浅谈瑞盟科技·MS1003——激光测距用高精度时间测量(TDC)电路

产品简述

  MS1003 是一款高精度时间测量(TDC)电路，对比 MS1002 具

有更高的精度和更小的封装，适合于高精度小封装的应用领域。

  MS1003 具有双通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI 通讯、

多种测量模式，适合于激光雷达和激光测距。

主要特点

◼双通道单精度模式 46ps

◼单通道双精度模式 23ps

◼非校准单精度测量范围 3.5ns(0ns)至 16μs

◼非校准双精度测量范围 3.5ns(0ns)至 16μs

◼校准单精度测量范围 3.5ns(0ns)至 4μs

◼校准双精度测量范围 3.5ns(0ns)至 2μs

◼10ns 最小脉冲间隔，双通道最多可接收 20 个脉冲

◼4 线 SPI 通信接口

◼工作电压 2.5V 至 3.6V

◼工作温度-40°C 至+100°C

◼QFN20 封装

应用

◼激光雷达

◼激光测距

◼脉冲测量

产品规格分类

管脚图

管脚说明

内部框图

极限参数

  芯片使用中，任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏，芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出，并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

推荐工作条件

电气参数

功能描述

1. SPI接口

  MS1003 的 SPI 接口是与 4 线制 SPI 兼容的，它需要一个 SerialSelectNot (SSN)信号，从而不能够工

作在 3-线制 SPI 接口。

  SSN 的下降沿或者第一个 SCK 的上升沿将会复位 INTN 管脚（中断管脚）状态。

  从最高位(MSB)开始传输以最低位(LSB)结束。传输是以字节方式完成的。数据传输可以在每个字节

后停止，通过给 SSN 发送一个 LOW-HIGH-LOW 的电平。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

4. 电源电压

  为了达到最佳测量效果，好的电源非常重要。电源应该具有高电容性和低电感性。MS1003 提供两

对电源供应端口:VCC - I/O 供电电压 ，VDD - 内核供电电压。

  所有的 Ground 引脚都应该连接到印刷电路板的地层上。 VCC 和 VDD 应该通过一个电池或者固定

的线性电压调节器给出。不要应用开关式的调节器，避免由于 IO 电压引起的干扰。

  时间数字转换器能够有好的测量效果，完全取决于好的电源供电。芯片测量主要是脉冲式的电

流，因此一个充足的双通滤波非常重要：VCC 47 µF （最小 22 µF），VDD 100 µF（最小 22 µF）。

  电压应用通过一个模拟的调节器给出，我们推荐不要使用开关式的电压调节。

6. 时间测量

6.1 概述

  非校准单精度模式测量范围从 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在两个 stop 通道之间测量)。

  非校准双精度模式测量范围从 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在两个 stop 通道之间测量)。

