CBM-DC2：通用CBM系列的新一代高精度芯片

在電子工程領(lǐng)域，高精度和小型化一直是硬件設(shè)計追求的目標。CBM-DC2作為COREBAI公司通用CBM系列的新一代產(chǎn)品，以其出色的性能和豐富的功能，為低成本工業(yè)應(yīng)用帶來了新的解決方案。下面我們就來詳細了解一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品特性概述

CBM-DC2采用QFN 32腳封裝，具有小巧的外形，便于集成到各種設(shè)備中。它的I/O電壓范圍為1.8V - 5.5V，Core電壓范圍為1.8V - 3.6V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。最大1MHZ的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出率，滿足了高速數(shù)據(jù)處理的需求。工作溫度范圍在 -40℃ - 125℃，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性。

它還具備四線SPI接口，方便與其他設(shè)備進行通信。脈沖發(fā)生器、時鐘校準單元和精確停止脈沖使能窗口等功能模塊，為其在時間測量和控制方面提供了強大的支持。輸入信號可以選擇上升沿/下降沿單獨觸發(fā)，或者上升沿和下降沿同時觸發(fā)，增加了使用的靈活性。

測量范圍及性能

測量范圍1

該范圍為雙通道測量，典型分辨率可達50ps rms，測量范圍為0 - 1.8us。間隔脈沖對分辨能力為15ns，每個通道可進行4次采樣，并且可以測量4次采樣中任意2個采樣之間的時間間隔。停止信號使能窗口可提供準確的stop使能，確保測量的準確性。

測量范圍2

此范圍為單通道測量，典型分辨率同樣可達50ps rms，測量范圍為500ns - 4ms。間隔脈沖對分辨能力為兩個校準時鐘周期，可進行3次采樣。3次采樣中分別由三個去噪聲窗口過濾，有效提高了測量的穩(wěn)定性。

電子特性

最大絕對限度值

包括電源電壓、輸出電流、存儲溫度和最大結(jié)溫等參數(shù)，為產(chǎn)品的安全使用提供了參考。例如，Vcc的范圍是 -0.3 to 4V，Vio的范圍是 -0.3 to 7V，輸出電流Iout最大為 ±30mA，存儲溫度Tstg范圍是 -65 to 150℃，最大結(jié)溫Tj為125℃。

推薦使用工作條件

詳細列出了不同參數(shù)的推薦值，如Core supply voltage（Vcc）在Vio > Vcc時，范圍為1.8 - 3.6V；I/O supply voltage（Vio）范圍為1.8 - 5.5V等。這些參數(shù)的設(shè)置有助于確保產(chǎn)品在最佳狀態(tài)下工作。

直流電特性

在特定條件下（Vio = Vcc = 3.3V ± 0.3V，Tj = -40 to +85°C），給出了不同模塊的電流消耗情況。例如，32kHz振蕩器運行時的電流I32典型值為4.5μA，4MHz振蕩器運行時的電流Ihs典型值為260μA，時間測量單元的電流Itmu典型值為15mA等。

終端等效電容和時間測量單元

終端等效電容方面，輸入（Ci）、輸出（Co）和雙向（Cio）的電容值有待確定。時間測量單元在不同電壓和溫度條件下，給出了LSB（最低有效位）和標準偏差（σ）的數(shù)值，為時間測量的精度提供了量化指標。

溫度測量單元

可連接兩個或者四個傳感器，可選擇PT500/PT1000或者更高的溫度傳感器，有效分辨率可達16位，每個鉑金溫度傳感器的分辨率可達0.004℃。超低的電流消耗，每30秒測量一次時，電流只有0.08μA，非常適合低功耗應(yīng)用。

時序特性

振蕩器

包括32kHz參考振蕩器（Clk32）和高速參考振蕩器（ClkHS）。Clk32的頻率為32,768kHz，振蕩器啟動時間根據(jù)不同的振蕩器類型有所不同，陶瓷諧振器的啟動時間為200μs，晶體振蕩器的啟動時間為5ms。ClkHS的頻率為2 - 8MHz。

串行接口

串行時鐘頻率（fclk）根據(jù)不同的Vio值有所變化，在2.0V、2.5V和3.3V時分別為10MHz、20MHz和25MHz。還給出了串行時鐘的脈沖寬度高（tpwh）、脈沖寬度低（tpwl）、SSN使能到有效鎖存時鐘（tsussn）等時序參數(shù)。

串行接口時序

與4線SPI標準接口兼容，規(guī)定了寫時序和讀時序，以及不同操作碼的含義，如寫操作碼（10000ADR2ADR1ADR0）、讀操作碼（10110ADR2ADR1ADR0）等。

