I convertitori tempo-digitale integrati semplificano i progetti di telemetria in base al tempo di volo

I convertitori tempo-digitale (TDC) sono dispositivi elettronici che misurano con precisione il tempo trascorso tra un impulso di avvio e uno o più impulsi di arresto. Semplificano notevolmente la misurazione del tempo di volo (ToF) in un'ampia gamma di applicazioni, integrando tutte le funzioni di quello che è essenzialmente un cronometro elettronico. Queste funzioni sono fondamentali per la misurazione telemetrica.

Ad esempio, in un telemetro a ultrasuoni, il tempo che intercorre tra un impulso ultrasonico trasmesso e l'eco ricevuto da un bersaglio (Figura 1) è proporzionale alla distanza tra il trasmettitore e il bersaglio stesso.

Figura 1: Un telemetro a ultrasuoni misura il tempo che intercorre tra un impulso trasmesso (a sinistra) e il riflesso di un bersaglio (a destra) per determinare la distanza tra di essi. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

L'impulso trasmesso si propaga verso il bersaglio, da cui viene riflesso, dopodiché viene rilevato dal trasduttore. In questo esempio, il viaggio di andata e ritorno dura 3,5 ms, quindi l'impulso ultrasonico si trova a 1,75 ms dal bersaglio. A 22 °C, la velocità del suono è di 344 metri al secondo (m/s), quindi la distanza è 0,00175 x 344 = 0,6 m.

Applicazioni simili che utilizzano la misurazione della distanza, come il radar, il telerilevamento tramite LiDAR (rilevamento e telemetria tramite onde luminose) e il sonar, utilizzano anche il ToF tra un impulso trasmesso e un'eco riflessa per determinare la distanza da un bersaglio. Questo sistema sta diventando sempre più comune nel settore automotive, grazie alla proliferazione dei dispositivi di rilevamento. I calcoli ToF sono necessari anche nelle misurazioni della portata effettuate tra i trasduttori in direzione monte e valle per determinare la velocità del fluido.

Semplificazione della funzione del TDC

I progettisti puntano a semplificare il più possibile la funzione del TDC per risparmiare tempo e spazio. È sulla base di questa richiesta che si sono resi disponibili TDC altamente integrati. Ad esempio Texas Instruments propone il modello TDC7201ZAXR (Figura 2), un circuito integrato (CI) a doppio TDC destinato al rilevamento della distanza in applicazioni automotive come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) che utilizzano tecniche ToF. TDC7201ZAXR presenta due modalità di misurazione: la modalità 1 copre da 12 a 2000 ns, mentre la modalità 2 va da 250 ns a 8 ms. La risoluzione temporale in entrambe le modalità è di 55 ps. Questo TDC utilizza un clock esterno, un oscillatore ad anello interno e i rispettivi contatori per misurare il ToF tra un impulso di avvio comune e fino a sei impulsi di arresto.

Figura 2: Il diagramma a blocchi funzionali di TDC7201ZAXR mostra i core del doppio TDC che utilizzano oscillatori ad anello indipendenti, contatori approssimativi, clock esterni e contatori di clock. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TDC7201ZAXR è alimentato da una sorgente da 2 a 3,6 V c.c. Internamente, un regolatore a bassa caduta di tensione fornisce una fonte di alimentazione stabile per la base di riferimento temporale del TDC. I comparatori a trigger di Schmitt condizionano e modellano i segnali di avvio e di arresto in ingresso. L'oscillatore ad anello di ogni TDC è il meccanismo primario di misurazione del tempo dei core del TDC. Il contatore approssimativo è associato all'oscillatore ad anello, mentre il clock esterno pilota il contatore di clock. Il clock esterno deve essere una sorgente stabile in frequenza, poiché la precisione di temporizzazione del TDC dipende direttamente dalla precisione del clock. Il clock esterno è un riferimento per la calibrazione della base di riferimento temporale interna basata sull'oscillatore ad anello. La frequenza di clock consigliata va da 8 a 16 MHz per una precisione di temporizzazione ottimale.

