MS1205N——激光測距用高精度時間測量(TDC)電路

產(chǎn)品簡述

MS1205N 是一款高精度時間測量(TDC)電路，具有四通

道、多脈沖的采樣能力、高速 SPI 通訊、多種測量模式，適合

于激光雷達和激光測距。

主要特點

? 單精度模式 60ps

? 雙精度模式 30ps

? 非校準(zhǔn)測量范圍 3.5ns(0ns)至 25μs

? 單精度校準(zhǔn)測量范圍 3.5ns(0ns)至 16μs

? 雙精度校準(zhǔn)測量范圍 3.5ns(0ns)至 4μs

? 20ns 最小脈沖間隔，四通道最多可接收 40 個脈沖

? 4 線 SPI 通信接口

? 工作電壓 2.5V 至 3.6V

? 工作溫度-40°C 至+125°C

? QFN40 封裝

應(yīng)用

? 激光雷達

? 激光測距

? 脈沖測量

產(chǎn)品規(guī)格分類

管腳圖

管腳說明

內(nèi)部框圖

極限參數(shù)

芯片使用中，任何超過極限參數(shù)的應(yīng)用方式會對器件造成永久的損壞，芯片長時間處于極限工作

狀態(tài)可能會影響器件的可靠性。極限參數(shù)只是由一系列極端測試得出，并不代表芯片可以正常工作在

此極限條件下。

推薦工作條件

沒有特別規(guī)定，環(huán)境溫度為 Ta = 25°C ±2°C 。

*包括晶振管腳 XIN, XOUT

電氣參數(shù)

直流特性

Vcc = Vdd = 3.0 V, Tj = -40 到 +85°C。

如有需求請聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

功能描述

1. SPI接口

MS1205N 有 2 個 SPI 接口，分別控制 1# 和 2#，SPI 接口是與 4 線制 SPI 兼容的，它需要一個 Serial

Select Not(SSN)信號，因此不能工作在 3-線制 SPI 接口。

SSN 的下降沿或者第一個 SCK 的上升沿將會復(fù)位 INTN 管腳（中斷管腳）狀態(tài)。

從最高位(MSB)開始傳輸，以最低位(LSB)結(jié)束。傳輸是以字節(jié)方式完成的。通過給 SSN 發(fā)送一個

LOW-HIGH-LOW 的電平，數(shù)據(jù)傳輸可以在每個字節(jié)后停止。

4. 電源電壓

為了達到最佳測量效果，好的電源非常重要。電源應(yīng)該具有高電容性和低電感性。MS1205N 提供

兩對電源供應(yīng)端口：VCC - I/O 供電電壓 ，VDD - 內(nèi)核供電電壓。

所有的 Ground 引腳都應(yīng)該連接到印刷電路板的地層上。 VCC 和 VDD 應(yīng)該通過一個電池或者固定

的線性電壓調(diào)節(jié)器給出。不要應(yīng)用開關(guān)式的調(diào)節(jié)器，避免由于 IO 電壓引起的干擾。

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠有好的測量效果，完全取決于好的電源供電。芯片測量主要是脈沖式的電