STOP使能時序和復(fù)位時序

STOP使能時序規(guī)定了使能設(shè)置時間（tS-EN）和使能保持時間（tSH-EN）的最小值為5ns。復(fù)位時序規(guī)定了復(fù)位脈沖寬度（tph）最小值為50ns，復(fù)位上升沿后脈沖接受時間（trfs）最小值為200ns。

引腳簡述

詳細介紹了32個引腳的名稱、功能和相關(guān)參數(shù)。例如，Xin和Xout為振蕩器驅(qū)動輸入和輸出引腳，Vio為I/O供電電壓引腳，GND為接地引腳，F(xiàn)ire1和Fire2為脈沖發(fā)生器輸出引腳等。每個引腳都有其特定的作用，工程師可以根據(jù)實際需求進行連接和使用。

電源要求

電源電壓

盡管CBM-DC2是全數(shù)字化電路，但模擬測量會受溫度和電源電壓影響。因此，良好的供電電源層是獲得良好測量結(jié)果的基本保證，電源應(yīng)具有高電容性和低電感性。DC2提供Vio（I/O供電電壓）和Vcc（核心供電電壓）兩對電源供應(yīng)端口，所有Ground引腳都應(yīng)連接到印刷電路板的地層上。Vio和Vcc應(yīng)由電池或者固定的線性電壓調(diào)節(jié)器供電，避免使用開關(guān)調(diào)節(jié)器，以減少干擾。

電流消耗

列出了不同部分的耗電量，如靜電流Iddq < 150nA，32kHz振蕩器的輸入電流I32典型值為4.5μA，高速振蕩器的輸入電流Ihs典型值為260μA/s (處于激活狀態(tài)的工作時間)，時間測量單元的輸入電流Itmu典型值為15mA/s (處于激活狀態(tài)的測量時間)等。通過合理控制不同模塊的工作時間，可以有效降低整體功耗。

寄存器設(shè)置

寫寄存器

詳細列出了6個寄存器（Reg0 - Reg5）的位設(shè)置和默認值，每個位都有其特定的功能。例如，Reg0的Bit3（MRange2）用于選擇測量范圍，Bit5（Calibrate）用于選擇校準測量等。工程師可以根據(jù)實際需求對寄存器進行設(shè)置，以實現(xiàn)不同的功能。

寄存器各位的簡單描述

對每個寄存器的各個位的功能進行了詳細說明，如NEG_START用于反向start輸入，HITIN1用于設(shè)置stop通道1的預(yù)期脈沖數(shù)等。通過合理設(shè)置這些位，可以靈活控制芯片的工作模式。

讀寄存器/數(shù)據(jù)輸出格式

介紹了不同地址的寄存器名稱、位數(shù)和描述，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和結(jié)果寄存器的分配規(guī)則。測量結(jié)果以固定浮點數(shù)的形式存儲，根據(jù)測量范圍和是否校準，數(shù)據(jù)格式有所不同。在測量范圍1中，非校準值以16位有符號整數(shù)形式存儲，校準值以32位定點數(shù)形式存儲；在測量范圍2中，只支持校準測量，測量結(jié)果同樣以32位定點數(shù)形式存儲。

狀態(tài)寄存器

CBM-DC2提供了一個16位的狀態(tài)寄存器，用于顯示各種狀態(tài)信息，如指針指向下一個空結(jié)果寄存器地址、顯示channel 1和channel 2記錄下的脈沖數(shù)、顯示CBM溢出和測量范圍2中14位預(yù)算器的溢出等。通過讀取狀態(tài)寄存器，可以及時了解芯片的工作狀態(tài)。

測量范圍設(shè)置與操作

測量范圍1

概述

兩個stop通道共用一個start通道，每個通道典型分辨率為50pS RMS，最低有效位為65ps，間隔脈沖對分辨能力為15ns，每個stop通道可進行4次采樣，測量范圍為2.0 ns - 1.8μs。輸入電路可單獨設(shè)置觸發(fā)沿，通過設(shè)置寄存器實現(xiàn)。

設(shè)置

在開始使用前，需要進行一系列設(shè)置。選擇測量范圍1，設(shè)置register 0的bit3（MRange2 = 0）；選擇參考時鐘，通過register 0的bits 10&11（START_CLKHS）切換高速時鐘，bits 12&13（ClkHSDiv）設(shè)置參考時鐘內(nèi)部分頻器數(shù)值；設(shè)置所需的hit次數(shù)，在register 1的bits 8 - 10（HITIN1）和bits 11 - 13（HITIN2）中設(shè)定；選擇校準測量，設(shè)置register 0的Bit5（Calibrate）為“1”；定義ALU數(shù)據(jù)處理，在register 1的Bit16 - 19（HIT1）以及20 - 23（HIT2）中設(shè)置；選擇輸入觸發(fā)方式，通過設(shè)置register 2的Bit19&20（REFDGE1 & FEDGE2）和register 0的Bit0 - 2（NEG_X）；設(shè)置中斷，在寄存器2的Bits21 - 23（EN_INT）中選擇中斷源。

