基于Microchip单片机CTMU模块的时间测量.ppt

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1、 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 1使用使用CTMU实现精确实现精确时间测量和传感应用时间测量和传感应用 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 2课程目标课程目标完成本课程后，您将：完成本课程后，您将：熟悉熟悉CTMU模块模块了解如何将了解如何将CTMU用于精确时间测量用于精确时间测量了解如何将了解如何将CTMU用于电感测量用于电感测量 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C

2、11L09 PTMSlide 3课程安排课程安排lCTMU模块简介l精确时间测量l电感测量 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 4什么是什么是CTMU？充电时间测量单元充电时间测量单元 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 5什么是什么是CTMU？lCTMU代表代表“充电时间测量单元充电时间测量单元”l它是一种灵活的模拟模块，与其他片上模拟模块配合使用时，可以精确地测量时间、电容、电容相对变化或产生异步输出脉冲l许多许多PIC24

3、F和和PIC18F系列单片机中都有提供系列单片机中都有提供 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 6 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 7 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 8CTMU电流源电流源 至A/D转换器 CTMU电流源电流源触发源启动触发源启动/停停止电流源止电流源放电放电电流源对电流源对 外部电路充电外部电路充电可微调电流源可微调电

4、流源范围：范围：0.55 uA、5.5 uA和和55 uA 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 9PIC MCU A/D与CTMUCTMU与与ADC接口接口 A/D转换器 电流源A/D转换触发CTMUC CADADMUX 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 10CTMU的用途的用途l时间测量时间测量lTDR电缆长度测量l时差测量（超声波）l流量流量l距离距离l电感测量电感测量l流量计lLCR测量仪l温度测量温度测量l自动调温器

5、2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 11使用使用CTMU进行时间测量进行时间测量 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 12CTMU如何测量时间如何测量时间 A/D转换器 电流源CADVAD放电CTMU边沿边沿边沿边沿控制逻辑控制逻辑控制逻辑控制逻辑外部边沿外部边沿外部边沿外部边沿触发引脚触发引脚触发引脚触发引脚VADC=CAD+CPIN+CSTRAY放电充电开始充电停止 2010 Microchip Technology Inc

6、orporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 13时间测量的基本公式时间测量的基本公式lEE101基本公式：基本公式：l电容中的瞬时电流电容中的瞬时电流i=C*(dv/dt)i=C*(dv/dt)lI和和C是常量，所以重新调整公式是常量，所以重新调整公式dt=(C/I)*dvdt=(C/I)*dvl积分之后：积分之后：T=(C/I)*V +KT=(C/I)*V +K公式公式1l 通常K将为0 l因此，因此，T与与V成正比成正比 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 14CTMU分辨率分辨率(PIC

7、24FXXGA)l使用使用10位位A/D（1024个计数）个计数）l假设假设lI=55 uAlC=CAD+CPIN+CSTRAY =15 pFlA/D VREF=VDDl如果如果VDD=3.0V，则，则1个个A/D计数计数=V=3.0/1024=2.93 mVlCTMU时间分辨率为时间分辨率为T=(15 pF/55 uA)*2.93 mV =0.799nS因此，分辨率可达到因此，分辨率可达到 1纳秒纳秒I IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 15CTMU分辨率分辨率(PIC18FK90)

8、l使用使用12位位A/D（4096个计数）个计数）l假设假设lI=55 uAlC=CAD=25 pFlA/D VREF=VDDl如果如果VDD=3.0V，则，则1个个A/D计数计数=V=3.0/4096=0.7324 mVlCTMU时间分辨率为时间分辨率为T=(25 pF/55 uA)*0.7324 mV =0.333nS因此，分辨率可达到因此，分辨率可达到 0.5纳秒纳秒I IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 16CTMU分辨率分辨率(PIC24FJGA310)l使用使用12位位A/D