流，因此雙通濾波非常重要：VCC 47 μF（最小 22 μF），VDD 100 μF（最小 22 μF）。

電壓應(yīng)該通過一個模擬的調(diào)節(jié)器給出，推薦不要使用開關(guān)式的電壓調(diào)節(jié)。

5. 操作碼及寄存器

5.1 配置寄存器

MS1205N 有 2×1 組 32 位的配置寄存器，分別對應(yīng) 1#和 2#的寄存器設(shè)置。

如有需求請聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

6. 時間測量

6.1. 概述

非校準(zhǔn)模式測量范圍，從 3.5ns 到 25μs（0-25μs 在兩個 stop 通道之間測量）。

校準(zhǔn)模式單精度測量范圍，從 3.5ns 到 16μs（0-16μs 在兩個 stop 通道之間測量）。

校準(zhǔn)模式雙精度測量范圍，從 3.5ns 到 4μs（0-4μs 在兩個 stop 通道之間測量）。

單精度模式典型精度為 60ps，2 個 stop 通道相對于 start 通道。

雙精度模式典型精度為 30ps，僅 stop1 通道相對應(yīng) start 通道。

內(nèi)置特殊防抖技術(shù)，使測量時間高度精準(zhǔn)。

20ns 的脈沖之間最小間隔。

四個 stop 通道可同時采集，且每個 stop 通道最多 10 個脈沖。

每個 stop 通道可選擇上升或下降沿捕獲，或者選擇上升和下降沿同時捕獲。

自動測量 START 和 STOP 脈沖之間的時間間隔，無需再進行寄存器設(shè)置。

可任意設(shè)置溢出時間，從而減少高速測量時溢出時間等待。

在非校準(zhǔn)模式下，可以任意測量比預(yù)期脈沖數(shù)少的脈沖。

典型應(yīng)用: 激光測距、激光雷達、脈沖測量。

6.2. 高精度時間測量原理

數(shù)字式 TDC 運用內(nèi)部的邏輯門延時來進行高精度的時間間隔的測量，下圖闡述了這種絕對時間

TDC 的測量原理結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)確保電路通過特殊的測量方法，使信號通過邏輯門的時間可以非常

精確。最高的測量精度完全取決于內(nèi)部通過邏輯門的傳播時間。

時間測量是通過一個 start 信號觸發(fā)，經(jīng)過內(nèi)部防抖處理后，TDC 的門電路開始高速計數(shù)，直到

stop 信號產(chǎn)生記錄計數(shù)結(jié)果，達到 STOP 預(yù)期脈沖數(shù)后停止計數(shù)。

3.3V 和 25°C 時，MS1205N 的單精度最小分辨率是 60ps。溫度和電壓對門電路的傳播延時時間有

很大的影響。通常是通過校準(zhǔn)來補償由溫度和電壓變化而引起的誤差。在校準(zhǔn)過程中，TDC 測量 0.5

個和 1.5 個時鐘周期，相減后得一個時鐘周期的 TDC 計數(shù)結(jié)果，即為校準(zhǔn)值。測量范圍受計數(shù)器大小

的限制，以下是非校準(zhǔn)模式下的最大測量范圍：tyy = 60 ps x 442368 ≈ 25 μs。

每一個輸入端均可以被單獨設(shè)置成上升沿、下降沿或上下沿同時觸發(fā)有效?？赏ㄟ^設(shè)置寄存器的

bit8-10 位(EG_START，NEG_STOP1,NEG_STOP2)和寄存器的 bit0-1 位(REFDGEx) 來選擇觸發(fā)沿。

時間測量結(jié)束后，MS1205N 會自動將各個脈沖的測量結(jié)果順序?qū)懙较鄳?yīng)的結(jié)果寄存器，無需再進

行寄存器操作設(shè)置。在計算結(jié)果的過程中，先計算 STOP1 通道的脈沖，然后計算 STOP2 通道的脈沖，

所以當(dāng)使用單通道時，必須使用 STOP1。

6.3. 非校準(zhǔn)時間測量

6.3.1 非校準(zhǔn)時間測量概述

非校準(zhǔn)時間測量，實際上就是應(yīng)用數(shù)字式 TDC 內(nèi)部的邏輯門延時來實現(xiàn)高精度時間測量，非校準(zhǔn)

模式下的最大測量范圍是 3.5ns-25μs。單精度模式下，可以同時測量兩個 STOP 通道，且每個通道最多

可以測量 10 個 STOP 脈沖。雙精度模式下，僅可以使用 STOP1 通道。

非校準(zhǔn)時間測量過程中，無需高速時鐘參與，所以可以通過寄存器設(shè)置來關(guān)閉高速時鐘

(START_CLKHS=0)。在該模式下，測量速度最快，結(jié)果寄存器直接輸出門延時個數(shù)。在非校準(zhǔn)模式下，

結(jié)果寄存器有效位為 20 位，測量時間計算如下，該測量時間受溫度和電壓影響。

測量時間=RES_X × 60ps (DOUBLE_RES=0)

測量時間=RES_X × 30ps (DOUBLE_RES=1)

