messgeräten immer häufiger der Fall sein. ToF-Berechnungen sind auch bei Durchflussmessungen zwischen Messwertgebern in Stromauf- und Stromabwärtsrichtung erforderlich, um die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu bestimmen

Vereinfachung der TDC-Funktion

Es wird versucht, die TDC-Funktion so weit wie möglich zu vereinfachen, um Zeit und Platz zu sparen. Zu diesem Zweck sind inzwischen hochintegrierte TDCs verfügbar. Der TDC7201ZAXR von Texas Instruments (Abbildung 2) beispielsweise ist ein integrierter Schaltkreis (IC) mit zwei TDCs, der für die Entfernungsmessung in Automobilanwendungen wie fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) unter Verwendung von ToF-Techniken vorgesehen ist. Der TDC7201ZAXR verfügt über zwei Messmodi: Modus 1 deckt 12 bis 2000 Nanosekunden (ns) ab, während Modus 2 von 250 ns bis 8 Millisekunden (ms) reicht. Die Zeitauflösung beträgt in beiden Modi 55 Pikosekunden (ps). Dieser TDC verwendet einen extern gelieferten Takt, einen internen Ringoszillator und die entsprechenden Zähler, um ToF zwischen einem gemeinsamen Startimpuls und bis zu sechs Stoppimpulsen zu messen.

Abbildung 2: Das funktionale Blockdiagramm des TDC7201ZAXR zeigt die zwei TDC-Kerne mit unabhängigen Ringoszillatoren, Grobzählern, externen Taktgebern und Taktzählern. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der TDC7201ZAXR wird von einer Quelle mit 2 bis 3,6 Volt DC (VDC) gespeist. Intern sorgt ein Low-Dropout-Regler (Regler mit geringem Spannungseinbruch) für eine stabile Stromquelle für die TDC-Zeitbasis. Schmitt-getriggerte Komparatoren konditionieren und formen die Eingangsstart- und -stoppsignale. Der Ringoszillator in jedem TDC ist der primäre Zeitmessungsmechanismus des jeweiligen TDC-Kerns. Der Grobzähler ist mit dem Ringoszillator verbunden, während der externe Takt den Taktzähler antreibt. Der externe Taktgeber muss eine frequenzstabile Quelle sein, da die Zeitgenauigkeit des TDC direkt von der Taktgenauigkeit abhängt. Der externe Taktgeber dient als Referenz für die Kalibrierung der internen ringoszillatorbasierten Zeitbasis. Die empfohlene Taktfrequenz liegt zwischen 8 und 16 Megahertz (MHz) für eine optimale Timing-Genauigkeit.

Die Untersuchung der TDC-Betriebsarten hilft uns zu verstehen, wie sie funktioniert. Modus 1, für einen Zeitbereich von weniger als 2000 ns, verwendet den Ringoszillatorausgang und den Grobzähler (Abbildung 3).

Abbildung 3: In Modus 1 wird ausschließlich der Ringoszillator zur Ansteuerung des Grobzählers verwendet, was eine Zeitauflösung von 55 ps für ToFs von weniger als 2000 ns ergibt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Periode des Ringoszillators legt die Zeitauflösung fest, nominell 55 ps, die durch die interne Kalibrierung gegen den externen Takt genau bestimmt wird. Die ToFs zwischen dem Startimpuls und den bis zu sechs Stoppimpulsen werden an bestimmten Registerstellen gespeichert.

In Modus 2 wird der Zeitbereich auf 8 ms erweitert, wobei die nominale Zeitauflösung von 55 ps beibehalten wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: In Modus 2 wird der Taktzähler verwendet, der die Perioden des externen Takts zählt, und der Grobzähler, der die Perioden des Ringoszillators zwischen dem Startimpuls und dem folgenden externen Takt sowie zwischen dem Stoppimpuls und dem folgenden externen Takt zählt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Grobzähler dient als Nonius und misst die Zeit zwischen dem Startimpuls und der nächsten externen Taktflanke. Er misst auch die Zeit zwischen den Stoppimpulsen und den folgenden externen Taktflanken. Durch diese Kombination wird eine zeitliche Auflösung des Grobzählers bei gleichzeitiger Erweiterung des Messbereichs erreicht.

Der TDC7201ZAXR wird über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) gesteuert, die über die Chip-Select-Leitung zwischen den beiden TDCs unterscheidet. Gemessene Zeitausgaben und die Gerätekonfiguration werden über die SPI-Schnittstelle vorgenommen.

Wenn Sie diesen TDC ausprobieren möchten, können Sie das Evaluierungsboard TDC7201-ZAX-EVM verwenden. Dieses Board ermöglicht es Ihnen, den Betrieb und die Performance des TDC7201 zu evaluieren und verfügt über eine einfach zu bedienende grafische Benutzeroberfläche (GUI).

Der MAX35101EHJ+ von Analog Devices ist ein TDC für Wärmezähler- und Durchflussmessanwendungen. Er hat eine Zeitauflösung von 20 ps und eine maximale Reichweite von 8 ms. Außerdem verfügt er über ein komplettes analoges Frontend (AFE) in Form eines Verstärkers und eines Komparators. Darüber hinaus bietet er hochpräzise Temperaturmessungen, einen 8 Kilobyte großen nichtflüchtigen Speicher für die Datenprotokollierung und eine Echtzeituhr.

Ein Wärmemengenzähler misst die thermische Energie, indem er die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in einem Warmwasser-Heizsystem durch ToF-Messungen sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts bestimmt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein Wärmemengenzähler, der auf der ToF-Messung basiert, ermittelt die Wassergeschwindigkeit durch den Kolbenkörper mit Hilfe von piezoelektrischen Messwertgebern stromaufwärts und stromabwärts. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein Wärmezähler misst die durch einen Heizkörper abgegebene Wärmeenergie. Mit Hilfe eines Widerstandstemperaturfühlers (RTD) misst er die Ein- und Austrittstemperaturen. Der Kolbenkörper sorgt dafür, dass das Wasser durch eine Öffnung mit einem bekannten Durchmesser fließt. Der Kolbenkörper enthält piezoelektrische Wandler, die vom MAX35101EHJ+ in Stromauf- und Stromabwärtsrichtung gepulst werden. Die Differenz der ToF-Messungen ergibt die Fließgeschwindigkeit des Wassers. Diese Information kann zusammen mit der bekannten Öffnungsfläche verwendet werden, um das Durchflussvolumen zu bestimmen. Kombiniert man dies mit dem Temperaturabfall, lässt sich die vom Heizkörper abgeleitete Wärmeenergie berechnen. Der MAX35101EHJ+ ist in sich geschlossen und führt alle erforderlichen Messungen durch.

Fazit

Der TDC ist ein entscheidendes Element, das viele ToF-Messungen in der Automobiltechnik, der Industrie und der Forschung ermöglicht. Zur Vereinfachung des Designprozesses sind hochintegrierte und leistungsfähige Geräte von Texas Instruments und Analog Devices erhältlich. Evaluierungsboards sind ebenfalls erhältlich, um sicherzustellen, dass die Geräte Ihre Anwendungskriterien erfüllen.