基于MS1022的時間間隔測量系統設計

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造成時間上的延遲，只是延遲大小的區別。在高速應用場合或對時間要求比較高的情況下，信號經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特性。比如比較器、驅動器、電平轉換器件等，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，對自動化測量系統的要求就越高。

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

1 MS1022

既然電信號通過任何電路都會造成時間上的延遲，集成電路的設計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間來實現時間間隔的測量。測量精度由信號通過MS1022內部門電路的最短傳播延遲時間決定。

MS1022的工作電壓范圍是2.5～3.6V，具備4線SPI通訊接口。內置溫度測量電路，可以對溫度引入的誤差進行校準。MS1022內部集成了模擬開關、比較器、施密特觸發器等，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，這里借助其內部的TDC電路實現高精度的時間間隔測量。

■1.1 TDC測量原理

TDC測量原理如圖1所示。START和STOP是兩個待測的邊沿信號，測量單元由START信號觸發，接收到STOP信號時停止。START和STOP信號之間的時間間隔由門電路的個數決定，而每個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，可以針對不同的應用場景，其中：

測量范圍1：

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

測量范圍2：

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

2 時間間隔測量系統

現采用MS1022測量范圍1中的2個stop通道結合1個start通道的測量方式，實現時間間隔的測量。

■2.1 測量機制

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

圖2 TDC測量機制

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

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

■2.2 測量方案

基于MS1022的時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APM32F030K6T6，MCU的主要功能是通過SPI總線和MS1022通訊，由MCU向MS1022發送初始化命令、開始測量命令、獲取測量結果等。

圖3 基于MS1022的時間間隔測量電路

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。MS1022外接4MHz的陶瓷晶振，確保系統工作穩定，減小溫度對系統的影響。START引腳接MCU，由MCU控制MS1022是否開啟測量；INIT引腳接MCU，測量結束后產生中斷通知MCU獲取數據；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）為低電平的狀態下，對MS1022進行初始化操作，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關閉Fire up和Fire down功能，開啟噪聲單元，關閉相位噪聲移位單元；寄存器6將STOP1和STOP2設置為數字輸入端，關閉EEPROM動作結束中斷。另外寄存器3設置為0x83000000, 寄存器4設置為0x84200000。

（2）邊沿測量

如果寄存器0中設置的是下降沿觸發，則MCU通過START引腳發送一個下降沿信號，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2μs后自動停止工作。

（3）數據解析

MS1022在測量結束后，根據寄存器1中HIT1和HIT2的設置開始處理數據，把結果發送到輸出寄存器中。由于寄存器0開啟了校準，傳輸到輸出寄存器的是32位的浮點數。待求的時間間隔Time = RES_X * Tref * N，其中RES_X是32位浮點數，Tref是4MHz晶振的時鐘周期，N=1,2,4，如果分頻系數為0，則N=2^0=1。

利用該測量方案，可以實現任意邊沿之間的時間間隔的測量。以下以傳播延遲為例，驗證該測量系統的可行性。

3 傳播延遲的測量

■3.1 電平轉換器的傳播延遲

TS8111是坤元微電子的一款單通道、高速、同向的電平轉換器。TS8111作為兩個系統之間電平轉換的橋梁，典型應用如圖4所示，A是信號輸入引腳，B是信號輸出引腳；VCCA是輸入信號側的供電電源，和輸入信號電平保持一致；VCCB是輸出信號側的供電電源，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可以實現該電壓范圍內任何電壓之間的電平轉換。

圖4 TS8111典型應用

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，傳播延遲tPLH=1.1ns, -40℃的環境溫度下，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間間隔，而傳統的測量方法無法對其進行準確的測量。

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，需要用到自動化測量方案。常規的自動化測量方案采用測試機，利用測試機自帶的時間測量模塊，可實現快速高效測量。但是測試機的時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間間隔，測試機則不能勝任。

現在利用基于MS1022的時間間隔測量系統實現傳播延遲的測量，STOP1信號代表TS8111的輸入信號，STOP2信號代表其輸出信號，STOP1和STOP2信號的時間間隔t2-t1就是待求的TS8111的傳播延遲。因為TS8111是同向器件，所以STOP1和STOP2同時為上升沿或同時為下降沿。

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，CMP是比較器，CBIT1和TMU0接測試機。

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過一路相同的路徑到達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范圍內可調，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。

以測試機為主導，MCU輔助，系統完整的流程如下：

首先，測試機通過CBIT1向MCU發送開始測試的指令，MCU收到開始指令后，向TDC發送開始測量的指令，同時通過Start_TDC引腳向TDC發送一個邊沿信號作為TDC的START信號。延時500ns（可適當縮短以減小測量周期）后，MCU通過Pulse_Test引腳向DUT發送一個邊沿信號，作為DUT的輸入信號，其中Level_Shift的作用是電平轉換以及提供快邊沿的信號。TDC測量結束后會通過INT引腳（圖中未標出）向MCU發送一個中斷信號。MCU捕獲到中斷信號后，向TDC請求測試結果，MCU獲取到測量結果后，將結果解析為最終的傳播延遲數據。

最后，MCU將傳播延遲數據放大合適的固定倍數，利用定時器產生一個以放大后的數據作為脈寬的脈沖，通過t_OUT引腳發送給測試機。測試機通過其內部的時間測量單元，便可以測量出放大后的傳播延遲數據。這樣便可以實現高速高效的自動化量產測試。注意放大倍數足夠大時可忽略該步驟引入的誤差，但是過大的倍數會增大測量周期。

實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，捕獲所有信號的下降沿；測量tPLH時，捕獲所有信號的上升沿。需要保證待測START邊沿距離待測STOP邊沿的時間大于20ns且小于2.4μs；同時待測邊沿的邊沿時間要盡量短。

圖7 START和STOP引腳實際測量波形

■3.3 測量結果

為了提高數據穩定性，避免數據分布在最小分辨率的整數倍上，可以在每個測量周期內多次測量并求平均值。為了使測量結果更接近實際值，需要對系統進行校準。比如兩個STOP信號的路徑差異引入的固定誤差，可以通過校準消除。

為了驗證結果的準確性，將TDC測量的值和示波器測量的結果進行對比驗證。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方案測量的結果，差值穩定，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方案測量的結果，差值同樣穩定，如圖8所示。這樣便可以利用該時間間隔測量系統，代替示波器實現納秒級甚至更小的時間間隔的高精度測量。

表1 VCCB=3.6V時，不同VCCA下的傳播延遲

圖8 VCCA=3.6V時，不同VCCB下的傳播延遲

4 結束語

利用MS1022測量時間間隔的方法，分辨率高，測量范圍下限低，測量周期短，成本低，適用于自動化測量納秒級或更小的時間間隔。基于MS1022的時間間隔測量系統，除了應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間等。