毛增闯

（苏州坤元微电子有限公司，江苏苏州， 215000）

电信号通过任何电路都会造成时间上的延迟，只是延迟大小的区别。在高速应用场合或对时间要求比较高的情况下，信号经过集成电路后的传播延迟，成了考核集成电路较为重要的一个特性。比如比较器、驱动器、电平转换器件等，往往我们需要这些器件的传播延迟越小越好。但是越小的传播延迟，对自动化测量系统的要求就越高。

待测的时间间隔越小，测量该时间间隔所需要的系统时钟频率就越高，对测试系统的性能要求也越高。时间间隔为1ns时，时钟频率至少需要提高到1GHz，一般的测试系统无法胜任。

既然电信号通过任何电路都会造成时间上的延迟，集成电路的设计师们巧妙地利用该固有延迟测量未知的延迟。瑞盟科技的高精度时间测量芯片MS1022是一款TDC(Time-Digital Converter)集成电路，利用信号通过固定门电路的绝对传输时间来实现时间间隔的测量。测量精度由信号通过MS1022内部门电路的最短传播延迟时间决定。

MS1022的工作电压范围是2.5～3.6V，具备4线SPI通讯接口。内置温度测量电路，可以对温度引入的误差进行校准。MS1022内部集成了模拟开关、比较器、施密特触发器等，简化了外围电路。MS1022主要用在激光测距、超声波热量表和水表上，这里借助其内部的TDC电路实现高精度的时间间隔测量。

■1.1 TDC测量原理

TDC测量原理如图1所示。START和STOP是两个待测的边沿信号，测量单元由START信号触发，接收到STOP信号时停止。START和STOP信号之间的时间间隔由门电路的个数决定，而每个门电路的传播延迟是固定的，由集成电路的工艺来确定。

■1.2 测量范围

MS1022有两种测量范围，可以针对不同的应用场景，其中：

测量范围1：

测量范围：3.5ns～2μs，使用2个stop通道和1个start通道时，典型分辨率为75ps；
使用1个stop通道和1个start通道时，典型分辨率为37ps.脉冲之间的最小间隔是20ns，可选择每个通道的上升沿/下降沿触发；
可以测量任意两个脉冲之间的时间间隔。

测量范围2：

测量范围：2＊Tref～4ms@4MHz(Tref表示时钟的最小分辨率)，只能1个stop通道对应1个start通道，典型分辨率为19ps/37ps/75ps.

现采用MS1022测量范围1中的2个stop通道结合1个start通道的测量方式，实现时间间隔的测量。

■2.1 测量机制

以信号的上升沿有效为例，上述测量方式的测量机制如图2所示，STOP1和STOP2分别代表两个待测边沿信号，START是在STOP1之前人为产生的一个信号，START信号产生后至少等待20ns才能发送STOP1信号，确保MS1022能够正确捕捉到STOP1信号。

图2 TDC测量机制

STOP1和STOP2信号的时间差t2-t1就是待求的时间间隔。t2-t1是通过对“t0到t2的时间长度”和“t0到t1的时间长度”做差求出：

t0，t1，t2分别代表START、STOP1和STOP2信号的上升沿时刻点，忽略信号的边沿时间。下降沿原理同上。

■2.2 测量方案

基于MS1022的时间间隔测量方案的原理框图如图3所示。MCU选用珠海极海32位单片机APM32F030K6T6，MCU的主要功能是通过SPI总线和MS1022通讯，由MCU向MS1022发送初始化命令、开始测量命令、获取测量结果等。

图3 基于MS1022的时间间隔测量电路

MCU和MS1022都采用3.3V的供电电压，EN_START、EN_STOP1和EN_STOP2都接高电平，确保START和STOP引脚一直处于使能状态。MS1022外接4MHz的陶瓷晶振，确保系统工作稳定，减小温度对系统的影响。START引脚接MCU，由MCU控制MS1022是否开启测量；
INIT引脚接MCU，测量结束后产生中断通知MCU获取数据；
STOP1和STOP2引脚接待测边沿信号，该信号可以是上升沿或下降沿；
MS1022的其他引脚（图中未显示）如果未用到可以悬空处理。具体测量流程如下：