  校准模式单精度测量范围从 3.5ns 到 4μs(0-4μs 在两个 stop 通道之间测量)。

  校准模式双精度测量范围从 3.5ns 到 2μs(0-2μs 在两个 stop 通道之间测量)。

  单精度模式典型精度为 46 ps，2 个 stop 通道相对于 start 通道。

  双精度模式典型精度为 23 ps，仅 stop1 通道相对应 start 通道。

  内置特殊防抖技术，使测量时间高度精准。

  10 ns 的脉冲之间最小间隔。

  两个 stop 通道可同时采集，且每个 stop 通道最多 10 个脉冲。

  每个 stop 通道可选择上升或下降沿捕获，或者选择上升和下降沿同时捕获。

  自动测量 START 和 STOP 脉冲之间的时间间隔，无需再进行寄存器设置。

  可任意设置溢出时间，从而减少高速测量时溢出时间等待。

  在非校准模式下，可以任意测量比预期脉冲数少的脉冲。

  典型应用: 激光测距、激光雷达、高精度延时测量。

6.2 高精度时间测量原理

  数字式 TDC 应用内部的逻辑门延时来高精度测量时间间隔，下图阐述了这种绝对时间 TDC 的测量

原理结构。该电路结构确保电路以特殊的测量方法，使信号通过逻辑门的时间可以非常精确。最高的

测量精度完全取决于内部通过逻辑门的传播时间。

  时间测量是通过一个 start 信号触发,通过内部防抖处理后，TDC 的门电路开始高速计数，直到 stop

信号产生记录计数结果，达到 STOP 预期脉冲数后停止计数。

  3.3V 和 25°C 时，MS1003 的单精度最小分辨率是 46ps。温度和电压对门电路的传播延时时间有很

大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。在校准过程中，TDC 测量 0.5 个

和 1.5 个时钟周期，相减后得一个时钟周期的 TDC 计数结果，即为校准值。测量范围受计数器大小的

限制，以下是非校准模式下最大测量范围：tyy = 46 ps x 442368 ≈ 20 µs。

6.3 非校准时间测量

6.3.1 非校准时间测量概述

  非校准时间测量，实际上就是应用数字式 TDC 内部的逻辑门延时来实现高精度时间测量，非校准

模式下最大测量范围是 3.5ns-16μs，单精度模式下，可以两个 STOP 通道同时测量，且每个通道最多可

以测量 10 个 STOP 脉冲，双精度模式下，仅 STOP1 通道可以使用。

  非校准时间测量过程中，无需高速时钟参与，所以可以通过寄存器设置来关闭高速时钟

( START_CLKHS=0)，在该模式下，测量速度最快，结果寄存器直接输出门延时个数，在非校准模式下结

果寄存器 20 位的有效位，测量时间计算如下，该测量时间受温度和电压影响。

                                  测量时间=RES_X×46ps (DOUBLE_RES=0)

                                  测量时间=RES_X×23ps (DOUBLE_RES=1)

  非校准模式下也可以实现时间测量和 CAL 值同时测量，在该模式下需要开启高速时钟

(START_CLKHS=1)和开启自动校准(NO_CAL_AUTO=0)，这样就会测量时间的同时会产生一个 Tref× N 周期

的门延时个数，然后将 CAL 值 RES_Tref 存在指定的结果寄存器中。测量时间如下计算，该测量时间和

温度和电压无关，仅和高速时钟抖动有关。

                                 测量时间=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1, 2,4,8；

  非校准模式测量溢出，当溢出时间功能关闭(EN_SEL_TIMO=0)的情况下，溢出时间相当于 TDC 溢

出，也就是要 20μs 后产生溢出，并且状态寄存器 Bit13=1（TDC 溢出）；当溢出时间功能开启

(EN_SEL_TIMO=1)的情况下，溢出时间由溢出时间选择(SEL_TIMO)进行设置，溢出时间仅和高速时钟相

关，不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响，例如高速时钟为 8MHZ，SEL_TIMO=0 的情况下，溢出时间为

125ns，溢出时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出）。

  非校准模式下，当测量脉冲个数小于预期脉冲个数时，可以正常输出测量脉冲的值，虽然这时状

态寄存器溢出，但测量到的脉冲产生的结果是正确的，这种应用可以解决在测距过程中多个不定目标

的问题。

6.3.2 寄存器设置

主要的设置为:

a. 选择测量预期脉冲个数

  寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；

  寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

b. 选择测量精度

  寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 23ps 但仅有一个 stop 通道可用。

DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 46ps，这时两个 stop 通道都可用。

c. 校准选择

  在非校准模式下，校准将关闭，寄存器 bit 13 CALIBRATE=0；

d. 产生 CAL 值

  在非校准模式下，可以选择产生 CAL 值和不产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产生

CAL 值，NO_CAL_AUTO=1 时，不产生 CAL 值。

e. 溢出选择

  在非校准模式下，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出时间关闭，这时溢出时间为 TDC 溢出，当

EN_SEL_TIMO=1 时开启溢出时间，且溢出时间和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

f. 选择输入触发方式

  可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start, Stop1, Stop2)边沿触发方式。当 RFEDGE