9、4096个计数）个计数）l假设假设lI=550 uAlC=CAD=4.4 pFlA/D VREF=VDDl如果如果VDD=3.0V，则，则1个个A/D计数计数=V=3.0/4096=0.7324 mVlCTMU时间分辨率为时间分辨率为T=(4.4 pF/550 uA)*0.7324 mV =0.006nS因此，分辨率可达到因此，分辨率可达到 10皮秒皮秒I IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 17CTMU分辨率分辨率(PIC24FJGA310)l使用使用12位位A/D（4096个计数）

10、个计数）l假设假设lI=55 uAlC=CAD=4.4 pFlA/D VREF=VDDl如果如果VDD=2.5V，则，则1个个A/D计数计数=V=2.5/4096=0.61035 mVlCTMU时间分辨率为时间分辨率为T=(4.4 pF/55 uA)*0.61035 mV =0.049nS因此，分辨率可达到因此，分辨率可达到 50皮秒皮秒I IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 18如何提高分辨率如何提高分辨率存在一些方法存在一些方法l降低降低A/D VREFl使用外部2.5v VREFT

11、15 pF/55 uA)*(2.5/1024)=0.666 nSl使用内部带隙参考电压作为VREFl使用内部使用内部CTMU通道（无外部引脚连接）通道（无外部引脚连接）l只有CAD，消除CPIN+CSTRAYC越小，T就越小T=(4 pF/55 uA)*(3.0/1024)=0.213 nSl使用外部高分辨率使用外部高分辨率ADCl使用外部16位ADCl假设电容倍增为30 pFlT=(30 pF/55 uA)*(3.0/65536)=24.9 pS!2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 19CTMU动态范围动

12、态范围(PIC24FXXGA)l动态测量范围受以下因素限制：动态测量范围受以下因素限制：l总电容（CAD+CPIN+CSTRAY）l充电电流l最大A/D输入电压l假设假设l10位A/D（1024个计数）l I=55 uAlC=CAD+CPIN+CSTRAY=15 pFl分辨率为分辨率为（基于前面的幻灯片）（基于前面的幻灯片）lT=(25 pF/55 uA)*2.93 mV =0.799 nSl因此，动态范围为因此，动态范围为l0.799 nS*1024个A/D计数=818 nS或l(15 pF/55 uA)*3.0v=818 nSI IC C=T TV V 2010 Microchip Tec

13、hnology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 20CTMU动态范围动态范围(PIC18FK90)l动态测量范围受以下因素限制：动态测量范围受以下因素限制：l总电容（CAD+CPIN+CSTRAY）l充电电流l最大A/D输入电压l假设假设l12位A/D（4096个计数）,Vref=3Vl I=55 uAlC=CAD+CPIN+CSTRAY=15 pFl分辨率为分辨率为（基于前面的幻灯片）（基于前面的幻灯片）lT=(25 pF/55 uA)*0.7324 mV =0.333nSl因此，动态范围为因此，动态范围为l0.333 nS*4096个A/D计数=1364

14、 nS或l(25 pF/55 uA)*3.0v=1364 nSI IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 21CTMU动态范动态范(PIC24FJGA310)l动态测量范围受以下因素限制：动态测量范围受以下因素限制：l总电容（CAD+CPIN+CSTRAY）l充电电流l最大A/D输入电压l假设假设l12位A/D（4096个计数）,Vref=2.5Vl I=55 uAlC=CAD=4.4 pFl分辨率为分辨率为（基于前面的幻灯片）（基于前面的幻灯片）lT=(4.4 pF/55 uA)*0.61

15、03 mV =0.048 nSl因此，动态范围为因此，动态范围为l0.048 nS*4096个A/D计数=200 nS或l(4.4 pF/55 uA)*2.5v=200 nSI IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 22PIC18F87K90PIC24FJ128GA310PIC24FJGB004MCU Profile8 bit,16MIPS,1.8-5V16 bit,16MIPS,1.8-3.3V16 bit,16MIPS,1.8-3.3VLCD ControllerOn chip On

