基于Microchip 單片機(jī)CTMU模塊的時(shí)間測(cè)量

使用CTMU實(shí)現(xiàn)精確

時(shí)間測(cè)量和傳感應(yīng)用課程目標(biāo)完成本課程后，您將：熟悉CTMU模塊了解如何將CTMU用于精確時(shí)間測(cè)量了解如何將CTMU用于電感測(cè)量課程安排CTMU模塊簡(jiǎn)介精確時(shí)間測(cè)量電感測(cè)量什么是CTMU？充電時(shí)間測(cè)量單元什么是CTMU？CTMU代表“充電時(shí)間測(cè)量單元”它是一種靈活的模擬模塊，與其他片上模擬模塊配合使用時(shí)，可以精確地測(cè)量時(shí)間、電容、電容相對(duì)變化或產(chǎn)生異步輸出脈沖許多PIC24F和PIC18F系列單片機(jī)中都有提供CTMU的關(guān)鍵特性恒流源范圍：0.55uA、5.5uA、55uA和550uA電流源在每個(gè)范圍中，可按2%的步幅進(jìn)行微調(diào)，最高可調(diào)至+/-62%通過(guò)外部或內(nèi)部觸發(fā)源觸發(fā)Timer1、輸出比較、輸入捕獲、軟件觸發(fā)和兩個(gè)外部引腳的任意組合4個(gè)邊沿輸入觸發(fā)源每個(gè)邊沿源的極性控制邊沿順序控制控制對(duì)邊沿的響應(yīng)電荷測(cè)量<1納秒的時(shí)間測(cè)量分辨率與ADC配合工作CTMU框圖CTMUCONCTMUICON邊沿

控制邏輯外部邊沿

觸發(fā)引腳Timer1OC1脈沖輸出

引腳比較器2的輸入電流源電流控制A/D轉(zhuǎn)換器CTMU

控制邏輯A/D轉(zhuǎn)換

觸發(fā)脈沖

發(fā)生邏輯比較器2的輸出軟件觸發(fā)CTMU電流源

至A/D轉(zhuǎn)換器

CTMU電流源觸發(fā)源啟動(dòng)/停止電流源放電

電流源對(duì)外部電路充電可微調(diào)電流源范圍：0.55uA、5.5uA和55uAPIC?MCUA/D與CTMUCTMU與ADC接口A/D轉(zhuǎn)換器電流源A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)CTMUCADMUXCTMU的用途時(shí)間測(cè)量TDR電纜長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)差測(cè)量（超聲波）流量距離電感測(cè)量流量計(jì)LCR測(cè)量?jī)x溫度測(cè)量自動(dòng)調(diào)溫器使用CTMU