= 0 时，NEG_X = 0 则上升沿触发，NEG_X = 1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的 Bit0&1(REFDGE1 &

FEDGE2),选择 STOP 由上升沿或下降沿单独触发(RFEDGE=0)还是上升沿和下降沿同时触发(RFEDGE=1)，

当 RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

g. 中断

  中断引脚 INTN 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择,非校准模式选择 bit 6 =

1 和 bit 5= 1；

  Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好 。

  Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到。

  Reg bit 6 = 1 测量时间溢出。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

6.4 校准时间测量

  注：校准测量单精度最大测量范围 4μs，双精度最大测量范围 2μs。

6.4.1 校准时间测量概述

  校准时间测量，在高速振荡器开启情况下进行测量，测量的门延时数量和 Tref 门延时数量通过

ALU 进行计算并输出到结果寄存器。输出的结果为 24 位浮点数，高 8 位为整数位，低 16 位为小数

位。校准模式下最大测量范围是 3.5ns-4μs，单精度模式下，可以两个 STOP 通道同时测量，且每个通

道最多可以测量 10 个 STOP 脉冲，双精度模式下，仅 STOP1 通道可以使用。

  校准时间测量过程中，需要开启高速时钟( START_CLKHS=1)和校准开启(CALIBRATE=1)，当产生校准

值关闭(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)结果寄存器输出非校准值（可参考非校准部分介绍），当产生校准

值开启(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)时，结果寄存器输出校准后的值 RES_X，测量时间如下计算，被测

时差不能超过 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

                                     测量时间= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8；

  在校准时间测量中，必须开启溢出时间功能(EN_SEL_TIMO=1)，溢出时间由溢出时间选择

(SEL_TIMO)进行选择溢出时间，这里的时间仅和高速时钟相关，不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响，例

如高速时钟为 8MHZ，SEL_TIMO=0 的情况下，溢出时间为 250ns，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢

出）。

  校准模式下，测量脉冲个数必须大于或者等于预期脉冲个数，当测量脉冲小于预期脉冲个数时，

ALU 不进行计算，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出）。且 EN_ERR_VAL=1 的情况下，结果寄存器 0

输出 0xFFFFFFFFFF。

6.4.2 寄存器设置

主要的设置为:

a. 选择测量预期脉冲个数

  寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；

  寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

b. 选择测量精度

  寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 23ps，但仅有一个 stop 通道可用。

DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 46ps，这时两个 stop 通道都可用。

c. 校准选择

  在校准模式下，高速晶振和校准都必须开启，寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19

  START_CLKHS=1

d. 产生 CAL 值

  在校准模式下，必须选择产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产生 CAL 值。

e. 溢出选择

  在校准模式下，必须开启溢出，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 开启溢出时间，且溢出时间和寄存器

bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

f. 选择输入触发方式

  可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当 RFEDGE

= 0 时，NEG_X = 0 则上升沿触发，NEG_X = 1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的 Bit0&1(REFDGE1 &

FEDGE2)，可以选择 STOP 下降沿单独触发(RFEDGE=0)还是上升沿和下降沿同时触发(RFEDGE=1)，当

RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

g. 中断

  中断引脚 INT 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择,由于 Reg bit 5=1 中断输

出最早，Reg bit 4=1 输出最晚，用户可以根据实际情况进行选择。

   Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好 。

   Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到。

   Reg bit 6 = 1 测量时间溢出&TDC 溢出。

h. 高速时钟分频

  由于校准测量时间小于 2×Tref，所以需要测量时间增长的话，需要设置高速时钟分频，在寄存器的

Bits20-21(DIV_CLKHS)中进行设置，但 2×Tref 不能超出测量范围最大值 4μs。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

典型应用图

MS1002&MS1022&MS1003 主要性能对比

封装外形图

QFN20

——爱研究芯片的小王

审核编辑 黄宇