TDC1000 是一款完全集成的模拟前端 (AFE),适用于汽车、工业和消费市场中常见的液位、流体识别/浓度和接近/距离应用的超声波检测测量。与 MSP430/C2000 MCU、电源、无线网络和源代码配套使用时,TI 可提供完整的超声波感测解决方案。
TI 的超声波 AFE 可编程且具有灵活性,可适应广泛的应用和终端设备。TDC1000 可以针对多个发送脉冲和频率、增益和信号阈值进行配置,以用于各种换能器频率(31.25kHz 至 4MHz)和 Q 因数。同样,接收路径可编程设定,因此在更远的距离/更大的箱体尺寸范围内也能够检测到通过多种介质传播的超声波。
通过选择不同的工作模式,
可以针对电池供电流量计、液位仪表和
距离/接近测量对 TDC1000 进行低功耗优化。低噪声放大器和比较器产生的抖动极低,可实现零流量和低流量测量的皮秒级分辨率和精度。
器件型号 | 封装 | 封装尺寸(标称值) |
---|---|---|
TDC1000 | TSSOP (28) | 9.70mm x 4.40mm |
Date Letter Revision History Changes Intro HTMLB (August 2015)to RevisionC (February 2023)
Date Letter Revision History Changes Intro HTMLA (December 2014)to RevisionB (August 2015)
引脚 | 类型(1) | 说明 | |
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名称 | 编号 | ||
CHSEL | 11 | I | 外部通道选择 |
CLKIN | 25 | I | 时钟输入 |
COMPIN | 7 | I | 回波鉴定和过零检测器输入 |
CSB | 19 | I | SPI 接口的片选(低电平有效) |
EN | 15 | I | 使能(高电平有效;低电平时 TDC1000 处于睡眠模式) |
ERRB | 12 | O | 错误标志(开漏) |
GND | 26 | G | 负电源 |
LNAOUT | 4 | O | 低噪声放大器输出(用于交流去耦电容器) |
PGAIN | 5 | I | 可编程增益放大器输入 |
PGAOUT | 6 | O | 可编程增益放大器输出 |
RESET | 17 | I | 复位(高电平有效) |
RREF | 10 | O | 用于温度测量的基准电阻器 |
RTD1 | 8 | O | 电阻式温度检测器通道 1 |
RTD2 | 9 | O | 电阻式温度检测器通道 2 |
RX1 | 1 | I | 接收输入 1 |
RX2 | 2 | I | 接收输入 2 |
SCLK | 18 | I | SPI 接口的串行时钟 |
SDI | 20 | I | SPI 接口的串行数据输入 |
SDO | 21 | O | SPI 接口的串行数据输出 |
START | 13 | O | 启动脉冲输出 |
STOP | 14 | O | 停止脉冲输出 |
触发 | 16 | I | 触发输入 |
TX1 | 28 | O | 发送输出 1 |
TX2 | 27 | O | 发送输出 2 |
VCOM | 3 | P | 输出共模电压偏置 |
VDD(2) | 23、24 | P | 正电源;所有 VDD 电源引脚都必须连接到电源。 |
VIO | 22 | P | 正 I/O 电源 |
最小值 | 最大值 | 单位 | ||
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VDD | 模拟电源电压,VDD 引脚 | –0.3 | 6.0 | V |
VIO | I/O 电源电压(VIO 必须始终低于或等于 VDD 电源) | –0.3 | 6.0 | V |
VI | 任意模拟输入引脚上的电压(3) | –0.3 | VDD + 0.3 | V |
VI | 任意数字输入引脚上的电压(3) | –0.3 | VIO + 0.3 | V |
II | 任意引脚处的输入电流 | 5 | mA | |
TJ | 工作结温 | -40 | 125 | °C |
Tstg | 贮存温度范围 | -65 | 150 | °C |
最小值 | 最大值 | 单位 | ||
---|---|---|---|---|
VDD | 模拟电源电压,VDD 引脚 | 2.7 | 5.5 | V |
VIO | 数字电源电压(VIO 必须始终低于或等于 VDD 电源) | 1.8 | VDD | V |
VI | 任意模拟输入引脚上的电压 | GND | VDD | V |
VI | 任意数字输入引脚上的电压 | GND | VIO | V |
ƒCLKIN | 运行频率 | 0.06 | 16 | MHz |
TJ | 工作结温 | -40 | 125 | °C |
参数 | 测试条件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
发送器信号路径 (TX) | |||||||
VOUT(TX) | 输出电压摆幅 | ƒout = 1MHz,RL = 75Ω(连接到 VCM) | 高电平 | VDD – 0.32 | V | ||