16、chipExternalADC12 bit12 bit10 bitCurrent Source55uA550uA55uATime Resolution200pS50pS200pSFlash/RAM Size128/4KB128/8 KB64/8 KBOn chip EEP1KB-Package64,8064,80,10020,28,44,48US-Benchmark data 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 23动态范围注意事项动态范围注意事项l为了维持恒流，为了维持恒流，CTMU电流源需要一个很小的电压开

17、销电流源需要一个很小的电压开销l通常为VDD-0.5v将将CTMU动态动态范围限制为范围限制为A/D输入范围输入范围的的85%，即，即2.8vVDD=3.3v电流源电流源电压开销电压开销（VDD-0.5v）或使用外部或使用外部2.5v A/D参考参考电压。这将电压。这将允许允许100%的的A/D输入范围输入范围电流对电流对C充电充电 电流源 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 24CTMU精度精度l根据设计，校准之后根据设计，校准之后CTMU电流源的精度为（电流源的精度为（1%）l线性工作范围内的典型值lVDD

18、电压范围内的典型值l不同温度下的典型值l假设假设lI=55 uAlC=CAD+CPIN+CSTRAY =15 pFlA/D VREF=外部2.5vl动态范围动态范围T为为l(15 pF/55 uA)*2.5v=682 nSl线性工作范围内的精度为线性工作范围内的精度为 l 1%*682 ns=6.8 nSlA/D精度（精度（0.1%）l假设1 LSB(1/1024)=0.0009765lCTMU精度是主要决定因素 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 25校准校准CTMUl校准决定校准决定CTMU的增益和失调的增

19、益和失调l无需确定无需确定C和和I的精确值；只需确定斜率即可的精确值；只需确定斜率即可l步骤步骤1已知已知T1（充电（充电2个个TCY的时间）的时间）；测量测量V1l步骤步骤2已知已知T2（充电（充电8个个TCY的时间）的时间）；测量测量V2l步骤步骤3确定两点之间的斜率确定两点之间的斜率(T2-T1)/(V2-V1)=C/Il步骤步骤4代入并求解失调代入并求解失调K根据根据EE101基本公式：基本公式：T=(C/I)*V +KT=(C/I)*V +K公式公式1T1T2V1V2T1=(C/I)*V1+KT2=(C/I)*V2+K计算计算C/I求解失调求解失调K：如果如果y=mx+b，则代入则代

20、入T2=(C/I*V2)+K且且K=T2 (C/I*V2)2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 26如何测量更长的时间如何测量更长的时间l是否可以扩大是否可以扩大CTMU的动态范围？的动态范围？l绝对可以！绝对可以！存在几种方式存在几种方式l增大电容lC增大时，增大时，T会增大会增大T=(100 pF/55 uA)*2.5v=4.54 uSl降低电流lI降低时，降低时，T会增大会增大T=(15 pF/34 uA)*2.5v=1.1 uSl在两种情况下，C的充电时间都会变长，扩大时间测量的周期l但是，这两种方法都会

21、降低分辨率l如何才能既扩大如何才能既扩大CTMU动态范围而又不损失分辨率？动态范围而又不损失分辨率？l这是CTMU的一个关键特性关键特性，所以我们将在下一张幻灯片中详细介绍它I IC C=T TV V 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 27测量更长的时间测量更长的时间l将将CTMU与输入捕捉（与输入捕捉（ICAP）、输出比较（）、输出比较（OCMP）或）或Timer1组合使用组合使用l基于指令时钟周期TCY提供“粗粒度的”同步时间间隔（例如，对于（例如，对于PIC24F，以，以16 MIPS工作时，指令时钟周