進(jìn)行時(shí)間測(cè)量CTMU如何測(cè)量時(shí)間A/D轉(zhuǎn)換器電流源CADVAD放電CTMU邊沿

控制邏輯外部邊沿

觸發(fā)引腳VADC=CAD+CPIN+CSTRAY放電充電開(kāi)始充電停止時(shí)間測(cè)量的基本公式

EE101基本公式：電容中的瞬時(shí)電流

i=C*(dv/dt)I和C是常量，所以重新調(diào)整公式…

dt=(C/I)*dv積分之后：

T=(C/I)*V+K

公式1

通常K將為0

因此，T與V成正比CTMU分辨率(PIC24FXXGA)使用10位A/D（1024個(gè)計(jì)數(shù)）

假設(shè)I

=55uAC

=CAD+CPIN+CSTRAY=15pFA/DVREF=VDD

如果VDD=3.0V，則1個(gè)A/D計(jì)數(shù)=V

=3.0/1024=2.93mV

CTMU時(shí)間分辨率為T

=(15pF/55uA)*2.93mV=0.799nS

因此，分辨率可達(dá)到<1納秒IC=TVCTMU分辨率(PIC18FK90)使用12位A/D（4096個(gè)計(jì)數(shù)）

假設(shè)I

=55uAC

=CAD=25pFA/DVREF=VDD

如果VDD=3.0V，則1個(gè)A/D計(jì)數(shù)=V

=3.0/4096=0.7324mV

CTMU時(shí)間分辨率為T

=(25pF/55uA)*0.7324mV=0.333nS

因此，分辨率可達(dá)到<0.5納秒IC=TVCTMU分辨率(PIC24FJGA310)使用12位A/D（4096個(gè)計(jì)數(shù)）

假設(shè)I

=550uAC

=CAD=4.4pFA/DVREF=VDD

如果VDD=3.0V，則1個(gè)A/D計(jì)數(shù)=V

=3.0/4096=0.7324mV

CTMU時(shí)間分辨率為T

=(4.4pF/550uA)*0.7324mV=0.006nS

因此，分辨率可達(dá)到<10皮秒IC=TVCTMU分辨率(PIC24FJGA310)使用12位A/D（4096個(gè)計(jì)數(shù)）

假設(shè)I

=55uAC

=CAD=4.4pFA/DVREF=VDD

如果VDD=2.5V，則1個(gè)A/D計(jì)數(shù)=V

=2.5/4096=0.61035mV

CTMU時(shí)間分辨率為T

=(4.4pF/55uA)*0.61035mV=0.049nS

因此，分辨率可達(dá)到<50皮秒IC=TV如何提高分辨率存在一些方法…降低A/DVREF使用外部2.5vVREFT=(15pF/55uA)*(2.5/1024)=0.666nS使用內(nèi)部帶隙參考電壓作為VREF

使用內(nèi)部CTMU通道（無(wú)外部引腳連接）只有CAD，消除CPIN+CSTRAYC越小，T就越小T=(4pF/55uA)*(3.0/1024)=0.213nS

使用外部高分辨率ADC使用外部16位ADC假設(shè)電容倍增為30pFT=(30pF/55uA)*(3.0/65536)=24.9pS!!!CTMU動(dòng)態(tài)范圍(PIC24FXXGA)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍受以下因素限制：總電容（CAD+CPIN+CSTRAY

）充電電流最大A/D輸入電壓

假設(shè)10位A/D（1024個(gè)計(jì)數(shù)）

I=55uAC=CAD+CPIN+CSTRAY

=15pF

分辨率為（基于前面的幻燈片）T

=(25pF/55uA)*2.93mV=0.799nS

因此，動(dòng)態(tài)范圍為0.799nS*1024個(gè)A/D計(jì)數(shù)=818nS或(15pF/55uA)*3.0v=818nSIC=TVCTMU動(dòng)態(tài)范圍(PIC18FK90)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍受以下因素限制：總電容（CAD+CPIN+CSTRAY

）充電電流最大A/D輸入電壓

假設(shè)12位A/D（4096個(gè)計(jì)數(shù)）,Vref=3V

I=55uAC=CAD+CPIN+CSTRAY

=15pF

分辨率為（基于前面的幻燈片）T

=(25pF/55uA)*0.7324mV=0.333nS

因此，動(dòng)態(tài)范圍為0.333nS*4096個(gè)A/D計(jì)數(shù)=1364nS或(25pF/55uA)*3.0v=1364nSIC=TVCTMU動(dòng)態(tài)范(PIC24FJGA310)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍受以下因素限制：總電容（CAD+CPIN+CSTRAY

）充電電流最大A/D輸入電壓

假設(shè)12位A/D（4096個(gè)計(jì)數(shù)）,Vref=2.5V

I=55uAC=CAD

=4.4pF

分辨率為（基于前面的幻燈片）T

=(4.4pF/55uA)*0.6103mV=0.048nS

因此，動(dòng)態(tài)范圍為0.048nS*4096個(gè)A/D計(jì)數(shù)=200nS或(4.4pF/55uA)*2.5v=200nSIC=TVPIC18F87K90PIC24FJ128GA310PIC24FJGB004MCUProfile8bit,16MIPS,1.8-5V16bit,16MIPS,1.8-3.3V16bit,16MIPS,1.8-3.3VLCDControllerOnchipOnchipExternalADC12bit12bit10bitCurrentSource55uA550uA55uATimeResolution200pS50pS200pSFlash/RAMSize128/4KB128/8KB64/8KBOnchipEEP1KB-Package64,8064,80,10020,28,44,48US-Benchmarkdata動(dòng)態(tài)范圍注意事項(xiàng)為了維持恒流，CTMU電流源需要一個(gè)很小的電壓開(kāi)銷通常為VDD-0.5v將CTMU動(dòng)態(tài)