（1）MS1022的初始化

在SPI的CS引脚（即SSN引脚）为低电平的状态下，对MS1022进行初始化操作，主要是配置MS1022的寄存器。其中寄存器0开启晶振，开启校准功能，选择捕获边沿的类型等；
寄存器1选择测量方式，此处设置为HIT1=STOP2，HIT2=STOP1，则有HIT1-HIT2=STOP2-STOP1，寄存器1的值为0x81 194900；
寄存器2打开所有中断，寄存器5关闭Fire up和Fire down功能，开启噪声单元，关闭相位噪声移位单元；
寄存器6将STOP1和STOP2设置为数字输入端，关闭EEPROM动作结束中断。另外寄存器3设置为0x83000000, 寄存器4设置为0x84200000。

（2）边沿测量

如果寄存器0中设置的是下降沿触发，则MCU通过START引脚发送一个下降沿信号，MS1022接收到START信号后开始工作，直到采样完成。如果MS1022在接收到START信号后一直未检测到STOP信号，则超时2μs后自动停止工作。

（3）数据解析

MS1022在测量结束后，根据寄存器1中HIT1和HIT2的设置开始处理数据，把结果发送到输出寄存器中。由于寄存器0开启了校准，传输到输出寄存器的是32位的浮点数。待求的时间间隔Time = RES_X * Tref * N，其中RES_X是32位浮点数，Tref是4MHz晶振的时钟周期，N=1,2,4，如果分频系数为0，则N=2^0=1。

利用该测量方案，可以实现任意边沿之间的时间间隔的测量。以下以传播延迟为例，验证该测量系统的可行性。

■3.1 电平转换器的传播延迟

TS8111是坤元微电子的一款单通道、高速、同向的电平转换器。TS8111作为两个系统之间电平转换的桥梁，典型应用如图4所示，A是信号输入引脚，B是信号输出引脚；
VCCA是输入信号侧的供电电源，和输入信号电平保持一致；
VCCB是输出信号侧的供电电源，和输出信号电平保持一致。VCCA和VCCB的工作电压范围是0.9～3.6V，TS8111可以实现该电压范围内任何电压之间的电平转换。

图4 TS8111典型应用

TS8111传播延迟的定义如图5中tPLH和tPHL所示，以输入信号边沿的50%至输出信号边沿的50%之间的时间间隔来表示。TS8111的电源电压越高，传播延迟越小，VCCA=VCCB=3.6V时，传播延迟tPLH=1.1ns, -40℃的环境温度下，tPLH可能小于1ns。为了测量TS8111的传播延迟，就需要精确地测量纳秒级或更小的时间间隔，而传统的测量方法无法对其进行准确的测量。

图5 TS8111的传播延迟

■3.2 传播延迟的测量方案

为了测量上述输入和输出边沿信号之间的时间间隔，可以采用示波器直接测量。但是在芯片的批量测试中，需要用到自动化测量方案。常规的自动化测量方案采用测试机，利用测试机自带的时间测量模块，可实现快速高效测量。但是测试机的时间测量模块的测量范围一般大于10ns, 对于纳秒级或更小的时间间隔，测试机则不能胜任。

现在利用基于MS1022的时间间隔测量系统实现传播延迟的测量，STOP1信号代表TS8111的输入信号，STOP2信号代表其输出信号，STOP1和STOP2信号的时间间隔t2-t1就是待求的TS8111的传播延迟。因为TS8111是同向器件，所以STOP1和STOP2同时为上升沿或同时为下降沿。

利用MS1022测量TS8111的传播延迟的测量方案如图6所示，图中DUT是TS8111，TDC是MS1022，MCU是32位单片机，CMP是比较器，CBIT1和TMU0接测试机。

图6 人脸识别模块测试图

图6 TS8111基于TDC的传播延迟测量电路

DUT的输入和输出信号各经过一路相同的路径到达TDC芯片，作为TDC的两路STOP信号，在PCB布线和器件选型等方面尽可能地确保两路STOP信号公共路径的传播延迟相同；

