產品簡述

MS1003 是一款高精度時間測量(TDC)電路，對比 MS1002 具

有更高的精度和更小的封裝，適合于高精度小封裝的應用領域。

MS1003 具有雙通道、多脈沖的采樣能力、高速 SPI 通訊、

多種測量模式，適合于激光雷達和激光測距。

主要特點

?雙通道單精度模式 46ps

?單通道雙精度模式 23ps

?非校準單精度測量范圍 3.5ns(0ns)至 16μs

?非校準雙精度測量范圍 3.5ns(0ns)至 16μs

?校準單精度測量范圍 3.5ns(0ns)至 4μs

?校準雙精度測量范圍 3.5ns(0ns)至 2μs

?10ns 最小脈沖間隔，雙通道最多可接收 20 個脈沖

?4 線 SPI 通信接口

?工作電壓 2.5V 至 3.6V

?工作溫度-40°C 至+100°C

?QFN20 封裝

應用

?激光雷達

?激光測距

?脈沖測量

產品規格分類

管腳圖

管腳說明

內部框圖

極限參數

芯片使用中，任何超過極限參數的應用方式會對器件造成永久的損壞，芯片長時間處于極限工作

狀態可能會影響器件的可靠性。極限參數只是由一系列極端測試得出，并不代表芯片可以正常工作在

此極限條件下。

推薦工作條件

電氣參數

功能描述

1. SPI接口

MS1003 的 SPI 接口是與 4 線制 SPI 兼容的，它需要一個 SerialSelectNot (SSN)信號，從而不能夠工

作在 3-線制 SPI 接口。

SSN 的下降沿或者第一個 SCK 的上升沿將會復位 INTN 管腳（中斷管腳）狀態。

從最高位(MSB)開始傳輸以最低位(LSB)結束。傳輸是以字節方式完成的。數據傳輸可以在每個字節

后停止，通過給 SSN 發送一個 LOW-HIGH-LOW 的電平。

如有需求請聯系——三亞微科技 王子文（16620966594）

4. 電源電壓

為了達到最佳測量效果，好的電源非常重要。電源應該具有高電容性和低電感性。MS1003 提供兩

對電源供應端口:VCC - I/O 供電電壓 ，VDD - 內核供電電壓。

所有的 Ground 引腳都應該連接到印刷電路板的地層上。 VCC 和 VDD 應該通過一個電池或者固定

的線性電壓調節器給出。不要應用開關式的調節器，避免由于 IO 電壓引起的干擾。

時間數字轉換器能夠有好的測量效果，完全取決于好的電源供電。芯片測量主要是脈沖式的電

流，因此一個充足的雙通濾波非常重要：VCC 47 μF （最小 22 μF），VDD 100 μF（最小 22 μF）。

電壓應用通過一個模擬的調節器給出，我們推薦不要使用開關式的電壓調節。

6. 時間測量

6.1 概述

非校準單精度模式測量范圍從 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

非校準雙精度模式測量范圍從 3.5ns 到 16μs(0-16μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

校準模式單精度測量范圍從 3.5ns 到 4μs(0-4μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

