飛行時間型測距設計を簡素化する統合型タイム/デジタルコンバータ

タイム/デジタルコンバータ（TDC）は、スタートパルスと1つ以上のストップパルスの間の時間を正確に測定する電子デバイスです。これは、本質的に電子ストップウォッチの必要な機能を全て統合することによって、さまざまなアプリケーションにおける飛行時間型（ToF）測定を大幅に簡素化します。これらの機能は距離測定に必要不可欠なものです。

たとえば、超音波距離計では、送信した超音波パルスがターゲットからのエコーを受信するまでの時間（図1）は、送信機とターゲット間の距離に比例します。

図1：超音波距離計は、送信バースト（左）とターゲットの反射（右）の間の時間を測定し、それらの間の距離を決定します。（画像提供：Art Pini）

送信されたパルスはターゲットまで伝播し、反射され、戻ってくるときにトランスデューサによって検出されます。この例では、往復に3.5ミリ秒（ms）かかるので、超音波パルスはターゲットから1.75msのところにあります。22°Cの場合、音速は344メートル毎秒（m/s）なので、距離は0.00175×344＝0.6mになります。

レーダ、光検出と測距（LiDAR）、ソナーなど、測距を使用する同様のアプリケーションも、送信パルスと反射エコーの間のToFを使用してターゲットまでの距離を決定します。これは、測距デバイスの普及に伴い、自動車業界では一般的になりつつあります。ToF計算は、流体速度を決定するために上流と下流のトランスデューサ間で行われる流量測定でも必要とされています。

TDC機能の簡素化

設計者は、時間とスペースを節約するために、TDC機能をできるだけシンプルにすることを目指しています。この目的のために、高度に統合されたTDCが利用可能になりました。たとえば、Texas Instruments のTDC7201ZAXR（図2）があります。これは、ToF技術を使用した先進運転支援システム（ADAS）などの車載アプリケーションでの距離検出を目的としたデュアルTDC集積回路（IC）です。TDC7201ZAXRは2つの測定モードを備えています。モード1は12～2000ナノ秒（ns）をカバーし、モード2は250ns～8ミリ秒（ms）をカバーします。いずれのモードでも時間分解能は55ピコ秒（ps）です。このTDCは、外部供給クロック、内部リング発振器、および各カウンタを使用して、共通のスタートパルスと最大6個のストップパルス間のToFを測定できます。

図2：TDC7201ZAXRの機能ブロック図は、独立したリング発振器、粗いカウンタ、外部クロック、クロックカウンタを使用するデュアルTDCコアを示しています。（画像提供：Texas Instruments）

TDC7201ZAXRは、2～3.6ボルトDC（VDC）電源で動作します。内部では、低ドロップアウトレギュレータがTDCタイムベースに安定した電源を供給しています。シュミットトリガコンパレータは、入力されたスタート信号とストップ信号を条件付けし、整形します。各TDCのリング発振器は、各TDCコアの主要な時間計測メカニズムです。粗いカウンタはリング発振器に関連し、外部クロックはクロックカウンタにクロックを供給します。TDCのタイミング精度はクロック精度に直接依存するため、外部クロックは周波数安定したソースである必要があります。外部クロックは、内部リング発振器ベースの時間基準を較正するための基準です。最適なタイミング精度を得るための推奨クロック周波数は、8～16メガヘルツ（MHz）です。

TDCの動作モードを調べることは、それがどのように動作するかを理解するのに役立ちます。モード1は、2000ns未満のタイミングレンジで、リング発振器出力と粗いカウンタを使用します（図 3）。

図3：モード1では、リング発振器を粗いカウンタの駆動専用に使用し、2000ns以下のToFに対して55psのタイミング分解能を実現します。（画像提供：Texas Instruments）

リング発振器の周期は、タイミング分解能を決定し、通常は55psです。これは外部クロックを内部でキャリブレーションすることによって正確に決定されます。スタートパルスと最大6つのストップパルスの間のToFは、特定のレジスタ位置に保存されます。

モード2は、公称55psの時間分解能を維持したまま、時間範囲を8msに拡大します（図4）。

図4：モード2では、外部クロックの周期をカウントするクロックカウンタと、スタートパルスとそれに続く外部クロックの間、およびストップパルスとそれに続く外部クロックの間のリング発振器の周期をカウントする粗いカウンタが使用されます。（画像提供：Texas Instruments）

粗いカウンタはバーニアとして機能し、スタートパルスから次の外部クロックエッジまでの時間を計測します。また、ストップパルスとそれに続く外部クロックエッジ間の時間も測定します。この組み合わせにより、測定範囲を広げながら、粗いカウンタの時間分解能が得られます。

TDC7201ZAXRは、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を使用して制御され、チップセレクトラインを使用して2つのTDCを区別します。測定された時間出力とデバイスコンフィギュレーションは、SPIインターフェースを使用して行われます。

このTDCを試したい場合は、TDC7201-ZAX-EVM 評価ボードから始めるのがいいでしょう。このボードは、TDC7201の動作と性能を評価することができ、使いやすいグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を備えています。

Analog Devicesの MAX35101EHJ+は、熱量計と流量計アプリケーション用のTDCです。時間分解能は20ps、最大レンジは8msです。また、アンプとコンパレータからなる完全なアナログフロントエンド（AFE）を備えています。さらに、高精度温度測定、データロギング用8キロバイト（Kbyte）の不揮発性メモリ、リアルタイムクロックを備えています。

熱量計は、上流と下流の両方向のToF測定を使って温水暖房システム内の流体速度を決定することにより、熱エネルギーを測定します（図5）。

図5：ToF測定に基づく熱量計は、上流と下流の圧電トランスデューサを使用してスプール本体を通る水流速度を決定します。（画像提供：Analog Devices）

熱量計は、ラジエータを通して供給される熱エネルギーを測定します。測温抵抗体（RTD）を使用して、入口と出口の温度を測定します。スプール本体は、既知の直径を持つ開口部から水が流れるようにします。スプール本体には、MAX35101EHJ+が上流方向と下流方向にパルスを送る圧電トランスデューサが内蔵されています。ToF測定値の差から流速がわかります。その情報と既知の開口面積を組み合わせて、流量が決定されます。これを温度降下と組み合わせることで、ラジエータが放散する熱エネルギーの量を計算することができます。MAX351EHJ+は自己完結型であり、必要なすべての測定を実行します。

まとめ

TDCは、自動車、産業、研究用途における多くのToF測定を可能にする重要な要素です。Texas InstrumentsとAnalog Devicesからは、設計プロセスを簡素化するために、高度に統合された高性能デバイスが提供されています。また、デバイスがアプリケーションの基準を満たしていることを確認するための評価ボードもご用意しています。