Los convertidores de tiempo a digital integrados simplifican los diseños de determinación del alcance del tiempo de vuelo

Los convertidores de tiempo a digital (TDC) son dispositivos electrónicos que miden con precisión el tiempo entre un pulso de arranque y uno o más pulsos de parada. Simplifican enormemente las mediciones del tiempo de vuelo (ToF) en una amplia variedad de aplicaciones al integrar todas las funciones necesarias de lo que es esencialmente un cronómetro electrónico. Estas funciones son fundamentales para medir el alcance.

Por ejemplo, en un telémetro ultrasónico, el tiempo entre un pulso ultrasónico transmitido y su eco recibido desde un objetivo (Figura 1) es proporcional a la distancia entre el transmisor y el objetivo.

Figura 1: Un telémetro ultrasónico mide el tiempo entre una ráfaga transmitida (izquierda) y el reflejo de un objetivo (derecha) para determinar la distancia entre ellos. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Un pulso transmitido se propaga al objetivo, es reflejado y es detectado por el transductor en su retorno. En este ejemplo, el viaje de ida y vuelta tarda 3.5 milisegundos (ms), por lo que el pulso ultrasónico está a 1.75 ms del objetivo. A 22 °C, la velocidad del sonido es de 344 metros por segundo (m/s), por lo que la distancia es 0.00175 x 344 = 0.6 m.

Las aplicaciones similares que utilizan medición de alcance, como el radar, el sistema de detección de luz y alcance (LiDAR) y el sonar, también utilizan ToF entre un pulso transmitido y un eco reflejado para determinar la distancia hasta un objetivo. Esto se está volviendo más común en la industria automotriz a medida que proliferan los dispositivos de medición de alcance. Los cálculos de ToF también son necesarios en las mediciones de flujo tomadas entre transductores en direcciones ascendentes y descendentes para determinar la velocidad del fluido.

Simplificando la función TDC

Los diseñadores intentan simplificar la función TDC tanto como sea posible para ahorrar tiempo y espacio. Para ayudar con esto, se han puesto a disposición TDC altamente integrados. Por ejemplo, el TDC7201ZAXR de Texas Instruments (Figura 2) es un circuito integrado (IC) de TDC dual diseñado para la detección de alcance en aplicaciones automotrices, como sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) que utilizan técnicas de ToF. El TDC7201ZAXR cuenta con dos modos de medición: el modo 1 cubre de 12 a 2000 nanosegundos (ns), mientras que el modo 2 varía de 250 ns a 8 milisegundos (ms). La resolución de tiempo en cualquiera de los modos es de 55 picosegundos (ps). Este TDC utiliza un reloj suministrado externamente, un oscilador de anillo interno y los contadores respectivos para medir el ToF entre un pulso de arranque común y hasta seis pulsos de parada.

Figura 2: El diagrama de bloques funcional del TDC7201ZAXR muestra los núcleos de TDC duales utilizando osciladores de anillo independientes, contadores gruesos, relojes externos y contadores de reloj. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El TDC7201ZAXR está alimentado por una fuente de CC (VCC) de 2 a 3.6 voltios. En el interior, un regulador de baja caída proporciona una fuente de energía estable para la base de tiempo del TDC. Los comparadores disparados por Schmitt condicionan y dan forma a las señales de entrada de arranque y parada. El oscilador de anillo en cada TDC es el mecanismo de medición de tiempo principal de cada núcleo del TDC. El contador grueso está asociado con el oscilador de anillo, mientras que el reloj externo acciona el contador de reloj. El reloj externo debe ser una fuente de frecuencia estable, ya que la precisión de sincronización del TDC depende directamente de la precisión del reloj. El reloj externo es una referencia para calibrar la base de tiempo basada en el oscilador de anillo interno. La frecuencia de reloj recomendada varía de 8 a 16 megahercios (MHz) para una precisión de sincronización óptima.