L'esame delle modalità operative del TDC ci aiuta a capire come funziona. La modalità 1, per un intervallo di temporizzazione inferiore a 2000 ns, utilizza l'uscita dell'oscillatore ad anello e il contatore approssimativo (Figura 3).

Figura 3: La modalità 1 utilizza l'oscillatore ad anello esclusivamente per pilotare il contatore approssimativo, ottenendo una risoluzione temporale di 55 ps per tempi inferiori a 2000 ns. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il periodo dell'oscillatore ad anello stabilisce la risoluzione temporale, nominalmente 55 ps, determinata con precisione dalla calibrazione interna rispetto al clock esterno. I ToF tra l'impulso di avvio e fino a sei impulsi di arresto sono memorizzati in posizioni di registro specifiche.

La modalità 2 aumenta l'intervallo di tempo a 8 ms mantenendo la stessa risoluzione temporale nominale di 55 ps (Figura 4).

Figura 4: La modalità 2 utilizza il contatore dei periodi del clock esterno e il contatore approssimativo che conta i periodi dell'oscillatore ad anello tra l'impulso di avvio e il clock esterno successivo e tra l'impulso di arresto e il clock esterno successivo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il contatore approssimativo funge da nonio, misurando il tempo tra l'impulso di avvio e il successivo fronte del clock esterno. Misura anche il tempo tra gli impulsi di arresto e i successivi fronti del clock esterno. Questa combinazione si traduce in una risoluzione temporale pari a quella del contatore approssimativo, estendendo al contempo l'intervallo di misurazione.

TDC7201ZAXR è controllato tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI), che differenzia i due TDC utilizzando la linea chip-select. Le uscite del tempo misurato e la configurazione del dispositivo sono realizzate tramite l'interfaccia SPI.

Per mettere alla prova questo TDC, iniziate con la scheda di valutazione TDC7201-ZAX-EVM. Questa scheda consente di valutare il funzionamento e le prestazioni di TDC7201 e dispone di un'interfaccia grafica utente (GUI) intuitiva.

Analog Devices offre MAX35101EHJ+, un TDC per applicazioni contatori di calore e flussometri. Offre una risoluzione temporale di 20 ps e un intervallo massimo di 8 ms. Dispone inoltre di un front-end analogico (AFE) completo sotto forma di amplificatore e comparatore. Offre anche misurazioni della temperatura ad alta precisione, una memoria non volatile da 8 kB per la registrazione dei dati e un clock in tempo reale.

Un contatore di calore misura l'energia termica determinando la velocità del fluido in un sistema di riscaldamento ad acqua calda grazie a misurazioni ToF in entrambe le direzioni del flusso (Figura 5).

Figura 5: Un contatore di calore basato sulle misurazioni ToF determina la velocità dell'acqua attraverso il corpo del condotto utilizzando trasduttori piezoelettrici a monte e a valle. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un contatore di calore misura l'energia termica erogata attraverso un radiatore. Utilizzando una termoresistenza (RTD), misura le temperature di ingresso e di uscita. Il corpo assicura il passaggio dell'acqua attraverso un'apertura di diametro noto. Il corpo contiene i trasduttori piezoelettrici che MAX35101EHJ+ aziona nelle direzioni a monte e a valle. La differenza delle misurazioni ToF fornisce la velocità del flusso d'acqua. Questa informazione, combinata con l'area di apertura nota, può essere utilizzata per determinare il volume del flusso. Combinando questo dato con la caduta di temperatura, è possibile calcolare la quantità di energia termica dissipata dal radiatore. MAX35101EHJ+ è autonomo ed esegue tutte le misurazioni richieste.

Conclusione

Il TDC è un componente critico che consente molte misurazioni del ToF in applicazioni automotive, industriali e di ricerca. Per semplificare la progettazione, Texas Instruments e Analog Devices offrono dispositivi altamente integrati e performanti. Sono inoltre disponibili schede di valutazione per garantire che i dispositivi soddisfino i criteri specifici dell'applicazione.