比较器负输入端的参考电压分别为VCCA和VCCB的50%，用于捕获输入和输出信号边沿的50%；
目前使用的比较器自身的传播延迟700ps，通道间的传播延迟偏差75ps, PECL的输出电平。由于VCCA和VCCB在0.9～3.6V范围内可调，而TDC芯片和MCU的电压是3.3V，所以比较器与TDC之间加了电平转换器（如果只需要测量3.3V电压下的传播延迟，DUT和TDC可以直连）。该电平转换器自身的传播延迟500ps，通道间的传播延迟偏差10ps, PECL电平输入，与比较器的输出电平兼容。

以测试机为主导，MCU辅助，系统完整的流程如下：

首先，测试机通过CBIT1向MCU发送开始测试的指令，MCU收到开始指令后，向TDC发送开始测量的指令，同时通过Start_TDC引脚向TDC发送一个边沿信号作为TDC的START信号。延时500ns（可适当缩短以减小测量周期）后，MCU通过Pulse_Test引脚向DUT发送一个边沿信号，作为DUT的输入信号，其中Level_Shift的作用是电平转换以及提供快边沿的信号。TDC测量结束后会通过INT引脚（图中未标出）向MCU发送一个中断信号。MCU捕获到中断信号后，向TDC请求测试结果，MCU获取到测量结果后，将结果解析为最终的传播延迟数据。

最后，MCU将传播延迟数据放大合适的固定倍数，利用定时器产生一个以放大后的数据作为脉宽的脉冲，通过t_OUT引脚发送给测试机。测试机通过其内部的时间测量单元，便可以测量出放大后的传播延迟数据。这样便可以实现高速高效的自动化量产测试。注意放大倍数足够大时可忽略该步骤引入的误差，但是过大的倍数会增大测量周期。

实际测量过程中使用示波器抓取的波形如图7所示，通道1是START信号，通道2是STOP1信号，通道3是STOP2信号，测量tPHL时，捕获所有信号的下降沿；
测量tPLH时，捕获所有信号的上升沿。需要保证待测START边沿距离待测STOP边沿的时间大于20ns且小于2.4μs；
同时待测边沿的边沿时间要尽量短。

图7 START和STOP引脚实际测量波形

■3.3 测量结果

为了提高数据稳定性，避免数据分布在最小分辨率的整数倍上，可以在每个测量周期内多次测量并求平均值。为了使测量结果更接近实际值，需要对系统进行校准。比如两个STOP信号的路径差异引入的固定误差，可以通过校准消除。

为了验证结果的准确性，将TDC测量的值和示波器测量的结果进行对比验证。如表1所示，VCCB=3.6V，改变VCCA，利用示波器测量的传播延迟与采用TDC方案测量的结果，差值稳定，偏差小于10%；
VCCA=3.6V，改变VCCB，利用示波器测量的传播延迟与采用TDC方案测量的结果，差值同样稳定，如图8所示。这样便可以利用该时间间隔测量系统，代替示波器实现纳秒级甚至更小的时间间隔的高精度测量。

表1 VCCB=3.6V时，不同VCCA下的传播延迟

图8 VCCA=3.6V时，不同VCCB下的传播延迟

利用MS1022测量时间间隔的方法，分辨率高，测量范围下限低，测量周期短，成本低，适用于自动化测量纳秒级或更小的时间间隔。基于MS1022的时间间隔测量系统，除了应用在集成电路传播延迟的测量上，还可以用于测量信号的边沿时间等。

猜你喜欢测量范围示波器寄存器STM32和51单片机寄存器映射原理异同分析有色金属设计(2022年4期)2022-02-04沥青针入度试验仪不确定度评定报告科教创新与实践(2021年33期)2021-11-23Lite寄存器模型的设计与实现计算机应用(2020年5期)2020-06-07一款教学示波器的Y通道设计与实现电子制作(2017年13期)2017-12-15OTDR在有线电视网络施工中的应用进出口经理人(2017年9期)2017-09-22可携带式虚拟双踪示波器电子制作(2017年20期)2017-04-26基于TEGRA K1的实时信号处理示波器的设计现代电子技术(2016年15期)2016-12-01水中动态爆点纯方位定位有效测量距离分析兵器装备工程学报(2016年5期)2016-06-15声波夹带法测量可吸入颗粒物粒径的误差和范围动力工程学报(2016年3期)2016-04-19高速数模转换器AD9779/AD9788的应用网络安全与数据管理(2011年24期)2011-08-08