高精度、低功耗芯片TDC-GP21在超聲波熱量表中的應用

前言
相對于使用傳統機械式的測量方法，超聲波測量技術(shù)提供了一種無(wú)阻礙式的測量方法。在這種技術(shù)的支持下，我們設計出的新一代超聲波熱量表沒(méi)有了活動(dòng)部件、電路更加的緊湊簡(jiǎn)單、功耗更低、精度更高。而為超聲波熱量表市場(chǎng)量身定做的TDC-GP21必將為你提供一個(gè)完美的解決方案。
關(guān)鍵字：TDC-GP21，時(shí)間數字轉換器，超聲波流量計，熱量表，時(shí)間測量，低功耗
超聲波熱量表的測量原理
以使用較多的時(shí)差法超聲波熱能量表為例，通過(guò)分別測量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間，利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時(shí)間差的線(xiàn)性關(guān)系計算出流體的實(shí)時(shí)流速，進(jìn)而得到對應的流量值。再分別測出進(jìn)出水的溫度，通過(guò)求得差值獲得溫度系數。將流量值和溫度系數帶入公式即可獲得單位熱量。

如圖1所示，超聲波在靜止流體中的傳播速度用C表示，則順流和逆流的傳播時(shí)間分別為：

其中 包含換能器的響應時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的 是一樣的。順、逆流傳播的時(shí)間差為：

由此得到流體流速V和瞬時(shí)流量Q的計算公式（K為流速分布修正系數）：

再通過(guò)K系數法，我們就可以得出熱量E：

德國ACAM公司針對超聲波熱量表市場(chǎng)新推出的TDC-GP21
TDC-GP21 是德國 ACAM 公司在TDC-GP2的基礎上發(fā)展的新一代產(chǎn)品。除了具有TDC-GP2 所具有的高精度時(shí)間測量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號使能，溫度測量和時(shí)鐘控制等功能外，它還集成了施密特觸發(fā)器，斬波穩定的內部比較器和模擬開(kāi)關(guān)等特殊功能模塊，使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用。這款芯片利用現代化的純數字化 CMOS技術(shù)，將時(shí)間間隔的測量量化到 22ps的精度，給超聲波熱量表的時(shí)差測量提供了一個(gè)完美的解決方案。
1、TDC-GP21的技術(shù)核心——時(shí)間數字轉換器（TDC）
TDC—即時(shí)間數字轉換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號通過(guò)邏輯門(mén)的絕對時(shí)間延遲來(lái)精確量化時(shí)間間隔。

圖2 TDC時(shí)間測量單元
圖2顯示了這種測量絕對時(shí)間TDC 的主要構架。芯片上的智能電路結構、擔保電路和特殊的布線(xiàn)方法使得芯片可以精確地記下信號通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數。芯片能獲得的最高測量精度基本上由信號通過(guò)芯片內部門(mén)電路的最短傳播延遲時(shí)間決定。
測量單元由 START 信號觸發(fā)，接收到 STOP 信號停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數器的計數值可以計算出 START 信號和 STOP 信號之間時(shí)間間隔，測量范圍可達 20 位。 在3.3V和25℃時(shí),GP21的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對門(mén)電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響。通常是通過(guò)校準來(lái)補償由溫度和電壓變化而引起的誤差。
2、TDC-GP21的特性
100% 功能 管腳 寄存器 與 TDC-GP2兼容 (可1:1進(jìn)行替換)
對于 TDC-GP2 的bug進(jìn)行了糾正
增加了一些新的數字部分的功能 (最多可發(fā)128個(gè)驅動(dòng)脈沖)
可選擇精度最高可達 22ps
低功耗 32 kHz 晶振 (600nA)
更加高質(zhì)量的溫度測量單元
內部集成溫度測量施密特觸發(fā)器
超低靜態(tài)功耗: 0.005 µA (typ.)
整個(gè)測量流程由GP21控制，無(wú)須復雜單片機控制
可選擇部分: 對于超聲波熱量表所需要的完整的模擬部分
內部集成斬波穩定的內部低噪聲比較器(1mV 漂移)
內部集成低串擾的模擬開(kāi)關(guān)
TDC-GP21在超聲波熱量表中的應用方案
TDC-GP21具有高精度的時(shí)間測量功能，分辨率達到22ps，為時(shí)差法流量計的應用提供了基本的測量保障；TDC-GP21的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅動(dòng)芯片；TDC-GP21測量的低功耗特性使得流量計的整體功耗大幅降低，為電池供電設備提供了優(yōu)良的解決方案。
使用TDC-GP21的超聲波流量計方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設計，只需搭配一顆低功耗MCU，外加幾個(gè)電阻電容就可完成控制和時(shí)間測量回路的設計。該方案使電路設計得到簡(jiǎn)化的同時(shí)大大縮小了設備的PCB面積，使設備的生產(chǎn)、維護也更加方便容易。
TDC-GP21還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測量，這為熱量表的應用提供了集成化的解決方案。

圖3：超聲波熱量表應用框圖

結語(yǔ)
超聲波原理的流量計將是未來(lái)流量計的發(fā)展方向，TDC-GP21為超聲波流量計提供了最高集成度、最高測量精度、最低功耗的解決方案?；跍y流量原理的戶(hù)用超聲波熱量表在北方城市開(kāi)始大面積推廣，TDC-GP21已在其中得到了廣泛應用。

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