LOW | 0.32 | V | |||||
IOUT(TX) | 输出驱动电流 | ƒout = 1MHz,RL = 75Ω(连接到 VCM) | 22 | mARMS | |||
ƒOUT(TX) | 输出 TX 频率 | ƒCLKIN = 8MHz,2 分频(可编程,请参阅Topic Link Label8.3.1) | 4 | MHz | |||
接收器信号路径 (RX) | |||||||
ΔtSTOP | STOP 周期间抖动 | LNA 电容反馈,GPGA = 6dB,ƒIN = 1MHz,VIN = 100mVPP,CVCOM = 1µF,请参阅图 7-1 | 50 | psRMS | |||
LNA | |||||||
GLNA | LNA 增益 | 电容反馈,CIN = 300pF,ƒIN = 1MHz,RL = 100kΩ(连接到 VCM),CVCOM = 1µF | 20 | dB | |||
enLNA | 以 LNA 输入为基准的噪声密度 | 电容反馈,CIN = 300pF,ƒ = 1MHz,VDD = 3.1V,VIN = VCM,RL = ∞,CVCOM = 1µF | 2 | nV/√Hz | |||
VIN(LNA) | 输入电压范围 | 电阻反馈,RL = 1kΩ(连接到 VCM),CVCOM = 1µF | 高电平 | VCM + (VCM – 0.24)/(GLNA) | V | ||
LOW | VCM – (VCM – 0.24)/(GLNA) | V | |||||
VOUT(LNA) | 输出电压范围 | 电阻反馈,RL = 1kΩ(连接到 VCM),CVCOM = 1µF | 高电平 | VDD – 0.24 | V | ||
LOW | GND + 0.24 | V | |||||
SRLNA | 压摆率(6) | 电阻反馈,RL = 1kΩ(连接到 VCM),100mV 阶跃,CVCOM = 1µF | 9 | V/μs | |||
XTK | 多路复用器通道间串扰 | 电容反馈,ƒ = 1MHz,RL = 100kΩ(连接到 VCM),CVCOM = 1µF | -57 | dB | |||
BWLNA | –3dB 带宽 | 电容反馈,CIN = 300pF,RL= 100kΩ(连接到 VCM),CVCOM = 1µF | 5 | MHz | |||
VOS(LNA) | LNA 输入失调电压 | 电阻模式,VIN = VCM,RL = ∞ | ±320 | µV | |||
VCOM | |||||||
VCOM | VCOM 输出电压 | CVCOM = 1µF | VCM | V | |||
VCOM 输出误差 | 0.5% | ||||||
PGA | |||||||
VIN(PGA) | PGA 输入范围 | RL = 100kΩ(连接到 VCM),CL = 10pF(连接到 GND) | 高电平 | VCM + (VCM – 0.06)/(GPGA) | V | ||
LOW | VCM – (VCM – 0.06)/(GPGA) | V | |||||
GPGAMIN | PGA 最小增益 | 直流,RL = ∞,CL = 10pF | 0 | dB | |||
GPGAMAX | PGA 最大增益 | 21 | dB | ||||
ΔGPGA | PGA 增益阶跃大小 | 3 | dB | ||||
GE(PGA) | PGA 增益误差 | 直流,GPGA = 0dB,RL = ∞,CL = 10pF | 5% | ||||
TCGPGA | PGA 增益温度系数 | 直流,GPGA = 0dB,RL = ∞,CL = 10pF | 170 | ppm/°C | |||
enPGA | 以 PGA 输入为基准的噪声密度 | GPGA = 21dB,ƒ = 1MHz,VDD = 3.1V,VIN = VCM,RL = ∞,CVCOM = 1µF | 3.1 | nV/√Hz | |||
VOUT(PGA) | 输出范围 | RL = 100kΩ(连接到 VCM),CL = 10pF(连接到 GND) | 高电平 | VDD – 0.06 | V | ||
LOW | 60 | mV | |||||
BWPGA | –3dB 带宽 | GPGA = 21dB,RL = 100kΩ(连接到 VCM),CL = 10pF,CVCOM = 1µF | 5 | MHz | |||
SRPGA | 压摆率(6) | GPGA = 21dB,RL = 100kΩ(连接到 VCM),CL = 10pF,CVCOM = 1µF | 12.5 | V/µs | |||
过零比较器 | |||||||
VOS(COMP) | 输入失调电压(5) | 以 VCOM 为基准 | ±115 | µV | |||
enCOMP | 以过零比较器输入为基准的噪声(5) | 1MHz | 5 | nV/√Hz | |||
HYSTCOMP | 迟滞(5) | 以 VCOM 为基准 | -10 | mV | |||
阈值检测器 | |||||||
VTHDET | 阈值水平 | ECHO_QUAL_THLD = 0h,以 VCOM 为基准 | -35 | mV | |||
