MS1005——激光测距用高精度时间测量(TDC)电路-德赢Vwin官网网

产品简述

MS1005 是一款高精度时间测量(TDC)电路，对比

MS1002 具有更高的精度和更小的封装，适合于高精度

小封装的应用领域。

MS1005 具有双通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI

通讯、多种测量模式，适合于激光雷达和激光测距。

主要特点

◼ 双通道单精度模式 60ps

◼ 单通道双精度模式 30ps

◼ 非校准测量范围 3.5ns(0ns)至 25μs

◼ 单精度校准测量范围 3.5ns(0ns)至 16μs

◼ 双精度校准测量范围 3.5ns 至 4μs

◼20ns 最小脉冲间隔，双通道最多可接收 20 个脉冲

◼ 4 线 SPI 通信接口

◼ 工作电压 2.5V 至 3.6V

◼ 工作温度-40°C 至+125°C

◼ QFN20 封装

应用

◼ 激光雷达

◼ 激光测距

◼ 脉冲测量

产品规格分类

系统框图

管脚图

管脚说明

内部框图

极限参数

芯片使用中，任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏，芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出，并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

推荐工作条件

没有特别规定，环境温度为 TA= 25°C ±2°C 。

电气参数

直流电特性

VCC= VDD= 3.0V, TJ= -40 到 +85°C。

如有需求请联系——三亚微科技王子文（16620966594）

功能描述

1. SPI接口

MS1005 的 SPI 接口是与 4 线制 SPI 兼容的，它需要一个 SerialSelectNot(SSN)信号，从而不能够工

作在 3-线制 SPI 接口。

SSN 的下降沿或者第一个 SCK 的上升沿将会复位 INTN 管脚（中断管脚）状态。

从最高位(MSB)开始传输以最低位(LSB)结束。传输是以字节方式完成的。数据传输可以在每个字节

后停止，通过给 SSN 发送一个 LOW-HIGH-LOW 的电平。

2. 关闭STOP通道的时序

3. 系统复位时序

4. 电源电压

为了达到最佳测量效果,好的电源非常重要。电源应该具有高电容性和低电感性。MS1005 提供两

对电源供应端口：VCC - I/O 供电电压，VDD - 内核供电电压。

所有的 Ground 引脚都应该连接到印刷电路板的地层上。 VCC 和 VDD 应该通过一个电池或者固定

的线性电压调节器给出。不要应用开关式的调节器,避免由于 IO 电压引起的干扰。

时间数字转换器能够有好的测量效果，完全取决于好的电源供电。芯片测量主要是脉冲式的电

流，因此一个充足的双通滤波非常重要：VCC 47 µF（最小 22 µF），VDD 100 µF（最小 22 µF）。

电压应用通过一个vwin 的调节器给出，我们推荐不要使用开关式的电压调节。

5. 操作码及寄存器

5.1 配置寄存器

MS1005 有 1 组 32 位的配置寄存器。

如有需求请联系——三亚微科技王子文（16620966594）

6. 时间测量

6.1. 概述

非校准模式测量范围从 3.5ns 到 25μs（0-25μs 在两个 stop 通道之间测量）。

校准模式单精度测量范围从 3.5ns 到 16μs（0-16μs 在两个 stop 通道之间测量）。

校准模式双精度测量范围从 3.5ns 到 4μs（0-4μs 在两个 stop 通道之间测量）。

单精度模式典型精度为 60ps，2 个 stop 通道相对于 start 通道。

双精度模式典型精度为 30ps，仅 stop1 通道相对应 start 通道。

内置特殊防抖技术，使测量时间高度精准。

20ns 的脉冲之间最小间隔。

两个 stop 通道可同时采集，且每个 stop 通道最多 10 个脉冲。

每个 stop 通道可选择上升或下降沿捕获，或者选择上升和下降沿同时捕获。

自动测量 START 和 STOP 脉冲之间的时间间隔，无需再进行寄存器设置。

可任意设置溢出时间，从而减少高速测量时溢出时间等待。

在非校准模式下，可以任意测量比预期脉冲数少的脉冲。

典型应用: 激光测距、激光雷达、高精度延时测量。

6.2. 高精度时间测量原理

数字式 TDC 应用内部的逻辑门延时来高精度测量时间间隔，下图阐述了这种绝对时间 TDC 的测量

原理结构。该电路结构确保电路以特殊的测量方法，使信号通过逻辑门的时间可以非常精确。最高的

测量精度完全取决于内部通过逻辑门的传播时间。

时间测量是通过一个 start 信号触发,通过内部防抖处理后，TDC 的门电路开始高速计数，直到 stop

信号产生记录计数结果，达到 STOP 预期脉冲数后停止计数。

3.3V 和 25°C 时，MS1005 的单精度最小分辨率是 60ps。温度和电压对门电路的传播延时时间有很

大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。在校准过程中，TDC 测量 0.5 个

和 1.5 个时钟周期，相减后得一个时钟周期的 TDC 计数结果，即为校准值。测量范围受计数器大小的

限制，以下是非校准模式下最大测量范围：tyy = 60ps x 442368 ≈ 25µs。

每一个输入端均可以被单独设置成上升沿、下降沿或上下沿同时触发有效。可通过设置寄存器的

bit8-10 位(EG_START，NEG_STOP1,NEG_STOP2)和寄存器的 bit0-1 位(REFDGEx) 来选择触发沿。

时间测量结束后，MS1005 会自动将各个脉冲的测量结果顺序写到相应的结果寄存器，无需再进

