1 TDC-GP2的特性分析
    TDC-GP2是德國ACAM公司繼TDC-GP1之后新推出的一款高精度時(shí)間間隔測量芯片。與前代芯片相比，具有更高的精度、更小的封裝和更低的價(jià)格，更適合于低成本工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。TDC-GP2內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要由脈沖產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)處理單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、溫度測量單元、時(shí)鐘控制單元、配置寄存器以及與單片機(jī)相接的SPI接口組成。在實(shí)際應(yīng)用中，由于TDC-GP2的功耗很低，使得TDC-GP2的輸入／輸出電壓(工作電壓)為1．8～5．5 V，核心電壓為1．8～3．6 V，所以可以采用電池供電，使用方便。同時(shí)單片機(jī)由4線的SPI接口相連，可以把TDC-GP2作為單片機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備來操作。通過內(nèi)部ALU單元計(jì)算出時(shí)間間隔，并將結(jié)果送入結(jié)果寄存器保存起來。通過對TDC-GP2內(nèi)部寄存器的設(shè)置，可以多次采樣并將結(jié)果保存。TDC-GP2是基于內(nèi)部的模擬電路測量“傳輸延時(shí)”來進(jìn)行的，是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測量的。TDC-GP2時(shí)間間隔測量原理如圖2所示。

    START信號與STOP信號之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)決定，而非門的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確的確定。同時(shí)，由于門電路的傳輸時(shí)間受溫度和電源電壓的影響比較大，因而該芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了鎖相電路和標(biāo)定電路。
    在時(shí)間測量芯片TDC-GP2的測量范圍1中，兩個(gè)STOP通道共用一個(gè)START通道。每個(gè)通道的典型分辨率為50 ps，每個(gè)STOP通道都可以進(jìn)行4次采樣。具有15 ns間隔脈沖對的分辨能力，測量范圍為2．0～1．8μs，每個(gè)通道都可以選擇上升沿或下降沿觸發(fā)。ENABLE引腳提供強(qiáng)大的停止信號產(chǎn)生的功能，可測量任意兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔。

2 IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間測量的原理
    IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的精確測量，是通過測量IG-BT的控制信號、驅(qū)動信號和導(dǎo)通電流信號間的時(shí)間間隔得到的，流程圖見圖3。通過信號處理隔離電路將控制信號、驅(qū)動信號和導(dǎo)通電流信號輸入時(shí)間測量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控制信號作為時(shí)間測量芯片TDC-GP2的START端口輸入，驅(qū)動信號和IGBT的導(dǎo)通電流信號作為STOP1和STOP2端的兩個(gè)脈沖輸入。由此可得START與STOP1端口的時(shí)間間隔為控制信號與驅(qū)動信號的延遲時(shí)間；START與STOP2端口的時(shí)間間隔為控制信號與IGBT導(dǎo)通信號的延遲時(shí)間，兩者的時(shí)間差即為IGBT相對于驅(qū)動信號的導(dǎo)通延遲時(shí)間。

3 IGBT延遲導(dǎo)通時(shí)間測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由脈沖信號取樣器、脈沖輸入信號整形電路、TDC-GP2測量電路、AT89S52單片機(jī)、液晶顯示電路、電源電路、時(shí)鐘電路組成。TDC-GP2的每個(gè)測量通道都提供一個(gè)使能引腳，可獨(dú)立地設(shè)置這兩個(gè)引腳進(jìn)行通道選擇。TDC-GP2需要一個(gè)2～8 MHz的高速時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)用。TDC-GP2只是在進(jìn)行時(shí)間測量時(shí)才必須用振蕩器，且能夠自動控制振蕩器的開啟時(shí)間。

    整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路連接如圖4所示。

    整個(gè)系統(tǒng)分為單片機(jī)系統(tǒng)模塊、TDC-GP2測量模塊和顯示模塊三部分。TDC-GP2作為系統(tǒng)測量核心單元，可直接對信號時(shí)間間隔進(jìn)行測量，并通過單片機(jī)處理后將時(shí)間間隔數(shù)值在液晶顯示器上顯示。與常用的測量方法相比，該方法所需外圍器件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低。
3．2 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測量單元由START信號觸發(fā)，接收到STOP信號后停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出START信號和STOP信號之間的時(shí)間間隔，測量范圍可達(dá)20位。在3．3 V和25℃時(shí)，GP2的最小分辨率是65 ps，RMS噪音約是50 ps(0．7 LSB)。溫度和電壓對門電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響，通常通過校準(zhǔn)來補(bǔ)償由溫度和電壓變化引起的誤差。在校準(zhǔn)過程中，TDC測量一個(gè)和兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期的時(shí)序如圖5所示，其測量范圍受計(jì)數(shù)器大小的限制：
    tyy=BIN×26 224△1．8μs。

    初始化之后，TDC-GP2高速測量單元接收到START脈沖后開始工作，達(dá)到設(shè)置的采樣數(shù)或者遇到測量溢出后才停止工作。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于根據(jù)需要設(shè)置TDC-GP2的工作模式和讀取其內(nèi)部的測量數(shù)據(jù)。在測量結(jié)尾，ALU開始依照HIT1和HIT2的設(shè)置處理數(shù)據(jù)并把結(jié)果送入輸出寄存器。如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，ALU傳輸16位原始數(shù)據(jù)到輸出寄存器；如果進(jìn)行校準(zhǔn)，則ALU傳輸32位的固定浮點(diǎn)數(shù)到輸出寄存器。然后通過單片機(jī)AT89S52處理后，在液晶顯示器讀取時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，其測量流程如圖6所示。

4 結(jié) 語
    該系統(tǒng)充分利用TDC-GP2的優(yōu)良特性，通過其高精度時(shí)間間隔測量功能實(shí)現(xiàn)了。IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間間隔的測量。該系統(tǒng)測量范圍為2．0 ns～1．8 μs，其主要性能指標(biāo)能滿足測量IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于IGBT導(dǎo)通的電流信號是納秒量級的高頻信號，因此在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以滿足測量導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間間隔的需要。另外，單片機(jī)的工作頻率較低，為了進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的工作速度，甚至增加更多的附加功能，可以考慮用工作頻率更高的控制芯片作為系統(tǒng)的控制核心；同時(shí)也可以通過使用更高精度的時(shí)間間隔測量芯片來提高測量精度。