ECHO_QUAL_THLD = 7h,以 VCOM 为基准 | –1.5 | V | |||||
温度传感器接口(1) | |||||||
TERROR | 温度测量精度 | RREF = 1kΩ,PT1000 范围:–40 至 125°C(2) | 1 | °C | |||
RREF = 1kΩ,PT1000 范围:–15°C 至 85°C(2) | 0.5 | °C | |||||
相对精度: | RREF = 1kΩ,RRTD1 = RRTD2 = 1.1kΩ | 0.02 | °CRMS | ||||
TGE | 增益误差 | 5.8 | m°C/°C | ||||
电源 | |||||||
IDD | VDD 电源电流 | 睡眠(EN = CLKIN = TRIGGER = 低电平) | 0.61 | µA | |||
连续接收模式,LNA 和 PGA 被旁路 | 2.8 | 3 | mA | ||||
连续接收模式,LNA 和 PGA 处于工作状态 | 6.2 | 7.5 | mA | ||||
仅温度测量(PT1000 模式)(3) | 370 | 400 | µA | ||||
温度测量(PT500 模式)(4) | 500 | 540 | µA | ||||
IIO | VIO 电源睡眠电流(5) | 睡眠(EN = CLKIN = TRIGGER = 低电平) | 2 | nA | |||
数字输入/输出特性 | |||||||
VIL | 输入逻辑低电平阈值 | 0.2 × VIO | V | ||||
VIH | 输入逻辑高电平阈值 | 0.8 × VIO | V | ||||
VOL | 输出逻辑低电平阈值 | SDO 引脚,100μA 电流 | 0.2 | V | |||
SDO 引脚,1.85mA 电流 | 0.4 | V | |||||
START 和 STOP 引脚,100μA 电流 | 0.5 | V | |||||
START 和 STOP 引脚,1.85mA 电流 | 0.6 | V | |||||
ERRB 引脚,100μA 电流 | 0.2 | V | |||||
ERRB 引脚,1.85mA 电流 | 0.4 | V | |||||
VOH | 输出逻辑高电平阈值 | SDO 引脚,100μA 电流 | VIO – 0.2 | V | |||
SDO 引脚,1.85mA 电流 | VIO – 0.6 | V | |||||
START 和 STOP 引脚,100μA 电流 | VIO – 0.5 | V | |||||
START 和 STOP 引脚,1.85mA 电流 | VIO – 0.6 | V | |||||
ERRB 引脚,0µA 电流 | VIO – 0.2 | V | |||||
IOMAX | SDO、START 和 STOP 的最大输出电流 | 1.85 | mA |
最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | |||
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ƒSCLK | 串行时钟频率 | 26 | MHz | |||
t1 | 高电平周期,SCLK | 16 | ns | |||
t2 | 低电平周期,SCLK | 16 | ns | |||
t3 | 建立时间,nCS 至 SCLK | 10 | ns | |||
t4 | 建立时间,SDI 至 SCLK | 12 | ns | |||
t5 | 保持时间,SCLK 至 SDI | 12 | ns | |||
t6 | SCLK 转换至 SDO 有效时间 | 16 | ns | |||
t7 | 保持时间,SCLK 转换至 nCS 上升沿 | 10 | ns | |||
t8 | nCS 无效 | 17 | ns | |||
t9 | 保持时间,SCLK 转换至 nCS 下降沿 | 10 | ns | |||
tr/tf | 信号上升和下降时间(1) | 1.8 | ns |
参数 | 测试条件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | |
---|---|---|---|---|---|---|
START、STOP、ENABLE、CHSEL、RESET、CLOCKIN、TRIGGER、ERR | ||||||
PWSTART | START 信号的脉冲宽度 | TX_FREQ_DIV = 2h,NUM_TX = 1 | 1 | μs | ||
TX_FREQ_DIV = 2h,NUM_TX = 2 | 2 | μs | ||||
TX_FREQ_DIV = 2h,NUM_TX ≥ 3 | 3 | μs | ||||
tr/tf START | START 信号的上升/下降时间 | 20% 至 80%,20pF 负载 | 0.25 | ns | ||
tr/tf STOP | STOP 信号的上升/下降时间 | 20% 至 80%,20pF 负载 | 0.25 | ns | ||
ƒCLKIN | 最大 CLKIN 输入频率 | 16 | MHz | |||