行寄存器操作设置，在计算结果的过程中先计算 STOP1 通道的脉冲，然后计算 STOP2 通道的脉冲，所

以当使用单通道时，必须使用 STOP1。

6.3. 非校准时间测量

6.3.1 非校准时间测量概述

非校准时间测量，实际上就是应用数字式 TDC 内部的逻辑门延时来实现高精度时间测量，非校准

模式下最大测量范围是 3.5ns-25μs，单精度模式下，可以两个 STOP 通道同时测量，且每个通道最多可

以测量 10 个 STOP 脉冲，双精度模式下，仅 STOP1 通道可以使用。

非校准时间测量过程中，无需高速时钟参与，所以可以通过寄存器设置来关闭高速时钟

(START_CLKHS=0)，在该模式下，测量速度最快，结果寄存器直接输出门延时个数，在非校准模式下结

果寄存器 20 位的有效位，测量时间计算如下，该测量时间受温度和电压影响。

测量时间=RES_X × 60ps (DOUBLE_RES=0)

测量时间=RES_X × 30ps (DOUBLE_RES=1)

非校准模式下也可以实现时间测量和 CAL 值同时测量，在该模式下需要开启高速时钟

(START_CLKHS=1)和开启自动校准(NO_CAL_AUTO=0)，这样就会测量时间的同时会产生一个 Tref× N 周期

的门延时个数，然后将 CAL 值 RES_Tref 存在指定的结果寄存器中。测量时间如下计算，该测量时间和

温度和电压无关，仅和高速时钟抖动有关。

测量时间=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1,2,4,8

非校准模式测量溢出，当溢出时间功能关闭(EN_SEL_TIMO=0)的情况下，溢出时间相当于 TDC 溢

出，也就是要 25μs 后产生溢出，并且状态寄存器 Bit13=1（TDC 溢出）；当溢出时间功能开启

(EN_SEL_TIMO=1)的情况下，溢出时间由溢出时间选择(SEL_TIMO)进行设置，溢出时间仅和高速时钟相

关，不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响，例如高速时钟为 8MHz，SEL_TIMO=0 的情况下，溢出时间为

125ns，溢出时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出）。

非校准模式下，当测量脉冲个数小于预期脉冲个数时，可以正常输出测量脉冲的值，虽然这时状

态寄存器溢出，但测量到的脉冲产生的结果是正确的，这种应用可以解决在测距过程中多个不定目标

的问题。

6.3.2 寄存器设置

主要的设置为：

（1）选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

（2）选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 30ps，但仅有一个 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 60ps，这时两个 stop 通道都可用。

（3）校准选择

在非校准模式下，校准将关闭，寄存器 bit 13 CALIBRATE=0；

（4）产生 CAL 值

在非校准模式下，可以选择产生 CAL 值和不产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产

生 CAL 值，NO_CAL_AUTO=1 时，不产生 CAL 值。

（5）溢出选择

在非校准模式下，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出时间关闭，这时溢出时间为 TDC 溢出，当

EN_SEL_TIMO=1 时开启溢出时间，且溢出时间和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

（6）选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当

RFEDGE=0 时，NEG_X=0 则上升沿触发，NEG_X=1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2)，选择 STOP 由上升沿或下降沿单独触发(RFEDGE=0)，还是上升沿和下降

沿同时触发(RFEDGE=1)，当 RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

（7）中断

中断引脚 INTN 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择，非校准模式选择

bit 6 = 1 和 bit 5= 1；

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出

6.3.3 测量流程

如有需求请联系——三亚微科技王子文（16620966594）

6.4 校准时间测量

注：校准测量单精度最大测量范围 16μs，双精度最大测量范围 4μs。

6.4.1 校准时间测量概述

校准时间测量，在高速振荡器开启情况下进行测量，测量的门延时数量和 Tref 门延时数量通过

ALU 进行计算并输出到结果寄存器。输出的结果为 24 位浮点数，高 8 位为整数位，低 16 位为小数

位。校准模式下最大测量范围是 3.5ns-16μs，单精度模式下，可以两个 STOP 通道同时测量，且每个通

道最多可以测量 10 个 STOP 脉冲，双精度模式下，仅 STOP1 通道可以使用。

校准时间测量过程中，需要开启高速时钟(START_CLKHS=1)和校准开启(CALIBRATE=1)，当产生校准

值关闭(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)结果寄存器输出非校准值（可参考非校准部分介绍），当产生校准