非校準(zhǔn)模式下也可以實現(xiàn)時間測量和 CAL 值的同時測量，在該模式下，需要開啟高速時鐘

(START_CLKHS=1)和開啟自動校準(zhǔn)(NO_CAL_AUTO=0)，這樣就會在測量時間的同時，產(chǎn)生一個 Tref× N 周

期的門延時個數(shù)，然后將 CAL 值 RES_Tref 存在指定的結(jié)果寄存器中。測量時間如下計算，該測量時間

和溫度和電壓無關(guān)，僅和高速時鐘抖動有關(guān)。

測量時間=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1,2,4,8

非校準(zhǔn)模式測量溢出，當(dāng)溢出時間功能關(guān)閉(EN_SEL_TIMO=0)的情況下，溢出時間相當(dāng)于 TDC 溢

出，也就是要 25μs 后產(chǎn)生溢出，并且狀態(tài)寄存器 Bit13=1（TDC 溢出）；當(dāng)溢出時間功能開啟

(EN_SEL_TIMO=1)的情況下，溢出時間由溢出時間選擇(SEL_TIMO)進行設(shè)置，溢出時間僅和高速時鐘相

關(guān)，不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響。例如，高速時鐘為 8MHz，SEL_TIMO=0 的情況下，溢出時間為

125ns，溢出時狀態(tài)寄存器 Bit14=1（時間溢出）。

非校準(zhǔn)模式下，當(dāng)測量脈沖個數(shù)小于預(yù)期脈沖個數(shù)時，可以正常輸出測量脈沖的值，雖然這時狀

態(tài)寄存器溢出，但測量到的脈沖的產(chǎn)生的結(jié)果是正確的，這種應(yīng)用可以解決在測距過程中多個不定目

標(biāo)的問題。

6.3.2 寄存器設(shè)置

主要的設(shè)置為：

（1）選擇測量預(yù)期脈沖個數(shù)

寄存器 bit 31-28 設(shè)置 STOP2 預(yù)期脈沖個數(shù) HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 設(shè)置 STOP1 預(yù)期脈沖個數(shù) HITIN1=2-B，不能設(shè)置為 0；否則無法開啟測量。

（2）選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式，測量精度為典型 30ps，但僅有一個 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式，測量精度為典型 60ps，這時兩個 stop 通道都可用。

（3）校準(zhǔn)選擇

在非校準(zhǔn)模式下，校準(zhǔn)將關(guān)閉，寄存器 bit 13 CALIBRATE=0；

（4）產(chǎn)生 CAL 值

在非校準(zhǔn)模式下，可以選擇產(chǎn)生 CAL 值和不產(chǎn)生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時，產(chǎn)

生 CAL 值，NO_CAL_AUTO=1 時，不產(chǎn)生 CAL 值。

（5）溢出選擇

在非校準(zhǔn)模式下，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出時間關(guān)閉，這時，溢出時間為 TDC 溢出。當(dāng)

EN_SEL_TIMO=1 時，開啟溢出時間，且溢出時間和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 設(shè)置有關(guān)。

（6）選擇輸入觸發(fā)方式

可通過設(shè)置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)，在每一個輸入端口(Start,Stop1,Stop2)選擇邊沿觸發(fā)方式。

當(dāng) RFEDGE=0 時，NEG_X=0 則上升沿觸發(fā)，NEG_X=1 則下降沿觸發(fā)。還可以通過設(shè)置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2)，選擇 STOP 是由上升沿或下降沿單獨觸發(fā)(RFEDGE=0)，還是上升沿和下

降沿同時觸發(fā)(RFEDGE=1)。當(dāng) RFEDGE=1 時，Bit 9-10 選擇無效。

（7）中斷

中斷引腳 INTN 可以有不同的中斷源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇，非校準(zhǔn)模式選擇

bit 6 = 1 和 bit 5= 1；

Reg bit 4 = 1 ALU 已經(jīng)準(zhǔn)備好

Reg bit 5 = 1 預(yù)期脈沖個數(shù)全部被接收到

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出

6.3.3 測量流程

6.4 校準(zhǔn)時間測量

注：校準(zhǔn)測量單精度最大測量范圍 16μs，雙精度最大測量范圍 4μs。

6.4.1 校準(zhǔn)時間測量概述

在高速振蕩器開啟情況下進行校準(zhǔn)時間測量，測量的門延時數(shù)量和 Tref 門延時數(shù)量通過 ALU 進行

計算并輸出到結(jié)果寄存器。輸出的結(jié)果為 24 位浮點數(shù)，高 8 位為整數(shù)位，低 16 位為小數(shù)位。校準(zhǔn)模