tr/tf CLKIN | CLKIN 输入上升/下降时间(1) | 20%至80% | 10 | ns | ||
tr/tf TRIG | TRIGGER 输入上升/下降时间(1) | 20%至80% | 10 | ns | ||
tEN_TRIG | 启用以触发等待时间(1) | 50 | ns | |||
tRES_TRIG | 复位以触发等待时间(1) | TX_FREQ_DIV = 2h(请参阅Topic Link Label8.4.5.2) | 3.05 | μs |
TA= 25°C 时测得的值,除非另外注明。
VDD = VIO = 3.7V | 电容反馈模式 | RL = 1kΩ |
VDD = VIO = 3.1V | 电容反馈模式 | RL= ∞ |
VDD = VIO = 3.7V | 电阻反馈模式 | RL = 1kΩ |
VIN = 100 mV | fIN = 100 kHz | |
VDD = VIO = 3.7V | 电容反馈模式 | RL = 100kΩ |
CIN = 300pF |
VDD = VIO = 3.7V | LNA 电容反馈模式 | PGA 增益为 6dB |
VIN = 100 mV | fIN = 1 MHz | |
TA = -40°C | (请参阅图 7-1) | 数量 ≥ 10000 |
VDD = VIO = 3.7V | 增益为 21dB | RL = 1kΩ |
VDD = VIO = 3.7V | 增益为 21dB | RL= ∞ |
VDD = VIO = 3.7V | 增益为 21dB | RL = 100kΩ |
VIN = 100 mV | fIN = 100 kHz | |
VDD = VIO = 3.7V | 增益为 21dB | RL = 100kΩ |
VDD = VIO = 3.7V | LNA 电容反馈模式 | PGA 增益为 6dB |
VIN = 100 mV | fIN = 1 MHz | |
TA = 25°C | (请参阅图 7-1) | 数量 ≥ 10000 |
VDD = VIO = 3.7V | LNA 电容反馈模式 | PGA 增益为 6dB |
VIN = 100 mV | fIN = 1 MHz | |
TA = 125°C | (请参阅图 7-1) | 数量 ≥ 10000 |
TDC1000 的主要功能块是发送 (TX) 通道和接收 (RX) 通道。发送器支持灵活的设置以驱动各种超声波换能器,接收器提供可配置块并具有广泛的设置以在各种应用进行信号调节。接收信号链包含一个 LNA(低噪声放大器)、一个 PGA(可编程增益放大器)和两个用于回波鉴定和 STOP 脉冲生成的自动置零比较器。
TDC1000 提供三种工作模式:Topic Link Label8.4.1.1、Topic Link Label8.4.1.2 和Topic Link Label8.4.1.3。每种模式适用于一种或多种应用,例如流量/浓度测量、容器液位测量、接近检测、距离测量以及一系列需要精确测量飞行时间 (TOF) 的其他应用。
测量周期由器件 TRIGGER 引脚上的触发信号启动。触发信号生效后,START 引脚上会产生一个输出脉冲。该信号用作开始 TOF 测量的时间基准。发送器生成与 START 脉冲上升沿同步的可编程 TX 脉冲以驱动超声波换能器,从而生成超声波,该超声波会穿透声介质。接收器检测到穿过介质的超声波并生成 STOP 信号。超声波是直接接收还是通过反射接收将取决于系统配置。STOP 信号由外部时间数字转换器 (TDC) 使用,该转换器用作非常精确的秒表。系统必须包含一个 TDC,以根据 START 脉冲和 STOP 脉冲之间的间隔来测量 TOF。在某些具有中等精度要求(ns 级)的应用中,可以使用微控制器来测量 TOF 持续时间。在具有高精度要求(ps 级)的应用中,TI 建议使用 TDC7200 时间数字转换器来测量 TOF 持续时间。
在每种应用中,必须通过串行接口 (SPI) 将 TDC1000 配置为可用的三种工作模式之一。此外,必须根据各种应用特定的参数对该器件进行编程,以下各节对此进行了说明。
发送器 (TX) 路径包含一个时钟分频器块和一个 TX 发生器块。时钟分频器使 TDC1000 能够将连接到 CLKIN 引脚的时钟源分频为所用换能器的谐振频率 (ƒR)。时钟分频器允许分频因子为 2 的幂。可以使用 CONFIG_0 寄存器中的 TX_FREQ_DIV 字段对时钟分频器的分频因子进行编程。
TX 发生器块可以使用可编程数量的 TX 脉冲来驱动换能器。这些脉冲的频率定义为 ƒCLKIN/(2TX_FREQ_DIV+1),应该与换能器的 ƒR 相匹配。可以通过对 CONFIG_0 寄存器中的 NUM_TX 字段进行编程来配置脉冲数。
例如,如果 ƒCLKIN = 8MHz 且 TX_FREQ_DIV = 2h(8 分频),则分频后的时钟频率为 1MHz。
除了可编程的脉冲数,TX 发生器还提供了在脉冲位置 n 引入 180⁰ 脉冲移位或对最后一个 TX 脉冲施加阻尼的选项。在某些情况下,对于非常短的 TOF 测量,阻尼可以降低换能器的振铃。数据表的Topic Link Label8.4.3 部分进一步介绍了这些功能。