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[分享] 高精度时间测量MS5350应用在激光测距仪超声波避障检测等

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发表于 2022-7-5 21:46:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
MS5350描述
MS5350 是一款高精度时间测量电路,它具有高精度,高稳定性,高效率的特点;它的测量精度高达 15PS,测量范围在 4MHZ 时从 500NS 到 16MS,在第一波模式情况下,内部比较器的 offset 可编程范围为± 127mV,而且还另外增加了±64mV 的比较偏置电压;测量最多 8 个回波脉冲,测量完成后 8 个回波脉冲值及 8 个回波脉冲的和均有独立的结果寄存器,该测量模式既提高精度,也大大降低了测量功耗。
主要特点
时间测量单元:
测量精度高达 15ps,1LSB 达 3.8 ps
测量范围 500ns 到 16ms @4MHZ
最多可以测量 8 个回波信号,而且将 8 个回波信号测量值进行累加并放入结果寄存器
具有高精度脉宽检测单元
模拟输入电路:
内嵌稳定低漂移精密比较器,失调电压 1mv(典型)
内嵌可编程比较器偏置电压,编程电压-64~62MV
内嵌第一波检测功能,且可编程偏置电压达±127 mV
模拟部分在非测量时间进行关闭,功耗小于 50nA
脉冲发生单元:
内嵌两个脉冲发生器,单个最多可生成 127 个脉冲
脉冲发生器发送脉冲频率从 62.5KHZ~2MHZ @4MHZ
脉冲发生器单个输出电流可达 48MA 电流
两个脉冲输出管脚具有单个反向功能
温度测量单元:
2 个温度传感器,PT500/PT1000
内嵌施密特触发器
超低功耗(每 30 秒测量一次时为 0.08uA)
其他功能:
上升或/和下降沿触发测量
高精度的 STOP 屏蔽窗口
低功耗 32K 振荡器(4UA)
4 线 SPI 通信接口
工作电压 2.5V 至 3.6V
工作温度-40℃至+125℃
QFN24封装
应用
超声波测距仪
激光测距仪
超声波避障检测
封装图


内部框图


转换器参数


管脚图


管脚说明图
100aaa25a0994bc6ab21df736b6a78d5.png

电源电压
MS5350 为高端数字模拟混合器件。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。
MS5350 提供两对电源供应端口:
Vio- I/O 供电电压
Vcc- 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. Vio 和 Vcc 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:
Vcc47 µF(最小 22 µF)
Vio100 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。
寄存器


寄存器
寄存器是存放配置参数、测量结果、检测状态,是由不同的操作码执行,具体寄存器名称及操作码如下:


功能描述
一、时间测量概述
1.概述
时间测量是由模拟前端、数字 TDC、运算器(ALU)这几部分组成,模拟前端主要负责信号的转换和传递到数字 TDC,数字 TDC 是以精密计数器和粗值计数器组成,负责将前端有效信号转换为单位时间,运算器是将数字 TDC 存储的单位时间校准为基准时钟相关的标准时间,并存储到相应结果寄存器,以下是简单描述:
测量精度可达 15PS,最小分辨率达 3.8PS(1LSB)
最大的测量范围可达 500ns~16ms @ 4MHz
有 8 次 STOP 采样能力,并将 8 次 STOP 进行累加
时间测量都有独立的结果寄存器
在模拟模式下,可选择第一波模式和非第一波模式测量
可选上升/下降沿触发
每个单独的 stop 信号都有一个精度为 10ns 的可调窗口,可提供准确的 stop 使能
2.数字 TDC
数字 TDC 是以精密计数器和粗值计数器组成,精密计数器的测量精度可达 15PS,最小分辨率达3.8ps(1LSB),精密计数器计数范围是 0~2us;而粗值计数器计数范围是 500ns~16ms@ 4MHz, TDC的高速单元并不测量整个时间间隔,仅仅测量从 START 或 STOP 信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间(精密计数器)。在两次精密测量之间,TDC 记下基准时钟的周期数(粗值计数器)。所以时间测量结果是精密测量值和粗略测量值的总和。数字 TDC 具有 8 次 STOP 采样能力,但每个 STOP 间隔不小于 2×Tref。


测量范围受限于粗计数器的大小:
tyy = Tref x 2 16 ≈ 16.4ms @ 4MHzStart 和 Stop 之间的时差以 26 位的测量范围计算。