Examinar los modos de funcionamiento del TDC nos ayuda a comprender cómo funciona. En el modo 1, para un rango de tiempo inferior a 2000 ns, se utiliza la salida del oscilador de anillo y el contador grueso (Figura 3).

Figura 3: En el modo 1 se utiliza el oscilador de anillo exclusivamente para controlar el contador grueso, lo que produce una resolución de sincronización de 55 ps para ToF inferiores a 2000 ns. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El período del oscilador de anillo establece la resolución de tiempo, nominalmente 55 ps, determinada con precisión por la calibración interna en comparación con el reloj externo. Los ToF entre el pulso de arranque y hasta seis pulsos de parada se almacenan en ubicaciones de registro específicas.

En el modo 2 se aumenta el rango de tiempo a 8 ms mientras se mantiene la misma resolución de tiempo nominal de 55 ps (Figura 4).

Figura 4: En el modo 2 se utiliza el contador de reloj, que cuenta los períodos del reloj externo, y el contador grueso, que cuenta los períodos del oscilador de anillo entre el pulso de arranque y el siguiente reloj externo, y entre el pulso de parada y el siguiente reloj externo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El contador grueso funciona como un calibrador vernier, midiendo el tiempo entre el pulso de arranque y el bisel del siguiente reloj externo. También mide el tiempo entre los pulsos de parada y los biseles del siguientes relojes externos. Con esta combinación, se produce una resolución de tiempo del contador grueso mientras se amplía el rango de medición.

El TDC7201ZAXR se controla mediante una interfaz periférica en serie (SPI), que distingue entre los dos TDC mediante la línea de selección de chip. Las salidas de tiempo medidas y la configuración del dispositivo se logran mediante la interfaz SPI.

Si quiere probar este TDC, comience con la placa de evaluación TDC7201-ZAX-EVM . Esta placa le permite evaluar el funcionamiento y el rendimiento del TDC7201 y tiene una interfaz gráfica de usuario (GUI) fácil de usar.

El MAX35101EHJ+ de Analog Devices es un TDC para aplicaciones de medidores de calor y de flujo. Tiene una resolución de tiempo de 20 ps y un alcance máximo de 8 ms. También cuenta con un front-end analógico completo (AFE) en forma de amplificador y comparador. Además, proporciona mediciones de temperatura de alta precisión, una memoria no volátil de 8 kilobytes (Kbyte) para el registro de datos y un reloj en tiempo real.

Un medidor de calor mide la energía térmica determinando la velocidad del fluido en un sistema de calentamiento de agua, con mediciones ToF tanto en dirección ascendente como descendente (Figura 5).

Figura 5: Con un medidor de calor basado en la medición ToF, se determina la velocidad del agua a través del cuerpo del carrete utilizando transductores piezoeléctricos ascendentes y descendentes. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Un medidor de calor mide la energía térmica suministrada a través de un radiador. Utilizando un detector de temperatura de resistencia (RTD), mide las temperaturas de entrada y salida. Con el cuerpo del carrete se garantiza que el agua fluya a través de una abertura con un diámetro conocido. El cuerpo del carrete contiene transductores piezoeléctricos que el MAX35101EHJ+ pulsa en direcciones ascendentes y descendentes. La diferencia en las mediciones de ToF indica la velocidad del flujo de agua. Esa información, combinada con el área de abertura conocida, se puede utilizar para determinar el volumen de flujo. Combinando esto con la caída de temperatura, se puede calcular la cantidad de energía térmica disipada por el radiador. El MAX35101EHJ+ es autónomo y realiza todas las mediciones necesarias.

Conclusión

El TDC es un elemento crítico que permite muchas mediciones de ToF en aplicaciones automotrices, industriales y de investigación. Texas Instruments y Analog Devices ofrecen dispositivos altamente integrados y capaces para simplificar el proceso de diseño. También están disponibles las placas de evaluación para garantizar que los dispositivos cumplan con los criterios de su aplicación.

Información sobre el autor

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Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye DigiKey. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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