基于MS1022的時(shí)間間隔測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛增闖

（蘇州坤元微電子有限公司，江蘇蘇州， 215000）

0 引言

電信號通過任何電路都會(huì)造成時(shí)間上的延遲，只是延遲大小的區(qū)別。在高速應(yīng)用場合或?qū)r(shí)間要求比較高的情況下，信號經(jīng)過集成電路后的傳播延遲，成了考核集成電路較為重要的一個(gè)特性。比如比較器、驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器件等，往往我們需要這些器件的傳播延遲越小越好。但是越小的傳播延遲，對自動(dòng)化測量系統(tǒng)的要求就越高。

待測的時(shí)間間隔越小，測量該時(shí)間間隔所需要的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率就越高，對測試系統(tǒng)的性能要求也越高。時(shí)間間隔為1ns時(shí)，時(shí)鐘頻率至少需要提高到1GHz，一般的測試系統(tǒng)無法勝任。

1 MS1022

既然電信號通過任何電路都會(huì)造成時(shí)間上的延遲，集成電路的設(shè)計(jì)師們巧妙地利用該固有延遲測量未知的延遲。瑞盟科技的高精度時(shí)間測量芯片MS1022是一款TDC(Time-Digital Converter)集成電路，利用信號通過固定門電路的絕對傳輸時(shí)間來實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的測量。測量精度由信號通過MS1022內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時(shí)間決定。

MS1022的工作電壓范圍是2.5～3.6V，具備4線SPI通訊接口。內(nèi)置溫度測量電路，可以對溫度引入的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。MS1022內(nèi)部集成了模擬開關(guān)、比較器、施密特觸發(fā)器等，簡化了外圍電路。MS1022主要用在激光測距、超聲波熱量表和水表上，這里借助其內(nèi)部的TDC電路實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間間隔測量。

■1.1 TDC測量原理

TDC測量原理如圖1所示。START和STOP是兩個(gè)待測的邊沿信號，測量單元由START信號觸發(fā)，接收到STOP信號時(shí)停止。START和STOP信號之間的時(shí)間間隔由門電路的個(gè)數(shù)決定，而每個(gè)門電路的傳播延遲是固定的，由集成電路的工藝來確定。

■1.2 測量范圍

MS1022有兩種測量范圍，可以針對不同的應(yīng)用場景，其中：

測量范圍1：

測量范圍：3.5ns～2μs，使用2個(gè)stop通道和1個(gè)start通道時(shí)，典型分辨率為75ps；使用1個(gè)stop通道和1個(gè)start通道時(shí)，典型分辨率為37ps.脈沖之間的最小間隔是20ns，可選擇每個(gè)通道的上升沿/下降沿觸發(fā)；可以測量任意兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。

測量范圍2：

測量范圍：2＊Tref～4ms@4MHz(Tref表示時(shí)鐘的最小分辨率)，只能1個(gè)stop通道對應(yīng)1個(gè)start通道，典型分辨率為19ps/37ps/75ps.

2 時(shí)間間隔測量系統(tǒng)

現(xiàn)采用MS1022測量范圍1中的2個(gè)stop通道結(jié)合1個(gè)start通道的測量方式，實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的測量。

■2.1 測量機(jī)制

以信號的上升沿有效為例，上述測量方式的測量機(jī)制如圖2所示，STOP1和STOP2分別代表兩個(gè)待測邊沿信號，START是在STOP1之前人為產(chǎn)生的一個(gè)信號，START信號產(chǎn)生后至少等待20ns才能發(fā)送STOP1信號，確保MS1022能夠正確捕捉到STOP1信號。

圖2 TDC測量機(jī)制

STOP1和STOP2信號的時(shí)間差t2-t1就是待求的時(shí)間間隔。t2-t1是通過對“t0到t2的時(shí)間長度”和“t0到t1的時(shí)間長度”做差求出：

t0，t1，t2分別代表START、STOP1和STOP2信號的上升沿時(shí)刻點(diǎn)，忽略信號的邊沿時(shí)間。下降沿原理同上。

■2.2 測量方案

基于MS1022的時(shí)間間隔測量方案的原理框圖如圖3所示。MCU選用珠海極海32位單片機(jī)APM32F030K6T6，MCU的主要功能是通過SPI總線和MS1022通訊，由MCU向MS1022發(fā)送初始化命令、開始測量命令、獲取測量結(jié)果等。

圖3 基于MS1022的時(shí)間間隔測量電路

MCU和MS1022都采用3.3V的供電電壓，EN_START、EN_STOP1和EN_STOP2都接高電平，確保START和STOP引腳一直處于使能狀態(tài)。MS1022外接4MHz的陶瓷晶振，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定，減小溫度對系統(tǒng)的影響。START引腳接MCU，由MCU控制MS1022是否開啟測量；INIT引腳接MCU，測量結(jié)束后產(chǎn)生中斷通知MCU獲取數(shù)據(jù)；STOP1和STOP2引腳接待測邊沿信號，該信號可以是上升沿或下降沿；MS1022的其他引腳（圖中未顯示）如果未用到可以懸空處理。具體測量流程如下：

