Les convertisseurs temps-numérique intégrés simplifient les conceptions de télémétrie basées sur le temps de vol

Les convertisseurs temps-numérique (TDC) sont des dispositifs électroniques qui mesurent avec précision le délai entre une impulsion de départ et une ou plusieurs impulsions d'arrêt. Ils simplifient considérablement les mesures du temps de vol (ToF) dans une grande variété d'applications en intégrant toutes les fonctions nécessaires de ce qui constitue essentiellement un chronomètre électronique. Ces fonctions sont fondamentales pour la télémétrie.

Par exemple, dans un télémètre à ultrasons, le délai entre une impulsion à ultrasons transmise et son écho reçu depuis une cible (Figure 1) est proportionnel à la distance entre le transmetteur et la cible.

Figure 1 : Un télémètre à ultrasons mesure le délai entre une rafale transmise (à gauche) et sa réflexion sur une cible (à droite) afin de déterminer la distance entre les deux. (Source de l'image : Art Pini)

Une impulsion transmise se propage vers la cible, est réfléchie, puis est détectée par le transducteur à son retour. Dans cet exemple, le trajet aller-retour prend 3,5 millisecondes (ms), et l'impulsion à ultrasons est donc à 1,75 ms de la cible. À 22°C, la vitesse du son s'élève à 344 mètres par seconde (m/s), et la distance est donc équivalente à 0,00175 x 344 = 0,6 m.

D'autres applications similaires utilisant la télémétrie, comme les technologies radar, lidar (télédétection par laser) et sonar, utilisent également le temps de vol entre une impulsion transmise et un écho réfléchi pour déterminer la distance par rapport à une cible. Cela devient de plus en plus courant dans l'industrie automobile avec les dispositifs de télémétrie qui prolifèrent. Des calculs du temps de vol sont également requis dans les mesures de débit réalisées entre des transducteurs en amont et en aval afin de déterminer la vitesse du fluide.

Simplifier la fonction des TDC

Les concepteurs visent à simplifier la fonction des TDC au maximum afin de gagner du temps et de l'espace. Pour les aider, des TDC hautement intégrés sont désormais disponibles. Par exemple, le TDC7201ZAXR de Texas Instruments (Figure 2) est un circuit intégré TDC double conçu pour la télémétrie dans les applications automobiles comme les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) qui utilisent des techniques de temps de vol. Le TDC7201ZAXR présente deux modes de mesure : le mode 1 couvre de 12 à 2000 nanosecondes (ns), tandis que le mode 2 s'étend de 250 ns à 8 millisecondes (ms). La résolution temporelle dans les deux modes est de 55 picosecondes (ps). Ce TDC utilise une horloge externe, un oscillateur en anneau interne et les compteurs respectifs pour mesurer le temps de vol entre une impulsion de départ commune et jusqu'à six impulsions d'arrêt.

Figure 2 : Le schéma fonctionnel du dispositif TDC7201ZAXR montre les deux cœurs TDC qui utilisent des oscillateurs en anneau, des compteurs approximatifs, des horloges externes et des compteurs d'horloges indépendants. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le TDC7201ZAXR est alimenté par une source de 2 à 3,6 volts CC (VCC). En interne, un régulateur à faible chute de tension fournit une source d'énergie stable pour la base de temps du TDC. Des comparateurs à bascule de Schmitt mettent en forme les signaux d'entrée de départ et d'arrêt. L'oscillateur en anneau de chaque TDC constitue le principal mécanisme de mesure du temps de chaque cœur TDC. Le compteur approximatif est associé à l'oscillateur en anneau, tandis que l'horloge externe commande le compteur d'horloge. L'horloge externe doit être une source stable en fréquence, car la précision temporelle du TDC dépend directement de la précision de l'horloge. L'horloge externe sert de référence pour l'étalonnage de la base de temps basée sur l'oscillateur en anneau. La fréquence d'horloge recommandée s'étend de 8 à 16 mégahertz (MHz) pour une précision temporelle optimale.

L'examen des modes de fonctionnement du TDC permet de comprendre la manière dont ce dispositif fonctionne. Le mode 1, pour une plage temporelle de moins de 2000 ns, utilise la sortie de l'oscillateur en anneau et le compteur approximatif (Figure 3).