值开启(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)时，结果寄存器输出校准后的值 RES_X，测量时间如下计算，被测

时差不能超过 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

测量时间= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8；

在校准时间测量中，必须开启溢出时间功能(EN_SEL_TIMO=1)，溢出时间由溢出时间选择

(SEL_TIMO)进行选择溢出时间，这里的时间仅和高速时钟相关，不受时钟分频(DIV_CLKHS)的影响，例

如高速时钟为 8MHz，SEL_TIMO=0 的情况下，溢出时间为 250ns，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢

出)。

校准模式下，测量脉冲个数必须大于或者等于预期脉冲个数，当测量脉冲小于预期脉冲个数时，

ALU 不进行计算，这时状态寄存器 Bit14=1（时间溢出）。且 EN_ERR_VAL=1 的情况下，结果寄存器 0

输出全 F。

6.4.2 寄存器设置

主要的设置为：

（1）选择测量预期脉冲个数

寄存器 bit 31-28 设置 STOP2 预期脉冲个数 HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 设置 STOP1 预期脉冲个数 HITIN1=2-B，不能设置为 0；否则无法开启测量。

（2）选择测量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 选择双精度模式，测量精度为典型 30ps，但仅有一个 stop 通道

可用。DOUBLE_RES = 0 选择单精度模式，测量精度为典型 60ps，这时两个 stop 通道都可用。

（3）校准选择

在校准模式下，高速晶振和校准都必须开启，寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19 START_CLKHS=1

（4）产生 CAL 值

在校准模式下，必须选择产生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 时，产生 CAL 值。

（5）溢出选择

在校准模式下，必须开启溢出，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 开启溢出时间，且溢出时间和寄存

器 bit 23-22 SEL_TIMO 设置有关。

（6）选择输入触发方式

可通过设置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一个输入端口(Start,Stop1,Stop2)边沿触发方式。当

RFEDGE = 0 时，NEG_X = 0 则上升沿触发，NEG_X = 1 则下降沿发。还可以通过设置寄存器的

Bit0&1(REFDGE1 & FEDGE2)，可以选择 STOP 下降沿单独触发(RFEDGE=0)，还是上升沿和下降沿同时

触发(RFEDGE=1)，当 RFEDGE=1 时，Bit 9-10 选择无效。

（7）中断

中断引脚 INT 可以有不同的中断源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中进行选择，由于 Reg bit 5=1 中

断输出最早，Reg bit 4=1 输出最晚，用户可以根据实际情况进行选择。

Reg bit 4 = 1 ALU 已经准备好

Reg bit 5 = 1 预期脉冲个数全部被接收到

Reg bit 6 = 1 测量时间溢出&TDC 溢出

（8）高速时钟分频

由于校准测量时间小于 2 ×Tref× DIV_CLKHS（Tref 只与外接高速晶振相关，如外接 4M，则 Tref =

250ns），所以需要测量时间增长的话，需要设置高速时钟分频，在寄存器的 Bits20-21(DIV_CLKHS)