校準模式雙精度測量范圍從 3.5ns 到 2μs(0-2μs 在兩個 stop 通道之間測量)。

單精度模式典型精度為 46 ps，2 個 stop 通道相對于 start 通道。

雙精度模式典型精度為 23 ps，僅 stop1 通道相對應 start 通道。

內置特殊防抖技術，使測量時間高度精準。

10 ns 的脈沖之間最小間隔。

兩個 stop 通道可同時采集，且每個 stop 通道最多 10 個脈沖。

每個 stop 通道可選擇上升或下降沿捕獲，或者選擇上升和下降沿同時捕獲。

自動測量 START 和 STOP 脈沖之間的時間間隔，無需再進行寄存器設置。

可任意設置溢出時間，從而減少高速測量時溢出時間等待。

在非校準模式下，可以任意測量比預期脈沖數少的脈沖。

典型應用: 激光測距、激光雷達、高精度延時測量。

6.2 高精度時間測量原理

數字式 TDC 應用內部的邏輯門延時來高精度測量時間間隔，下圖闡述了這種絕對時間 TDC 的測量

原理結構。該電路結構確保電路以特殊的測量方法，使信號通過邏輯門的時間可以非常精確。最高的

測量精度完全取決于內部通過邏輯門的傳播時間。

時間測量是通過一個 start 信號觸發,通過內部防抖處理后，TDC 的門電路開始高速計數，直到 stop

信號產生記錄計數結果，達到 STOP 預期脈沖數后停止計數。

3.3V 和 25°C 時，MS1003 的單精度最小分辨率是 46ps。溫度和電壓對門電路的傳播延時時間有很

大的影響。通常是通過校準來補償由溫度和電壓變化而引起的誤差。在校準過程中，TDC 測量 0.5 個

和 1.5 個時鐘周期，相減后得一個時鐘周期的 TDC 計數結果，即為校準值。測量范圍受計數器大小的

限制，以下是非校準模式下最大測量范圍：tyy = 46 ps x 442368 ≈ 20 μs。

6.3 非校準時間測量

6.3.1 非校準時間測量概述

非校準時間測量，實際上就是應用數字式 TDC 內部的邏輯門延時來實現高精度時間測量，非校準

模式下最大測量范圍是 3.5ns-16μs，單精度模式下，可以兩個 STOP 通道同時測量，且每個通道最多可

以測量 10 個 STOP 脈沖，雙精度模式下，僅 STOP1 通道可以使用。

非校準時間測量過程中，無需高速時鐘參與，所以可以通過寄存器設置來關閉高速時鐘

( START_CLKHS=0)，在該模式下，測量速度最快，結果寄存器直接輸出門延時個數，在非校準模式下結

果寄存器 20 位的有效位，測量時間計算如下，該測量時間受溫度和電壓影響。

測量時間=RES_X×46ps (DOUBLE_RES=0)

測量時間=RES_X×23ps (DOUBLE_RES=1)

非校準模式下也可以實現時間測量和 CAL 值同時測量，在該模式下需要開啟高速時鐘

(START_CLKHS=1)和開啟自動校準(NO_CAL_AUTO=0)，這樣就會測量時間的同時會產生一個 Tref× N 周期

的門延時個數，然后將 CAL 值 RES_Tref 存在指定的結果寄存器中。測量時間如下計算，該測量時間和

溫度和電壓無關，僅和高速時鐘抖動有關。

測量時間=RES_X/RES_Tref×Tref× N, N = 1, 2,4,8；

非校準模式測量溢出，當溢出時間功能關閉(EN_SEL_TIMO=0)的情況下，溢出時間相當于 TDC 溢

出，也就是要 20μs 后產生溢出，并且狀態寄存器 Bit13=1（TDC 溢出）；當溢出時間功能開啟

(EN_SEL_TIMO=1)的情況下，溢出時間由溢出時間選擇(SEL_TIMO)進行設置，溢出時間僅和高速時鐘相

關，不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響，例如高速時鐘為 8MHZ，SEL_TIMO=0 的情況下，溢出時間為

125ns，溢出時狀態寄存器 Bit14=1（時間溢出）。

非校準模式下，當測量脈沖個數小于預期脈沖個數時，可以正常輸出測量脈沖的值，雖然這時狀

態寄存器溢出，但測量到的脈沖產生的結果是正確的，這種應用可以解決在測距過程中多個不定目標

的問題。

6.3.2 寄存器設置

主要的設置為:

a. 選擇測量預期脈沖個數

寄存器 bit 31-28 設置 STOP2 預期脈沖個數 HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 設置 STOP1 預期脈沖個數 HITIN1=2-B，不能設置為 0；否則無法開啟測量。

b. 選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式，測量精度為典型 23ps 但僅有一個 stop 通道可用。

DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式，測量精度為典型 46ps，這時兩個 stop 通道都可用。

c. 校準選擇

在非校準模式下，校準將關閉，寄存器 bit 13 CALIBRATE=0；

d. 產生 CAL 值

在非校準模式下，可以選擇產生 CAL 值和不產生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時，產生

CAL 值，NO_CAL_AUTO=1 時，不產生 CAL 值。

e. 溢出選擇

在非校準模式下，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=0 溢出時間關閉，這時溢出時間為 TDC 溢出，當

EN_SEL_TIMO=1 時開啟溢出時間，且溢出時間和寄存器 bit 23-22 SEL_TIMO 設置有關。

f. 選擇輸入觸發方式

可通過設置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一個輸入端口(Start, Stop1, Stop2)邊沿觸發方式。當 RFEDGE

= 0 時，NEG_X = 0 則上升沿觸發，NEG_X = 1 則下降沿發。還可以通過設置寄存器的 Bit0&1(REFDGE1 &

FEDGE2),選擇 STOP 由上升沿或下降沿單獨觸發(RFEDGE=0)還是上升沿和下降沿同時觸發(RFEDGE=1)，

當 RFEDGE=1 時，Bit 9-10 選擇無效。

g. 中斷

中斷引腳 INTN 可以有不同的中斷源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇,非校準模式選擇 bit 6 =