（1）MS1022的初始化

在SPI的CS引腳（即SSN引腳）為低電平的狀態(tài)下，對MS1022進(jìn)行初始化操作，主要是配置MS1022的寄存器。其中寄存器0開啟晶振，開啟校準(zhǔn)功能，選擇捕獲邊沿的類型等；寄存器1選擇測量方式，此處設(shè)置為HIT1=STOP2，HIT2=STOP1，則有HIT1-HIT2=STOP2-STOP1，寄存器1的值為0x81 194900；寄存器2打開所有中斷，寄存器5關(guān)閉Fire up和Fire down功能，開啟噪聲單元，關(guān)閉相位噪聲移位單元；寄存器6將STOP1和STOP2設(shè)置為數(shù)字輸入端，關(guān)閉EEPROM動(dòng)作結(jié)束中斷。另外寄存器3設(shè)置為0x83000000, 寄存器4設(shè)置為0x84200000。

（2）邊沿測量

如果寄存器0中設(shè)置的是下降沿觸發(fā)，則MCU通過START引腳發(fā)送一個(gè)下降沿信號，MS1022接收到START信號后開始工作，直到采樣完成。如果MS1022在接收到START信號后一直未檢測到STOP信號，則超時(shí)2μs后自動(dòng)停止工作。

（3）數(shù)據(jù)解析

MS1022在測量結(jié)束后，根據(jù)寄存器1中HIT1和HIT2的設(shè)置開始處理數(shù)據(jù)，把結(jié)果發(fā)送到輸出寄存器中。由于寄存器0開啟了校準(zhǔn)，傳輸?shù)捷敵黾拇嫫鞯氖?2位的浮點(diǎn)數(shù)。待求的時(shí)間間隔Time = RES_X * Tref * N，其中RES_X是32位浮點(diǎn)數(shù)，Tref是4MHz晶振的時(shí)鐘周期，N=1,2,4，如果分頻系數(shù)為0，則N=2^0=1。

利用該測量方案，可以實(shí)現(xiàn)任意邊沿之間的時(shí)間間隔的測量。以下以傳播延遲為例，驗(yàn)證該測量系統(tǒng)的可行性。

3 傳播延遲的測量

■3.1 電平轉(zhuǎn)換器的傳播延遲

TS8111是坤元微電子的一款單通道、高速、同向的電平轉(zhuǎn)換器。TS8111作為兩個(gè)系統(tǒng)之間電平轉(zhuǎn)換的橋梁，典型應(yīng)用如圖4所示，A是信號輸入引腳，B是信號輸出引腳；VCCA是輸入信號側(cè)的供電電源，和輸入信號電平保持一致；VCCB是輸出信號側(cè)的供電電源，和輸出信號電平保持一致。VCCA和VCCB的工作電壓范圍是0.9～3.6V，TS8111可以實(shí)現(xiàn)該電壓范圍內(nèi)任何電壓之間的電平轉(zhuǎn)換。

圖4 TS8111典型應(yīng)用

TS8111傳播延遲的定義如圖5中tPLH和tPHL所示，以輸入信號邊沿的50%至輸出信號邊沿的50%之間的時(shí)間間隔來表示。TS8111的電源電壓越高，傳播延遲越小，VCCA=VCCB=3.6V時(shí)，傳播延遲tPLH=1.1ns, -40℃的環(huán)境溫度下，tPLH可能小于1ns。為了測量TS8111的傳播延遲，就需要精確地測量納秒級或更小的時(shí)間間隔，而傳統(tǒng)的測量方法無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

圖5 TS8111的傳播延遲

■3.2 傳播延遲的測量方案

為了測量上述輸入和輸出邊沿信號之間的時(shí)間間隔，可以采用示波器直接測量。但是在芯片的批量測試中，需要用到自動(dòng)化測量方案。常規(guī)的自動(dòng)化測量方案采用測試機(jī)，利用測試機(jī)自帶的時(shí)間測量模塊，可實(shí)現(xiàn)快速高效測量。但是測試機(jī)的時(shí)間測量模塊的測量范圍一般大于10ns, 對于納秒級或更小的時(shí)間間隔，測試機(jī)則不能勝任。

現(xiàn)在利用基于MS1022的時(shí)間間隔測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳播延遲的測量，STOP1信號代表TS8111的輸入信號，STOP2信號代表其輸出信號，STOP1和STOP2信號的時(shí)間間隔t2-t1就是待求的TS8111的傳播延遲。因?yàn)門S8111是同向器件，所以STOP1和STOP2同時(shí)為上升沿或同時(shí)為下降沿。

利用MS1022測量TS8111的傳播延遲的測量方案如圖6所示，圖中DUT是TS8111，TDC是MS1022，MCU是32位單片機(jī)，CMP是比較器，CBIT1和TMU0接測試機(jī)。

