CBM-DC2：通用CBM系列的新一代高精度芯片

在电子工程领域，高精度和小型化一直是硬件设计追求的目标。CBM-DC2作为COREBAI公司通用CBM系列的新一代产品，以其出色的性能和丰富的功能，为低成本工业应用带来了新的解决方案。下面我们就来详细了解一下这款产品。

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产品特性概述

CBM-DC2采用QFN 32脚封装，具有小巧的外形，便于集成到各种设备中。它的I/O电压范围为1.8V - 5.5V，Core电压范围为1.8V - 3.6V，能够适应不同的电源环境。最大1MHZ的连续数据输出率，满足了高速数据处理的需求。工作温度范围在 -40℃ - 125℃，具有较强的环境适应性。

它还具备四线SPI接口，方便与其他设备进行通信。脉冲发生器、时钟校准单元和精确停止脉冲使能窗口等功能模块，为其在时间测量和控制方面提供了强大的支持。输入信号可以选择上升沿/下降沿单独触发，或者上升沿和下降沿同时触发，增加了使用的灵活性。

测量范围及性能

测量范围1

该范围为双通道测量，典型分辨率可达50ps rms，测量范围为0 - 1.8us。间隔脉冲对分辨能力为15ns，每个通道可进行4次采样，并且可以测量4次采样中任意2个采样之间的时间间隔。停止信号使能窗口可提供准确的stop使能，确保测量的准确性。

测量范围2

此范围为单通道测量，典型分辨率同样可达50ps rms，测量范围为500ns - 4ms。间隔脉冲对分辨能力为两个校准时钟周期，可进行3次采样。3次采样中分别由三个去噪声窗口过滤，有效提高了测量的稳定性。

电子特性

最大绝对限度值

包括电源电压、输出电流、存储温度和最大结温等参数，为产品的安全使用提供了参考。例如，Vcc的范围是 -0.3 to 4V，Vio的范围是 -0.3 to 7V，输出电流Iout最大为 ±30mA，存储温度Tstg范围是 -65 to 150℃，最大结温Tj为125℃。

推荐使用工作条件

详细列出了不同参数的推荐值，如Core supply voltage（Vcc）在Vio > Vcc时，范围为1.8 - 3.6V；I/O supply voltage（Vio）范围为1.8 - 5.5V等。这些参数的设置有助于确保产品在最佳状态下工作。

直流电特性

在特定条件下（Vio = Vcc = 3.3V ± 0.3V，Tj = -40 to +85°C），给出了不同模块的电流消耗情况。例如，32kHz振荡器运行时的电流I32典型值为4.5µA，4MHz振荡器运行时的电流Ihs典型值为260µA，时间测量单元的电流Itmu典型值为15mA等。

终端等效电容和时间测量单元

终端等效电容方面，输入（Ci）、输出（Co）和双向（Cio）的电容值有待确定。时间测量单元在不同电压和温度条件下，给出了LSB（最低有效位）和标准偏差（σ）的数值，为时间测量的精度提供了量化指标。

温度测量单元

可连接两个或者四个传感器，可选择PT500/PT1000或者更高的温度传感器，有效分辨率可达16位，每个铂金温度传感器的分辨率可达0.004℃。超低的电流消耗，每30秒测量一次时，电流只有0.08µA，非常适合低功耗应用。

时序特性

振荡器

包括32kHz参考振荡器（Clk32）和高速参考振荡器（ClkHS）。Clk32的频率为32,768kHz，振荡器启动时间根据不同的振荡器类型有所不同，陶瓷谐振器的启动时间为200µs，晶体振荡器的启动时间为5ms。ClkHS的频率为2 - 8MHz。

串行接口

串行时钟频率（fclk）根据不同的Vio值有所变化，在2.0V、2.5V和3.3V时分别为10MHz、20MHz和25MHz。还给出了串行时钟的脉冲宽度高（tpwh）、脉冲宽度低（tpwl）、SSN使能到有效锁存时钟（tsussn）等时序参数。