范圍限制為

A/D輸入范圍

的85%，即2.8vVDD=3.3v電流源電壓開(kāi)銷（VDD-0.5v）或使用外部

2.5vA/D參考

電壓。這將

允許100%的

A/D輸入范圍電流對(duì)C充電電流源CTMU精度根據(jù)設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)之后CTMU電流源的精度為（~1%）線性工作范圍內(nèi)的典型值VDD電壓范圍內(nèi)的典型值不同溫度下的典型值假設(shè)I=55uAC

=CAD+CPIN+CSTRAY=15pFA/DVREF=外部2.5v

動(dòng)態(tài)范圍T為

(15pF/55uA)*2.5v=682nS線性工作范圍內(nèi)的精度為~1%*682ns=

~6.8nSA/D精度（0.1%）假設(shè)1LSB(1/1024)=0.0009765CTMU精度是主要決定因素校準(zhǔn)CTMU校準(zhǔn)決定CTMU的增益和失調(diào)無(wú)需確定C和I的精確值；只需確定斜率即可步驟1——已知T1（充電2個(gè)TCY的時(shí)間）；測(cè)量V1步驟2——已知T2（充電8個(gè)TCY的時(shí)間）；測(cè)量V2步驟3——確定兩點(diǎn)之間的斜率(T2-T1)/(V2-V1)=C/I步驟4——代入并求解失調(diào)K根據(jù)EE101基本公式：T=(C/I)*V+K

公式1T1T2V1V2T1=(C/I)*V1+KT2=(C/I)*V2+K計(jì)算C/I求解失調(diào)K：如果y=mx+b，則代入…T2=(C/I*V2)+K且K=T2–(C/I*V2)如何測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間

是否可以擴(kuò)大CTMU的動(dòng)態(tài)范圍？絕對(duì)可以！——存在幾種方式…增大電容C增大時(shí)，T會(huì)增大

T=(100pF/55uA)*2.5v=4.54uS降低電流I降低時(shí)，T會(huì)增大

T=(15pF/34uA)*2.5v=1.1uS在兩種情況下，C的充電時(shí)間都會(huì)變長(zhǎng)，擴(kuò)大時(shí)間測(cè)量的周期但是，這兩種方法都會(huì)降低分辨率如何才能既擴(kuò)大CTMU動(dòng)態(tài)范圍而又不損失分辨率？這是CTMU的一個(gè)關(guān)鍵特性，所以我們將在下一張幻燈片中詳細(xì)介紹它…IC=TV測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間

將CTMU與輸入捕捉（ICAP）、輸出比較（OCMP）或Timer1組合使用

基于指令時(shí)鐘周期TCY提供“粗粒度的”同步時(shí)間間隔（例如，對(duì)于PIC24F，以16MIPS工作時(shí)，指令時(shí)鐘周期為62.5納秒）CTMU用于測(cè)量“細(xì)粒度的”異步時(shí)間間隔測(cè)量總時(shí)間等于粗粒度時(shí)間+細(xì)粒度時(shí)間ICAP示例=TCY*(8002–2)+(T1–T2)=500微秒+(T1-T2)ICAP0800221TCY異步脈沖8001T2V1V2T1CTMU充電

通過(guò)異步邊沿

檢測(cè)啟動(dòng)CTMU充電

通過(guò)ICAP

觸發(fā)停止

測(cè)量更長(zhǎng)時(shí)間時(shí)的精度精度粗粒度測(cè)量精度取決于晶振100ppm晶振（