每一个输入端均可被单独设置成上升沿或者下降沿触发有效可通过设置寄存器 0 的 bit0-2(NEG_START,NEG_STOP1)选择触发沿。
此外所有的 START/STOP 输入端口均支持高电平激活。
注:
如果 Start-Stop 之间的时差小于最小时限 tzz ,则 TDC 将忽略所有小于 tzz的时差脉冲。在任何情况下都不会出现错误的结果。
3.运算器(ALU)
运算器的功能是将数字 TDC 计数的值进行处理,主要将数字 TDC 的数值进行校准,将校准的值保存到相应的结果寄存器寄状态寄存器,另外还将预期的 STOP 总和进行累加并将累加值存入相应结果寄存器,在使用运算器的过程中需要注意以下事项:
在设置“DIV_CLKHS”(寄存器 0 的 17~18BIT)基准时钟时:2* Tref<2US;
如果出现 Timeout 溢出情况,ALU 不会将数字 TDC 的内容进行计算;
ALU 计算需要一定时间,如果 EN_INT_HIT=1,请在中断后等待一段时间再读结果寄存器;
4.模拟前端
模拟前端主要负责信号的转换和传递到数字 TDC,模拟前端是由精密比较器、可编程偏置电压发生器、第一波处理器、高速开关组成;模拟前端可采用数字信号和模拟信号:
当 EN_ANALOG=0 时,模拟前端只能采集数字信号,START 信号从 START(PIN23) 进入,STOP 信号从STOP1(PIN22)进入,输入信号:
当 EN_ANALOG=1 时,内部集成模拟电路输入部分打开,这部分可作为数字输入部分的一个替代输
入。尤其是当设计超声波热量时间测量的时候,这个功能将会大大简化整个电路的设计。信号将会通过一个高通滤波耦合到输入端,模拟信号可以从 STOP1 和 STOP2 两个端口输入,由于内部比较器无法以零点作为触发,比较器的触发电压被设置为 1/3 VCC。模拟选择器将会根据测量的方向来选择不同的测量输入。斩波稳定比较器将会保证较低的电压零点漂移(小于 2mV),这个是高质量测量的前提条件。而比较器的电压零点漂移将会非常频繁的在内部通过斩波电路进行校正。如果温度或者电压随时间变化的话,那么电压零点漂移将会自动被调整到小于 2 mV。
所有的元件都通过 MS5350 的控制单元进行控制。他们仅在测量的过程中开启,从而来降低整体测量功耗。
比较器的偏移电压 offset 的设置可以以 2mV 为基础进行,从 - 64mV 到 +62 mV。这个设置是通过寄存器 0 中参数 offset, Bit 0-5 进行设置,以 2 的补码形式给出。
另外当应用第一波的模式时,可以额外的设定第一个波识别的偏置电压,设置可以以 2mV 为基础进行,从 - 128mV 到 +126 mV。这个设置是通过寄存器 3 中参数 wave_offs, Bit 6-12 进行设置,以 2 的补码形式给出。


温度测量
MS5350 内部集成了高精度的温度测量单元,测量原理是基于电阻对电容的放电时间进行测量,电容将会分别对于参考电阻和温度传感器电阻进行放电,然后通过电阻换算温度传感器的电阻值,从而精确计算出温度。
MS5350 仅可以测量两线制传感器,不能够应用 4 线的传感器。应用 PT500 或者 PT1000 进行温度测量的精度是完全满足热量表所规定的要求。 应用 PT500 或 PT1000 传感器的时候,可以不用两个参考电阻。同时也支持 PT100 传感器的测量,但是测量的稳定性将会有下降。在这个情况下,建议将两个参考电阻全部连接而不是仅仅连接一个电阻。这将有助于通过两点温度校准来补偿温度传感器在整个温度范围的增益偏移。
温度测量是完全自动完成的。通过单片机发送操作码 START_TEMP 或 START_TEMP_RESTART。发送START_TEMP_RESTART,MS5350 将会测量温度两次,两次之间的时间延迟为 50 Hz/60Hz 的倍数。这将会有助于降低 50Hz/60Hz 的噪声。
对于一次温度测量,MS5350 先在 PT1 端口进行 2 或 7 次的热身伪测量,然后按照 PT1 > PT2 端口的顺序进行温度测量。在 4 个端口测量结束之后,中断标志位将会被置位。MS5350 也可以按相反端口顺序进行温度测量,这种情况下热身测量会从 PT2 端口开始。
2 个测量结果将会在温度结果寄存器 Temp_PT1_REG~ Temp_PT2_REG 当中。然后根据结果寄存器的比值可以计算 Rtemp/Rref 的比率。再通过查询温度表格,就可以获得传感器目前测量到的温度值。
典型应用图
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