시간차 거리 측정 설계를 간소화하는 통합 시간 디지털 컨버터

시간 디지털 컨버터(TDC)는 시작 펄스와 하나 이상의 정지 펄스 사이의 시간을 정밀하게 측정하는 전자 장치입니다. 이 장치는 전자 스톱워치에 필요한 모든 핵심 기능을 통합하여 다양한 응용 분야에서 시간차(ToF) 측정을 크게 간소화합니다. 이는 거리 측정의 기본이 되는 기능입니다.

예를 들면 초음파 거리 측정기에서, 전송된 초음파 펄스와 대상으로부터 수신한 에코 사이의 시간(그림 1)은 송신기와 대상 간의 거리에 비례합니다.

그림 1: 초음파 거리 측정기는 전송된 버스트(왼쪽)와 대상의 반사(오른쪽) 사이의 시간을 측정하여 두 지점 간의 거리를 결정합니다. (이미지 출처: Art Pini)

전송된 펄스는 대상으로 전파되고 반사되며, 트랜스듀서가 돌아오는 펄스를 감지합니다. 이 예시에서 왕복에 걸리는 시간은 3.5ms이므로 초음파 펄스는 대상으로부터 1.75ms 거리에 있습니다. 22°C에서 음속은 초속 344m/s이므로 거리는 0.00175 x 344 = 0.6m입니다.

레이더, 광감지 및 거리 측정기(LiDAR), 수중 음파 탐지기 등 거리 측정을 사용하는 유사한 응용 분야에서도 전송된 펄스와 반사된 에코 사이의 ToF를 사용하여 대상까지의 거리를 결정합니다. 거리 측정 장치가 확산됨에 따라 자동차 업계에서 이는 더욱 보편화되고 있습니다. 유량 속도를 결정하기 위해 업스트림 방향과 다운스트림 방향의 트랜스듀서 간 유량을 측정하는 경우에도 ToF를 계산해야 합니다.

TDC 기능 간소화

설계자는 시간과 공간을 절약하기 위해 TDC 기능을 최대한 단순화하려 합니다. 이러한 취지에서 고집적 TDC가 등장하게 되었습니다. 예를 들어, Texas Instruments의 TDC7201ZAXR(그림 2)은 ToF 기술을 사용하는 고급 운전자 지원 시스템(ADAS)과 같은 자동차 응용 제품에서 거리 측정을 하기 위해 사용하는 이중 TDC 집적 회로(IC)입니다. TDC7201ZAXR은 두 가지 측정 모드를 제공합니다. 모드 1은 12ns ~ 2000ns 범위를, 모드 2는 250ms ~ 8ms 범위를 맡습니다. 각 모드의 시간 분해능은 55ps입니다. 이 TDC는 외부 공급 클록, 내부 링 발진기 및 각 카운터를 사용하여 공통 시작 펄스와 최대 6개 정지 펄스 사이의 ToF를 측정합니다.

그림 2: TDC7201ZAXR의 기능별 제품 구성도이며, 독립 링 발진기, 대략적인 카운터, 외부 클록 및 클록 카운터를 사용하는 이중 TDC 코어를 나타냅니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TDC7201ZAXR은 2VDC ~ 3.6VDC 전원으로 작동합니다. 내부적으로 낮은 드롭아웃 조정기가 TDC 시간 기반을 위해 안정적인 전원을 공급합니다. 슈미트 트리거 비교기는 입력 시작 신호와 정지 신호를 조절하고 형성합니다. 각 TDC의 링 발진기는 각 TDC 코어의 기본 시간 측정 메커니즘입니다. 대략적인 카운터는 링 발진기와 연결되어 있고 외부 클록은 클록 카운터를 구동합니다. TDC의 타이밍 정확도는 클록 정확도에 직접적으로 의존하므로 외부 클록은 주파수가 안정적인 소스여야 합니다. 외부 클록은 내부 링 발진기에 기반하여 시간 기반을 보정하기 위한 레퍼런스입니다. 최적의 타이밍 정확도를 위해 권장되는 클록 주파수 범위는 8MHz ~ 16MHz입니다.