測量與數(shù)據(jù)處理

初始化后，CBM高速測量單元接收到Start脈沖開始工作，達到設(shè)置的采樣數(shù)或遇到測量溢出后停止。時間測量原始數(shù)據(jù)存儲在CBM內(nèi)部，狀態(tài)寄存器可顯示采樣數(shù)目。如果進行校準，測量完時差后測量一個和兩個內(nèi)部基準時鐘周期。測量結(jié)尾，ALU根據(jù)設(shè)置處理數(shù)據(jù)并將結(jié)果送入輸出寄存器。未校準數(shù)據(jù)以16位帶符號整數(shù)形式輸出，校準數(shù)據(jù)以32位固定浮點數(shù)形式輸出。

測量范圍2

概述

只有一個Stop通道對應(yīng)Start通道，典型分辨率為50ps RMS，間隔脈沖對分辨率為2 x Tref，有3次采樣能力，測量范圍為2×Tref - 4ms@4MHZ。輸入電路可單獨設(shè)置觸發(fā)沿，通過設(shè)置寄存器實現(xiàn)。

設(shè)置

選擇測量范圍2，設(shè)置register 0的bit3（MRange2 = 1）；選擇參考時鐘，設(shè)置register 0的bit 6（SelClkT = 1）選擇高速時鐘，通過register 0的bits 10&11（START_CLKHS）切換高速時鐘，bits 12&13（ClkHSDiv）設(shè)置基準時鐘內(nèi)部分頻器數(shù)值；設(shè)置所需的hit次數(shù)，在register 0的bits 8 - 10（HITIN1）中設(shè)定，channel 1最多可測量3次；選擇校準測量，設(shè)置register 0的Bit5（Calibrate）為“1”；定義ALU數(shù)據(jù)處理，在register 1的Bit16 - 19（HIT1）以及20 - 23（HIT2）中設(shè)置；選擇輸入觸發(fā)方式，通過設(shè)置register 2的Bit19&20（REFDGE1 & FEDGE2）和register 0的Bit0 - 2（NEG_X）；設(shè)置中斷，在寄存器2的Bits21 - 23（EN_INT）中選擇中斷源。

測量與數(shù)據(jù)處理

初始化后，CBM單元接收到Start通道上的第一個脈沖開始工作，達到預(yù)設(shè)的采樣數(shù)或遇到測量溢出后停止。可通過設(shè)置Reg3的Bits19&20（SEL_TIMO_MR2）選擇不同的基準時鐘因子限定溢出時間。時間測量結(jié)尾，CBM測量兩個基準時鐘周期進行校準。ALU根據(jù)設(shè)置處理數(shù)據(jù)并將結(jié)果送入輸出寄存器，以32位固定浮點數(shù)形式輸出。

Stop屏蔽功能

CBM-DC2可以設(shè)置時基屏蔽窗口，屏蔽通道STOP1上3次hit中的任一次hit。屏蔽窗口以START信號為起點，精度小于10ns。內(nèi)部使能單元通過邏輯“與”門與外部使能引腳相連，采用內(nèi)部屏蔽單元時外部使能引腳必須置1。可在REG2 - 4的DELVAL1、DELVAL2和DELVAL3中進行設(shè)置，屏蔽值必須是升序的，每個屏蔽值必須比前一個值大3個時鐘周期。

詳細描述和特殊功能

振蕩器

高速振蕩器

通常需要一個2 - 8MHZ的高速時鐘進行校準和時間測量。振蕩器不停工作時平均電流為260μA，DC2能夠自動控制振蕩器的開啟時間，通過register 0的Bits 10 & 11（START_CLKHS）進行設(shè)置。采用這種測量方法可以顯著降低平均電流消耗。

32.768 kHz振蕩器

需要一個32.768KHz的基準時鐘來控制高速時鐘和進行時鐘校準，也可用作完整驅(qū)動器。如果高速時鐘一直工作且不需要對其進行校準，則不需要使用32.768KHZ時鐘。此振蕩器的起振時間大約為2s，外部振蕩電路只有在需要32.768KHz時鐘時才被采用，否則CLK32In必須接地。