Figure 3 : Le mode 1 utilise l'oscillateur en anneau exclusivement pour commander le compteur approximatif, générant une résolution temporelle de 55 ps pour les temps de vol inférieurs à 2000 ns. (Source de l'image : Texas Instruments)

La période de l'oscillateur en anneau définit la résolution temporelle, d'une valeur nominale de 55 ps, déterminée avec précision par l'étalonnage interne par rapport à l'horloge externe. Les temps de vol entre l'impulsion de départ et jusqu'à six impulsions d'arrêt sont stockés dans des registres spécifiques.

Le mode 2 augmente la plage temporelle jusqu'à 8 ms tout en maintenant la même résolution temporelle nominale de 55 ps (Figure 4).

Figure 4 : Le mode 2 utilise le compteur d'horloge, qui compte les périodes de l'horloge externe, et le compteur approximatif, qui compte les périodes de l'oscillateur en anneau entre l'impulsion de départ et l'horloge externe suivante, et entre l'impulsion d'arrêt et l'horloge externe suivante. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le compteur approximatif sert de vernier, en mesurant le délai entre l'impulsion de départ et le front d'horloge externe suivant. Il mesure également le délai entre les impulsions d'arrêt et les fronts d'horloge externe suivants. Cette combinaison garantit la résolution temporelle du compteur approximatif tout en étendant la plage de mesure.

Le TDC7201ZAXR est contrôlé à l'aide d'une interface périphérique série (SPI), qui différencie les deux TDC en utilisant la ligne de sélection de circuit. Les sorties temporelles mesurées et la configuration du dispositif sont réalisées par le biais de l'interface SPI.

Si vous voulez essayer ce TDC, commencez avec la carte d'évaluation TDC7201-ZAX-EVM. Cette carte permet d'évaluer le fonctionnement et les performances du TDC7201, et possède une interface utilisateur graphique (GUI) conviviale.

Le MAX35101EHJ+ d'Analog Devices est un TDC pour les applications de compteur de chaleur et de débitmètre. Il présente une résolution temporelle de 20 ps et une plage maximum de 8 ms. Il inclut également un circuit d'entrée analogique complet sous la forme d'un amplificateur et d'un comparateur. Par ailleurs, il fournit des mesures de température haute précision, une mémoire non volatile de 8 kilo-octets (Ko) pour l'enregistrement des données, et une horloge temps réel.

Un compteur de chaleur mesure l'énergie thermique en déterminant la vitesse du fluide dans un système de chauffage à eau chaude à l'aide de mesures du temps de vol en amont et en aval (Figure 5).

Figure 5 : Un compteur de chaleur basé sur la mesure du temps de vol détermine la vitesse de l'eau dans la bobine grâce à des transducteurs piézoélectriques en amont et en aval. (Source de l'image : Analog Devices)

Un compteur de chaleur mesure l'énergie thermique fournie via un radiateur. Grâce à un capteur de température à résistance (RTD), il mesure les températures à l'entrée et à la sortie. La bobine veille à ce que l'eau s'écoule par une ouverture d'un diamètre connu. La bobine contient des transducteurs piézoélectriques auxquels le MAX35101EHJ+ envoie des impulsions en amont et en aval. La différence dans les mesures du temps de vol indique la vitesse de l'écoulement d'eau. Ces informations, combinées à la zone d'ouverture connue, peuvent être utilisées pour déterminer le volume d'écoulement. En combinant ces données à la chute de température, la quantité d'énergie thermique dissipée par le radiateur peut être calculée. Le MAX35101EHJ+ est autonome et réalise toutes les mesures requises.

Conclusion

Le TDC est un élément essentiel qui permet de réaliser de nombreuses mesures de temps de vol dans les applications automobiles, industrielles et de recherche. Des dispositifs hautement intégrés et performants sont disponibles chez Texas Instruments et Analog Devices pour simplifier le processus de conception. Des cartes d'évaluation sont également disponibles pour garantir que les dispositifs répondent aux critères de vos applications.