串行接口时序

与4线SPI标准接口兼容，规定了写时序和读时序，以及不同操作码的含义，如写操作码（10000ADR2ADR1ADR0）、读操作码（10110ADR2ADR1ADR0）等。

STOP使能时序和复位时序

STOP使能时序规定了使能设置时间（tS-EN）和使能保持时间（tSH-EN）的最小值为5ns。复位时序规定了复位脉冲宽度（tph）最小值为50ns，复位上升沿后脉冲接受时间（trfs）最小值为200ns。

引脚简述

详细介绍了32个引脚的名称、功能和相关参数。例如，Xin和Xout为振荡器驱动输入和输出引脚，Vio为I/O供电电压引脚，GND为接地引脚，Fire1和Fire2为脉冲发生器输出引脚等。每个引脚都有其特定的作用，工程师可以根据实际需求进行连接和使用。

电源要求

电源电压

尽管CBM-DC2是全数字化电路，但模拟测量会受温度和电源电压影响。因此，良好的供电电源层是获得良好测量结果的基本保证，电源应具有高电容性和低电感性。DC2提供Vio（I/O供电电压）和Vcc（核心供电电压）两对电源供应端口，所有Ground引脚都应连接到印刷电路板的地层上。Vio和Vcc应由电池或者固定的线性电压调节器供电，避免使用开关调节器，以减少干扰。

电流消耗

列出了不同部分的耗电量，如静电流Iddq < 150nA，32kHz振荡器的输入电流I32典型值为4.5µA，高速振荡器的输入电流Ihs典型值为260µA/s (处于激活状态的工作时间)，时间测量单元的输入电流Itmu典型值为15mA/s (处于激活状态的测量时间)等。通过合理控制不同模块的工作时间，可以有效降低整体功耗。

寄存器设置

写寄存器

详细列出了6个寄存器（Reg0 - Reg5）的位设置和默认值，每个位都有其特定的功能。例如，Reg0的Bit3（MRange2）用于选择测量范围，Bit5（Calibrate）用于选择校准测量等。工程师可以根据实际需求对寄存器进行设置，以实现不同的功能。

寄存器各位的简单描述

对每个寄存器的各个位的功能进行了详细说明，如NEG_START用于反向start输入，HITIN1用于设置stop通道1的预期脉冲数等。通过合理设置这些位，可以灵活控制芯片的工作模式。

读寄存器/数据输出格式

介绍了不同地址的寄存器名称、位数和描述，以及数据结构和结果寄存器的分配规则。测量结果以固定浮点数的形式存储，根据测量范围和是否校准，数据格式有所不同。在测量范围1中，非校准值以16位有符号整数形式存储，校准值以32位定点数形式存储；在测量范围2中，只支持校准测量，测量结果同样以32位定点数形式存储。

状态寄存器

CBM-DC2提供了一个16位的状态寄存器，用于显示各种状态信息，如指针指向下一个空结果寄存器地址、显示channel 1和channel 2记录下的脉冲数、显示CBM溢出和测量范围2中14位预算器的溢出等。通过读取状态寄存器，可以及时了解芯片的工作状态。

测量范围设置与操作

测量范围1

概述

两个stop通道共用一个start通道，每个通道典型分辨率为50pS RMS，最低有效位为65ps，间隔脉冲对分辨能力为15ns，每个stop通道可进行4次采样，测量范围为2.0 ns - 1.8µs。输入电路可单独设置触发沿，通过设置寄存器实现。