式下的最大測量范圍是 3.5ns-16μs，單精度模式下，可以同時測量兩個 STOP 通道，且每個通道最多可

以測量 10 個 STOP 脈沖，雙精度模式下，僅可以使用 STOP1 通道。

校準(zhǔn)時間測量過程中，需要開啟高速時鐘(START_CLKHS=1)和校準(zhǔn)開啟(CALIBRATE=1)。當(dāng)產(chǎn)生校準(zhǔn)

值關(guān)閉(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)，結(jié)果寄存器輸出非校準(zhǔn)值（可參考非校準(zhǔn)部分介紹）。當(dāng)產(chǎn)生校

準(zhǔn)值開啟(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)時，結(jié)果寄存器輸出校準(zhǔn)后的值 RES_X，測量時間如下計算，被

測時差不能超過 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

測量時間= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8；

在校準(zhǔn)時間測量中，必須開啟溢出時間功能(EN_SEL_TIMO=1)，溢出時間由溢出時間選擇

(SEL_TIMO)進行選擇，這里的時間僅和高速時鐘相關(guān)，不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響。例如，高速

時鐘為 8MHz，SEL_TIMO=0 的情況下，溢出時間為 250ns，這時狀態(tài)寄存器 Bit14=1（時間溢出）。

校準(zhǔn)模式下，測量脈沖個數(shù)必須大于或者等于預(yù)期脈沖個數(shù)。當(dāng)測量脈沖小于預(yù)期脈沖個數(shù)時，

ALU 不進行計算，這時，狀態(tài)寄存器 Bit14=1（時間溢出），且 EN_ERR_VAL=1 的情況下，結(jié)果寄存器

0 輸出全 F。

6.4.2 寄存器設(shè)置

主要的設(shè)置為：

（1）選擇測量預(yù)期脈沖個數(shù)

寄存器 bit 31-28 設(shè)置 STOP2 預(yù)期脈沖個數(shù) HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 設(shè)置 STOP1 預(yù)期脈沖個數(shù) HITIN1=2-B，不能設(shè)置為 0，否則無法開啟測量。

（2）選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式，測量精度為典型 30ps，但僅有一個 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式，測量精度為典型 60ps，這時兩個 stop 通道都可用。

（3）校準(zhǔn)選擇

在校準(zhǔn)模式下，高速晶振和校準(zhǔn)都必須開啟，寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19 START_CLKHS=1

（4）產(chǎn)生 CAL 值

在校準(zhǔn)模式下，必須選擇產(chǎn)生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時，產(chǎn)生 CAL 值。

（5）溢出選擇

在校準(zhǔn)模式下，必須開啟溢出，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 開啟溢出時間，且溢出時間和寄存

器 bit 23-22 SEL_TIMO 設(shè)置有關(guān)。

（6）選擇輸入觸發(fā)方式

可通過設(shè)置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)，在每一個輸入端口(Start,Stop1,Stop2)選擇邊沿觸發(fā)方式。

當(dāng) RFEDGE = 0 時，NEG_X = 0 則上升沿觸發(fā)，NEG_X = 1 則下降沿觸發(fā)。還可以通過設(shè)置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2)，可以選擇 STOP 下降沿單獨觸發(fā)(RFEDGE=0)，還是上升沿和下降沿同時

觸發(fā)(RFEDGE=1)。當(dāng) RFEDGE=1 時，Bit 9-10 選擇無效。

（7）中斷

中斷引腳 INT 可以有不同的中斷源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇。由于 Reg bit 5=1 中

斷輸出最早，Reg bit 4=1 輸出最晚，用戶可以根據(jù)實際情況進行選擇。

Reg bit 4 = 1 ALU 已經(jīng)準(zhǔn)備好

Reg bit 5 = 1 預(yù)期脈沖個數(shù)全部被接收到

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出&TDC 溢出

（8）高速時鐘分頻

由于校準(zhǔn)測量時間小于 2 ×Tref× DIV_CLKHS（Tref 只與外接高速晶振相關(guān)，如外接 4M，則 Tref =

250ns），所以如果需要增長測量時間，則需要設(shè)置高速時鐘分頻，在寄存器的 Bits20-21(DIV_CLKHS)

中進行設(shè)置，但 2 ×Tref× DIV_CLKHS 不能超出測量范圍的最大值 16μs。

6.4.3 測量流程

典型應(yīng)用圖

封裝外形圖

審核編輯 黃宇

——愛研究芯片的小王