TDC 작동 모드를 살펴보면 작동 방식을 이해하는 데 도움이 됩니다. 타이밍 범위가 2000ns 미만인 모드 1에서는 링 발진기 출력과 대략적인 카운터를 사용합니다(그림 3).

그림 3: 모드 1에서는 링 발진기만 사용하여 대략적인 카운터를 구동하므로 2000ns 미만의 ToF에 대해 55ps 타이밍 분해능을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

링 발진기 주기는 외부 클록에 대한 내부 보정에 의해 정밀하게 결정되는 타이밍 분해능(공칭 55ps)을 설정합니다. 시작 펄스와 최대 6개 정지 펄스 사이의 ToF는 특정 레지스터 위치에 저장됩니다.

모드 2에서는 동일한 공칭 55ps 시간 분해능을 유지하면서 시간 범위를 8ms로 늘립니다(그림 4).

그림 4: 모드 2에서는 클록 카운터를 사용하여 외부 클록 주기를 계산하고, 대략적인 카운터를 사용하여 시작 펄스와 다음 외부 클록 사이, 정지 펄스와 다음 외부 클록 사이의 링 발진기 주기를 계산합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

대략적인 카운터는 버니어 역할을 하며 시작 펄스와 다음 외부 클록 에지 사이의 시간을 측정합니다. 정지 펄스와 다음 외부 클록 에지 사이의 시간도 측정합니다. 이 조합은 측정 범위를 확장하는 동시에 대략적인 카운터의 시간 분해능을 제공합니다.

TDC7201ZAXR은 칩 선택 라인을 사용하여 두 TDC를 구분하는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 사용하여 제어됩니다. 측정되는 시간의 출력과 장치 구성은 SPI 인터페이스를 사용하여 수행됩니다.

이 TDC를 사용해 보고 싶다면 우선 TDC7201-ZAX-EVM 평가 기판을 사용해 보세요. 이 기판은 TDC7201의 작동 및 성능을 평가할 수 있으며 간편한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공합니다.

Analog Devices의 MAX35101EHJ+는 열 계측기 및 유량계 응용 제품용 TDC입니다. 20ps의 시간 분해능을 제공하고 지원되는 최대 범위는 8ms입니다. 또한 증폭기 및 비교기 형태의 완전한 AFE(아날로그 프런트 엔드)를 제공합니다. 또한 고정밀 온도 측정, 데이터 로깅을 위한 8KB 비휘발성 메모리, 실시간 클록을 제공합니다.

열 계측기는 업스트림 방향과 다운스트림 방향 모두에서 ToF 측정을 사용하여 온수 가열 시스템 내 유체의 속도를 결정하는 방법으로 열 에너지를 측정합니다(그림 5).

그림 5: ToF 측정 기반 열 계측기는 업스트림 및 다운스트림 압전 트랜스듀서를 사용하여 스풀 본체를 통과하는 유속을 측정합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

열 계측기는 라디에이터를 통해 전달되는 열 에너지를 측정합니다. 저항 온도 감지기(RTD)를 사용하여 입구와 출구의 온도를 측정합니다. 스풀 본체는 직경이 알려진 개방구를 통해 물이 흐르도록 합니다. 스풀 본체에는 MAX35101EHJ+에서 업스트림 방향과 다운스트림 방향으로 펄스를 구동하는 압전 트랜스듀서가 있습니다. ToF 측정값의 차이로 물의 유속을 알 수 있습니다. 알려진 개방구 면적을 결합하면 이 정보를 사용해 유량을 결정할 수 있습니다. 이 정보를 온도 강하와 결합하면 라디에이터에서 방출되는 열 에너지의 양을 계산할 수 있습니다. MAX35101EHJ+는 자급형이며 필요한 모든 측정을 수행합니다.

결론

TDC는 자동차, 산업 및 연구 응용 분야에서 다양한 ToF 측정을 구현하는 중요한 요소입니다. Texas Instruments와 Analog Devices에서 제공하는 고집적, 고기능 장치를 이용해 설계 공정을 간소화할 수 있습니다. 장치가 응용 분야의 기준을 충족하는지 확인하기 위한 평가 기판도 제공됩니다.