设置

在开始使用前，需要进行一系列设置。选择测量范围1，设置register 0的bit3（MRange2 = 0）；选择参考时钟，通过register 0的bits 10&11（START_CLKHS）切换高速时钟，bits 12&13（ClkHSDiv）设置参考时钟内部分频器数值；设置所需的hit次数，在register 1的bits 8 - 10（HITIN1）和bits 11 - 13（HITIN2）中设定；选择校准测量，设置register 0的Bit5（Calibrate）为“1”；定义ALU数据处理，在register 1的Bit16 - 19（HIT1）以及20 - 23（HIT2）中设置；选择输入触发方式，通过设置register 2的Bit19&20（REFDGE1 & FEDGE2）和register 0的Bit0 - 2（NEG_X）；设置中断，在寄存器2的Bits21 - 23（EN_INT）中选择中断源。

测量与数据处理

初始化后，CBM高速测量单元接收到Start脉冲开始工作，达到设置的采样数或遇到测量溢出后停止。时间测量原始数据存储在CBM内部，状态寄存器可显示采样数目。如果进行校准，测量完时差后测量一个和两个内部基准时钟周期。测量结尾，ALU根据设置处理数据并将结果送入输出寄存器。未校准数据以16位带符号整数形式输出，校准数据以32位固定浮点数形式输出。

测量范围2

概述

只有一个Stop通道对应Start通道，典型分辨率为50ps RMS，间隔脉冲对分辨率为2 x Tref，有3次采样能力，测量范围为2×Tref - 4ms@4MHZ。输入电路可单独设置触发沿，通过设置寄存器实现。

设置

选择测量范围2，设置register 0的bit3（MRange2 = 1）；选择参考时钟，设置register 0的bit 6（SelClkT = 1）选择高速时钟，通过register 0的bits 10&11（START_CLKHS）切换高速时钟，bits 12&13（ClkHSDiv）设置基准时钟内部分频器数值；设置所需的hit次数，在register 0的bits 8 - 10（HITIN1）中设定，channel 1最多可测量3次；选择校准测量，设置register 0的Bit5（Calibrate）为“1”；定义ALU数据处理，在register 1的Bit16 - 19（HIT1）以及20 - 23（HIT2）中设置；选择输入触发方式，通过设置register 2的Bit19&20（REFDGE1 & FEDGE2）和register 0的Bit0 - 2（NEG_X）；设置中断，在寄存器2的Bits21 - 23（EN_INT）中选择中断源。

测量与数据处理

初始化后，CBM单元接收到Start通道上的第一个脉冲开始工作，达到预设的采样数或遇到测量溢出后停止。可通过设置Reg3的Bits19&20（SEL_TIMO_MR2）选择不同的基准时钟因子限定溢出时间。时间测量结尾，CBM测量两个基准时钟周期进行校准。ALU根据设置处理数据并将结果送入输出寄存器，以32位固定浮点数形式输出。

Stop屏蔽功能

CBM-DC2可以设置时基屏蔽窗口，屏蔽通道STOP1上3次hit中的任一次hit。屏蔽窗口以START信号为起点，精度小于10ns。内部使能单元通过逻辑“与”门与外部使能引脚相连，采用内部屏蔽单元时外部使能引脚必须置1。可在REG2 - 4的DELVAL1、DELVAL2和DELVAL3中进行设置，屏蔽值必须是升序的，每个屏蔽值必须比前一个值大3个时钟周期。

详细描述和特殊功能

振荡器

高速振荡器

通常需要一个2 - 8MHZ的高速时钟进行校准和时间测量。振荡器不停工作时平均电流为260µA，DC2能够自动控制振荡器的开启时间，通过register 0的Bits 10 & 11（START_CLKHS）进行设置。采用这种测量方法可以显著降低平均电流消耗。

32.768 kHz振荡器

需要一个32.768KHz的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准，也可用作完整驱动器。如果高速时钟一直工作且不需要对其进行校准，则不需要使用32.768KHZ时钟。此振荡器的起振时间大约为2s，外部振荡电路只有在需要32.768KHz时钟时才被采用，否则CLK32In必须接地。