1 和 bit 5= 1；

Reg bit 4 = 1 ALU 已經準備好 。

Reg bit 5 = 1 預期脈沖個數全部被接收到。

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出。

如有需求請聯系——三亞微科技 王子文（16620966594）

6.4 校準時間測量

注：校準測量單精度最大測量范圍 4μs，雙精度最大測量范圍 2μs。

6.4.1 校準時間測量概述

校準時間測量，在高速振蕩器開啟情況下進行測量，測量的門延時數量和 Tref 門延時數量通過

ALU 進行計算并輸出到結果寄存器。輸出的結果為 24 位浮點數，高 8 位為整數位，低 16 位為小數

位。校準模式下最大測量范圍是 3.5ns-4μs，單精度模式下，可以兩個 STOP 通道同時測量，且每個通

道最多可以測量 10 個 STOP 脈沖，雙精度模式下，僅 STOP1 通道可以使用。

校準時間測量過程中，需要開啟高速時鐘( START_CLKHS=1)和校準開啟(CALIBRATE=1)，當產生校準

值關閉(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=1)結果寄存器輸出非校準值（可參考非校準部分介紹），當產生校準

值開啟(NO_CAL_AUTOCALIBRATE=0)時，結果寄存器輸出校準后的值 RES_X，測量時間如下計算，被測

時差不能超過 2 ×Tref× DIV_CLKHS。

測量時間= RES_X × Tref × N, N = 1, 2,4,8；

在校準時間測量中，必須開啟溢出時間功能(EN_SEL_TIMO=1)，溢出時間由溢出時間選擇

(SEL_TIMO)進行選擇溢出時間，這里的時間僅和高速時鐘相關，不受時鐘分頻(DIV_CLKHS)的影響，例

如高速時鐘為 8MHZ，SEL_TIMO=0 的情況下，溢出時間為 250ns，這時狀態寄存器 Bit14=1（時間溢

出）。

校準模式下，測量脈沖個數必須大于或者等于預期脈沖個數，當測量脈沖小于預期脈沖個數時，

ALU 不進行計算，這時狀態寄存器 Bit14=1（時間溢出）。且 EN_ERR_VAL=1 的情況下，結果寄存器 0

輸出 0xFFFFFFFFFF。

6.4.2 寄存器設置

主要的設置為:

a. 選擇測量預期脈沖個數

寄存器 bit 31-28 設置 STOP2 預期脈沖個數 HITIN2=0 或者 2-B；

寄存器 bit 27-24 設置 STOP1 預期脈沖個數 HITIN1=2-B，不能設置為 0；否則無法開啟測量。

b. 選擇測量精度

寄存器 bit 18, DOUBLE_RES = 1 選擇雙精度模式，測量精度為典型 23ps，但僅有一個 stop 通道可用。

DOUBLE_RES = 0 選擇單精度模式，測量精度為典型 46ps，這時兩個 stop 通道都可用。

c. 校準選擇

在校準模式下，高速晶振和校準都必須開啟，寄存器 bit 13 CALIBRATE=1 和 bit 19

START_CLKHS=1

d. 產生 CAL 值

在校準模式下，必須選擇產生 CAL 值，寄存器 bit 12 NO_CAL_AUTO=0 時，產生 CAL 值。

e. 溢出選擇

在校準模式下，必須開啟溢出，寄存器 bit 7 EN_SEL_TIMO=1 開啟溢出時間，且溢出時間和寄存器

bit 23-22 SEL_TIMO 設置有關。

f. 選擇輸入觸發方式

可通過設置寄存器的 Bit 8-10(NEG_X)在每一個輸入端口(Start,Stop1,Stop2)邊沿觸發方式。當 RFEDGE

= 0 時，NEG_X = 0 則上升沿觸發，NEG_X = 1 則下降沿發。還可以通過設置寄存器的 Bit0&1(REFDGE1 &

FEDGE2)，可以選擇 STOP 下降沿單獨觸發(RFEDGE=0)還是上升沿和下降沿同時觸發(RFEDGE=1)，當

RFEDGE=1 時，Bit 9-10 選擇無效。

g. 中斷

中斷引腳 INT 可以有不同的中斷源，在寄存器的 Bits4-6(EN_INT)中進行選擇,由于 Reg bit 5=1 中斷輸

出最早，Reg bit 4=1 輸出最晚，用戶可以根據實際情況進行選擇。

Reg bit 4 = 1 ALU 已經準備好 。

Reg bit 5 = 1 預期脈沖個數全部被接收到。

Reg bit 6 = 1 測量時間溢出&TDC 溢出。

h. 高速時鐘分頻

由于校準測量時間小于 2×Tref，所以需要測量時間增長的話，需要設置高速時鐘分頻，在寄存器的

Bits20-21(DIV_CLKHS)中進行設置，但 2×Tref 不能超出測量范圍最大值 4μs。

如有需求請聯系——三亞微科技 王子文（16620966594）

典型應用圖

MS1002&MS1022&MS1003 主要性能對比

封裝外形圖

QFN20

——愛研究芯片的小王

審核編輯 黃宇