22、期为工作时，指令时钟周期为62.5纳秒）纳秒）lCTMU用于测量“细粒度的”异步时间间隔l测量总时间等于粗粒度时间+细粒度时间l ICAP示例示例=TCY*(8002 2)+(T1 T2)=500微秒微秒+(T1-T2)ICAP0800221TCY异步脉冲异步脉冲8001T2V1V2T1CTMU充电充电通过异步边沿通过异步边沿检测启动检测启动CTMU充电充电通过通过ICAP触发停止触发停止 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 28测量更长时间时的精度测量更长时间时的精度l精度精度l粗粒度测量l精度取决于晶振精度

23、取决于晶振l100 ppm晶振（0.01%）l精度是晶振精度（或0.02%）的一半l抖动影响抖动可通过对多个读数求平均值来消除l细粒度测量l校准之后的校准之后的CTMU误差影响误差影响l假设CTMU动态范围为500纳秒l500 nS范围内CTMU的精度为1%（基于前面的幻灯片）l1%*(0.500 us/500 us)0.001%l结论l粗粒度（粗粒度（0.02%）+细粒度（细粒度（0.001%）=0.021%l精度主要由晶振精度决定精度主要由晶振精度决定 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 29时间测量应用时

24、间测量应用l超声波超声波l时差流量计l距离测量l时域反射仪（时域反射仪（TDR）l激光或射频激光或射频l距离测量l自适应巡航控制l安全制动l脉宽测量脉宽测量 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 30使用使用CTMU进行超声波时差测量进行超声波时差测量 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 31使用使用CTMU模块模块进行超声波流量测量进行超声波流量测量l超声波时差测量需要测量超声波信号从发送器传播到接收器的时间超声波时差测量需要测

25、量超声波信号从发送器传播到接收器的时间l声速声速VS=1,125英尺英尺/秒（秒（342.9米米/秒）秒）l干燥空气l20摄氏度l时间T=L/(VS+VG)lVG=(L T*VS)/Tl两次测量l每个方向测量一次每个方向测量一次长度=L流量测量换能器 气流=VG 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 32使用使用CTMU模块模块进行超声波流量测量进行超声波流量测量l框图框图 长度=L流量测量换能器UT1UT2输出比较输入捕捉CTMU/ADPIC MCU收发器X1收发器 2010 Microchip Technol

26、ogy Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 33时差测量技术时差测量技术-Zero Crossing 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 34时差测量技术时差测量技术-Sync 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 35时差测量技术时差测量技术-设计一设计一捕获捕获第一个边沿第一个边沿TMR与与OCMP匹配；匹配；CTMU电流源使能；电流源使能；充电开始充电开始过零会过零会禁止电流源禁止电流源 20

27、10 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 36时差测量技术时差测量技术-设计一设计一捕获捕获第一个边沿第一个边沿TMR与与OCMP匹配；匹配；CTMU电流源使能；电流源使能；充电开始充电开始过零会过零会禁止电流源禁止电流源？CTMU 量程量程0.5T(500 ns)2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 37时差测量技术时差测量技术-设计二设计二软件测软件测第一个边沿第一个边沿软件读取软件读取OCMP TMR；重载值重载值=OCMP+X(10

28、)TMR与与OCMP匹配；匹配；CTMU电流源使能；电流源使能；充电开始充电开始下一次过零会下一次过零会禁止电流源禁止电流源 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 38时差测量技术时差测量技术-设计二设计二软件检测软件检测第一个边沿第一个边沿软件读取软件读取OCMP TMR；重载值重载值=OCMP+X(10)TMR与与OCMP匹配；匹配；CTMU电流源使能；电流源使能；充电开始充电开始下一次过零会下一次过零会禁止电流源禁止电流源 2010 Microchip Technology Incorporated.版权所有。C11L09 PTMSlide 39重载值重载值 Xl重载值重载值 X:同步被测信号，避免同步被测信号，避免CTMU超出量程超出量程lX=(N*T/2 CTMU 量程量程)/TCYlT=1000ns,TCY=62.5ns,CTMU 量程=200 ns,N=2lX=(1000 200)/62.5=13XCTMU 量程量程N*T/2