校准高速陶瓷振荡器

由于2 - 8MHZ的陶瓷振荡器成本低、启动快，但误差较大且有温漂，CBM-DC2会进行校准测量以补偿其特性。测量以精确的32.768 kHz时钟为基准，结果存储在结果寄存器中。在register 0的CALRES#中对校准进行设置，接收到“START_Cal_Resonator”命令开始校准。

脉冲发生器

概述

触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列，高速振荡器频率用作基本频率。可以产生1 - 15个脉冲序列，每个脉冲序列的相位可通过设置寄存器调节。提供两个输出结果（Fire1和Fire2），每个输出在5V时的驱动能力是48mA，驱动能力可同时增加到96mA，输出管脚能被单独设置为高阻态。

设置

脉冲个数通过FIRE#设置，相位在寄存器5的Bits 0 - 15（PHFIRE）中设置，触发脉冲频率由高速时钟和所选择的高速时钟的除法因数共同得出，可通过设置寄存器5的Bit 19（DIS_PHASESHIFT）激活相位移动功能。输出驱动在寄存器5的Bits 21 - 23（CONF_FIRE）中设置，脉冲群循环次数在寄存器5的Bits 16 - 18（REPEAT_FIRE）中设置。

温度测量

测量原理

基于测量对放电时间，电容分别对传感器以及参考电阻进行放电。此单元有四个寄存器测量端口（PT1 - PT4），温度传感器的最小阻值为500Ω，温度测量精度大约为0.004°C。

设置

在Register 0的Bit8（Tcycle）中设置温度测量的周期，Bit9（Port#）中设置要用的端口个数，Bit7（Fake#）中设置温度测量开始时虚拟测量的个数。推荐电容值根据传感器类型而定，PT500推荐220 nF，PT1000推荐100 nF。

电流消耗与误差侦测

采用CBM进行温度测量电流消耗极低，进行一次完整的温度测量（2个传感器，2个基准），包括所有计算在内，功耗小于2.5µAs。温度测量单元还可检查结果的可用性，检测传感器短路或断路，并在相应寄存器中提供错误代码。

SPIS接口

串行接口与4线SPI标准接口兼容，需要SerialSelectNot（SSN），只支持特定的SPI模式。SSN需要强制置高电平，在每次读/写序列之间SSN保持高电平至少50ns。复位时SSN线设为低电平时，可分配不同的操作地址。操作码从最高位开始传输，传输完最后一位，CBM-DC2把数据传输到指定的寄存器或执行命令。

快速初始化

在测量范围1中，设置register 3的Bit 22（EN_FAST_INIT）= "1"，中断标志会自动初始化CBM，适用于高速应用，尤其适合只有一个stop信号的非校准测量。

噪声单元

通过设置register 5的Bit20（EN_STARTNOISE）= "1" 可以开启噪声单元，使常量时差也可使用加权平均值，适用于CBM接收到伪Start信号然后测量STOP1和STOP2之间时差的应用。

应用案例

超声波热量器

CBM-DC2适合低成本的超声波热量计设计，具有精确的温度测量、触发脉冲产生器、窗口和时钟校准器等功能。一个典型的设置包括使用测量范围2并采用自动校准功能，温度测量使用周期为150µs的高速时钟，4个端口，两次伪测量，高速时钟只在进行具有640µs延迟的时间测量时才开启，触发脉冲发生器发送3个脉冲等。

流量测量

上电复位后，进行一系列设置和校准操作，每隔30秒进行一次温度测量，每半秒进行一次飞行时间测量。微处理器根据测量结果进行数据后期处理并计算流量和热量。整个系统的电流消耗较低，采用低功耗的微处理器可以进一步降低功耗，使设备能够长时间稳定工作。

BUG报告与纠正

石英晶振起始时间

当晶振采用石英共鸣器时，开启时间约为3ms，DC2的自动开启时间控制延迟时间过短会引起错误。可通过振荡器一直开启、使用陶瓷共鸣器、在CLK32In管脚输入更低的时钟频率或通过软件开启/关闭振荡器等方法解决。

DIS_PHASENO