中进行设置，但 2 ×Tref× DIV_CLKHS 不能超出测量范围最大值 16μs。

6.4.3 测量流程

7. 高速振荡器

MS1005 在校准模式下需要高速时钟用于校准采样，通常 MS1005 会需要一个高速时钟单元进行

校准，频率范围 1-8MHz，推荐高速时钟频率为 4MHz。

晶振在一直起振的状态下，平均工作电流为 220 µA。但是晶振仅在测量时间的时候需要开启，

MS1005 可以通过内部电路控制晶振的开启和关闭。设置是通过设置参数 START_CLKHS 来实现。

START_CLKHS = 0 晶振关闭

= 1 晶振持续开启

通过关闭晶振这种方式电流消耗可以大大被降低。

8. 快速初始化

MS1005 提供了快速初始化的功能。设置寄存器的 bit16(EN_FAST_INIT)=1,中断标志会自动初始化

TDC。因此在读出数据时 TDC 就已经准备好进行下次测量了。这种模式只适用于高速应用中。这对于

只有一个 STOP 信号的非校准测量模式下尤其适合。在快速初始化模式下，状态寄存器的值永远是 0,

所以无需再读状态寄存器。

INTN 不同模式下产生时间

INIT 是整个测试流程的重要标志位，INTN 是和 EN_INT[2:0]来配合使用，不同的中断源输出中断时

间不一样，如下图 tva 的时间为 INTN 产生时间，具体如下：

如有需求请联系——三亚微科技王子文（16620966594）

典型应用图

MS1002&MS1022&MS1005 主要性能对比

封装外形图

QFN20

——爱研究芯片的小王

审核编辑黄宇

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

高精度

高精度

+关注

关注
1

文章
525

浏览量
25449
激光测距

激光测距

+关注

关注
9

文章
157

浏览量
27544
时间测量

时间测量

+关注

关注
0

文章
11

浏览量
6353

行业知识 | CMOS激光位移传感器如何实现高精度测量?

明治的CMOS激光位移传感器是一种高精度、高灵敏度的位移传感器，通过结合先进的光学测量原理、高频率激光脉冲发射、高灵敏度的光电转换器件、创新的算法和信号处理技术以及非接触式

发表于 12-04 01:04 •228次阅读

行业知识 | CMOS<b class='flag-5'>激光</b>位移传感器如何实现<b class='flag-5'>高精度</b><b class='flag-5'>测量</b>?

使用TDC去测量pwm两个波形相位延时时间，如何去设计TDC7201的外围电路？

您好，当我使用TDC去测量pwm两个波形相位延时时间，如何去设计TDC7201的外围电路。

发表于 12-03 08:07

利用瓦级皮秒激光器实现高精度空间碎片观测

中国科学院上海天文台与紫金山天文台联合改造德令哈青海观测站1.2米望远镜，利用瓦级的皮秒激光器实现了对空间碎片的高精度激光测距。空间碎片目标测量

发表于 11-18 06:25 •138次阅读

TDC芯片数据手册及官方参考例程

TDC芯片是一种用于精密测时的专用芯片，这类芯片的测时精度通常可以达到ns级别，在激光测距、超声波探测等ToF领域广泛应用。下面这个资料包含了市面上常用

发表于 11-06 23:06

MS1205N——激光测距用高精度时间测量(TDC)电路

MS1205N 是一款高精度时间测量(TDC)电路，具有四通道、多脉冲的采样能力、高速 SPI

发表于 10-21 17:58 •316次阅读

MS1022——高精度时间测量(TDC)电路

MS1022是一款高精度时间测量电路，内部集成了模拟比较器、模拟开关、施密特触发器等器件，带有方案，提供FAE，欢迎了解

发表于 10-17 17:58 •522次阅读

物联网系统中的高精度测距方案_单点TOF激光雷达

激光雷达的优势 高精度测距： TOF激光雷达通过测量光脉冲往返目标的时间来计算距离，这种方法能够

发表于 09-24 11:37 •567次阅读

激光测距传感器怎么接线

目标物体反射后，被接收器接收。通过测量激光发射和接收的时间差，可以计算出传感器与目标物体之间的距离。激光测距传感器的

发表于 08-29 16:13 •760次阅读

激光测距传感器的安装方式有哪些

激光测距传感器是一种高精度的测量工具，广泛应用于工业自动化、机器人导航、无人驾驶、航空航天等领域。一、安装前的准备工作了解激光

发表于 08-29 16:03 •389次阅读

激光测距传感器的工作原理是什么?

激光测距传感器是一种利用激光技术进行距离测量的高精度仪器。它具有测量速度快、

发表于 08-29 15:58 •575次阅读

TDC7201适用于激光雷达、测距仪和ADAS中飞行时间应用的时间-数字转换器数据表

德赢Vwin官网网站提供《TDC7201适用于激光雷达、测距仪和ADAS中飞行时间应用的时间-数字转换器数据表.pdf》资料免费下载

发表于 08-14 11:28 •0次下载

知语科技激光测距：非接触式测量的新革命

知语科技的激光测距技术，相较于传统的接触式测距，激光测距无需与被测物体表面接触，从而避免了因接触而产生的形变和磨损。这种非接触式的

发表于 06-11 16:41 •339次阅读

GLUKE产品系列—GLMS高精度激光测距仪介绍

GLMS 高精度激光测距仪专门用于工作业恶劣现场工件的距离测量。

发表于 03-05 11:13 •722次阅读

如何实现更高精度的同步测量？如何做好同步数据采集的时间校准？

如何实现更高精度的同步测量？如何做好同步数据采集的时间校准？实现更高精度的同步测量是科研和工程领域中的一个重要问题。同步

发表于 01-16 15:10 •1504次阅读

激光测距模块的工作原理激光测距模块怎么用激光测距方法有哪几种

激光测距模块的工作原理激光测距模块怎么用激光测距

发表于 01-03 15:59 •1837次阅读