圖6 人臉識別模塊測試圖

圖6 TS8111基于TDC的傳播延遲測量電路

DUT的輸入和輸出信號各經(jīng)過一路相同的路徑到達(dá)TDC芯片，作為TDC的兩路STOP信號，在PCB布線和器件選型等方面盡可能地確保兩路STOP信號公共路徑的傳播延遲相同；

比較器負(fù)輸入端的參考電壓分別為VCCA和VCCB的50%，用于捕獲輸入和輸出信號邊沿的50%；目前使用的比較器自身的傳播延遲700ps，通道間的傳播延遲偏差75ps, PECL的輸出電平。由于VCCA和VCCB在0.9～3.6V范圍內(nèi)可調(diào)，而TDC芯片和MCU的電壓是3.3V，所以比較器與TDC之間加了電平轉(zhuǎn)換器（如果只需要測量3.3V電壓下的傳播延遲，DUT和TDC可以直連）。該電平轉(zhuǎn)換器自身的傳播延遲500ps，通道間的傳播延遲偏差10ps, PECL電平輸入，與比較器的輸出電平兼容。

以測試機(jī)為主導(dǎo)，MCU輔助，系統(tǒng)完整的流程如下：

首先，測試機(jī)通過CBIT1向MCU發(fā)送開始測試的指令，MCU收到開始指令后，向TDC發(fā)送開始測量的指令，同時(shí)通過Start_TDC引腳向TDC發(fā)送一個(gè)邊沿信號作為TDC的START信號。延時(shí)500ns（可適當(dāng)縮短以減小測量周期）后，MCU通過Pulse_Test引腳向DUT發(fā)送一個(gè)邊沿信號，作為DUT的輸入信號，其中Level_Shift的作用是電平轉(zhuǎn)換以及提供快邊沿的信號。TDC測量結(jié)束后會(huì)通過INT引腳（圖中未標(biāo)出）向MCU發(fā)送一個(gè)中斷信號。MCU捕獲到中斷信號后，向TDC請求測試結(jié)果，MCU獲取到測量結(jié)果后，將結(jié)果解析為最終的傳播延遲數(shù)據(jù)。

最后，MCU將傳播延遲數(shù)據(jù)放大合適的固定倍數(shù)，利用定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)以放大后的數(shù)據(jù)作為脈寬的脈沖，通過t_OUT引腳發(fā)送給測試機(jī)。測試機(jī)通過其內(nèi)部的時(shí)間測量單元，便可以測量出放大后的傳播延遲數(shù)據(jù)。這樣便可以實(shí)現(xiàn)高速高效的自動(dòng)化量產(chǎn)測試。注意放大倍數(shù)足夠大時(shí)可忽略該步驟引入的誤差，但是過大的倍數(shù)會(huì)增大測量周期。

實(shí)際測量過程中使用示波器抓取的波形如圖7所示，通道1是START信號，通道2是STOP1信號，通道3是STOP2信號，測量tPHL時(shí)，捕獲所有信號的下降沿；測量tPLH時(shí)，捕獲所有信號的上升沿。需要保證待測START邊沿距離待測STOP邊沿的時(shí)間大于20ns且小于2.4μs；同時(shí)待測邊沿的邊沿時(shí)間要盡量短。

圖7 START和STOP引腳實(shí)際測量波形

■3.3 測量結(jié)果

為了提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)分布在最小分辨率的整數(shù)倍上，可以在每個(gè)測量周期內(nèi)多次測量并求平均值。為了使測量結(jié)果更接近實(shí)際值，需要對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。比如兩個(gè)STOP信號的路徑差異引入的固定誤差，可以通過校準(zhǔn)消除。

為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，將TDC測量的值和示波器測量的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。如表1所示，VCCB=3.6V，改變VCCA，利用示波器測量的傳播延遲與采用TDC方案測量的結(jié)果，差值穩(wěn)定，偏差小于10%；VCCA=3.6V，改變VCCB，利用示波器測量的傳播延遲與采用TDC方案測量的結(jié)果，差值同樣穩(wěn)定，如圖8所示。這樣便可以利用該時(shí)間間隔測量系統(tǒng)，代替示波器實(shí)現(xiàn)納秒級甚至更小的時(shí)間間隔的高精度測量。

表1 VCCB=3.6V時(shí)，不同VCCA下的傳播延遲

圖8 VCCA=3.6V時(shí)，不同VCCB下的傳播延遲

4 結(jié)束語

利用MS1022測量時(shí)間間隔的方法，分辨率高，測量范圍下限低，測量周期短，成本低，適用于自動(dòng)化測量納秒級或更小的時(shí)間間隔?；贛S1022的時(shí)間間隔測量系統(tǒng)，除了應(yīng)用在集成電路傳播延遲的測量上，還可以用于測量信號的邊沿時(shí)間等。