校準高速陶瓷振蕩器

由于2 - 8MHZ的陶瓷振蕩器成本低、啟動快，但誤差較大且有溫漂，CBM-DC2會進行校準測量以補償其特性。測量以精確的32.768 kHz時鐘為基準，結(jié)果存儲在結(jié)果寄存器中。在register 0的CALRES#中對校準進行設(shè)置，接收到“START_Cal_Resonator”命令開始校準。

脈沖發(fā)生器

概述

觸發(fā)脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生頻率、相位和脈沖個數(shù)都可調(diào)的脈沖序列，高速振蕩器頻率用作基本頻率?？梢援a(chǎn)生1 - 15個脈沖序列，每個脈沖序列的相位可通過設(shè)置寄存器調(diào)節(jié)。提供兩個輸出結(jié)果（Fire1和Fire2），每個輸出在5V時的驅(qū)動能力是48mA，驅(qū)動能力可同時增加到96mA，輸出管腳能被單獨設(shè)置為高阻態(tài)。

設(shè)置

脈沖個數(shù)通過FIRE#設(shè)置，相位在寄存器5的Bits 0 - 15（PHFIRE）中設(shè)置，觸發(fā)脈沖頻率由高速時鐘和所選擇的高速時鐘的除法因數(shù)共同得出，可通過設(shè)置寄存器5的Bit 19（DIS_PHASESHIFT）激活相位移動功能。輸出驅(qū)動在寄存器5的Bits 21 - 23（CONF_FIRE）中設(shè)置，脈沖群循環(huán)次數(shù)在寄存器5的Bits 16 - 18（REPEAT_FIRE）中設(shè)置。

溫度測量

測量原理

基于測量對放電時間，電容分別對傳感器以及參考電阻進行放電。此單元有四個寄存器測量端口（PT1 - PT4），溫度傳感器的最小阻值為500Ω，溫度測量精度大約為0.004°C。

設(shè)置

在Register 0的Bit8（Tcycle）中設(shè)置溫度測量的周期，Bit9（Port#）中設(shè)置要用的端口個數(shù)，Bit7（Fake#）中設(shè)置溫度測量開始時虛擬測量的個數(shù)。推薦電容值根據(jù)傳感器類型而定，PT500推薦220 nF，PT1000推薦100 nF。

電流消耗與誤差偵測

采用CBM進行溫度測量電流消耗極低，進行一次完整的溫度測量（2個傳感器，2個基準），包括所有計算在內(nèi)，功耗小于2.5μAs。溫度測量單元還可檢查結(jié)果的可用性，檢測傳感器短路或斷路，并在相應(yīng)寄存器中提供錯誤代碼。

SPIS接口

串行接口與4線SPI標準接口兼容，需要SerialSelectNot（SSN），只支持特定的SPI模式。SSN需要強制置高電平，在每次讀/寫序列之間SSN保持高電平至少50ns。復(fù)位時SSN線設(shè)為低電平時，可分配不同的操作地址。操作碼從最高位開始傳輸，傳輸完最后一位，CBM-DC2把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ募拇嫫骰驁?zhí)行命令。

快速初始化

在測量范圍1中，設(shè)置register 3的Bit 22（EN_FAST_INIT）= "1"，中斷標志會自動初始化CBM，適用于高速應(yīng)用，尤其適合只有一個stop信號的非校準測量。

噪聲單元

通過設(shè)置register 5的Bit20（EN_STARTNOISE）= "1" 可以開啟噪聲單元，使常量時差也可使用加權(quán)平均值，適用于CBM接收到偽Start信號然后測量STOP1和STOP2之間時差的應(yīng)用。

應(yīng)用案例

超聲波熱量器

CBM-DC2適合低成本的超聲波熱量計設(shè)計，具有精確的溫度測量、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器、窗口和時鐘校準器等功能。一個典型的設(shè)置包括使用測量范圍2并采用自動校準功能，溫度測量使用周期為150μs的高速時鐘，4個端口，兩次偽測量，高速時鐘只在進行具有640μs延遲的時間測量時才開啟，觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)送3個脈沖等。

流量測量

上電復(fù)位后，進行一系列設(shè)置和校準操作，每隔30秒進行一次溫度測量，每半秒進行一次飛行時間測量。微處理器根據(jù)測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)后期處理并計算流量和熱量。整個系統(tǒng)的電流消耗較低，采用低功耗的微處理器可以進一步降低功耗，使設(shè)備能夠長時間穩(wěn)定工作。

BUG報告與糾正

石英晶振起始時間

當晶振采用石英共鳴器時，開啟時間約為3ms，DC2的自動開啟時間控制延遲時間過短會引起錯誤。可通過振蕩器一直開啟、使用陶瓷共鳴器、在CLK32In管腳輸入更低的時鐘頻率或通過軟件開啟/關(guān)閉振蕩器等方法解決。

DIS_PHASENO