高精度、低功耗芯片TDC-GP21在超聲波熱量表中的應(yīng)用

前言
   相對于使用傳統(tǒng)機械式的測量方法，超聲波測量技術(shù)提供了一種無阻礙式的測量方法。在這種技術(shù)的支持下，我們設(shè)計出的新一代超聲波熱量表沒有了活動部件、電路更加的緊湊簡單、功耗更低、精度更高。而為超聲波熱量表市場量身定做的TDC-GP21必將為你提供一個完美的解決方案。
關(guān)鍵字：TDC-GP21，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計，熱量表，時間測量，低功耗
超聲波熱量表的測量原理
    以使用較多的時差法超聲波熱能量表為例，通過分別測量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時間，利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時間差的線性關(guān)系計算出流體的實時流速，進(jìn)而得到對應(yīng)的流量值。再分別測出進(jìn)出水的溫度，通過求得差值獲得溫度系數(shù)。將流量值和溫度系數(shù)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間分別為：

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

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

 
再通過K系數(shù)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新推出的TDC-GP21
    TDC-GP21 是德國 ACAM 公司在TDC-GP2的基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代產(chǎn)品。除了具有TDC-GP2 所具有的高精度時間測量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能外，它還集成了施密特觸發(fā)器，斬波穩(wěn)定的內(nèi)部比較器和模擬開關(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(yīng)用。這款芯片利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化 CMOS技術(shù)，將時間間隔的測量量化到 22ps的精度，給超聲波熱量表的時差測量提供了一個完美的解決方案。
1、TDC-GP21的技術(shù)核心——時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）
TDC—即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。

 
                        圖2  TDC時間測量單元
     圖2顯示了這種測量絕對時間TDC 的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。芯片能獲得的最高測量精度基本上由信號通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時間決定。
    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(shù)器的計數(shù)值可以計算出 START 信號和 STOP 信號之間時間間隔，測量范圍可達(dá) 20 位。 在3.3V和25℃時,GP21的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對門電路的傳播延遲時間有很大的影響。通常是通過校準(zhǔn)來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(shù)字部分的功能 (最多可發(fā)128個驅(qū)動脈沖)
 可選擇精度最高可達(dá) 22ps
 低功耗 32 kHz 晶振 (600nA)
 更加高質(zhì)量的溫度測量單元
 內(nèi)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.)
 整個測量流程由GP21控制，無須復(fù)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(nèi)部集成斬波穩(wěn)定的內(nèi)部低噪聲比較器(<1mV 漂移)
 內(nèi)部集成低串?dāng)_的模擬開關(guān)
TDC-GP21在超聲波熱量表中的應(yīng)用方案
     TDC-GP21具有高精度的時間測量功能，分辨率達(dá)到22ps，為時差法流量計的應(yīng)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(qū)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片；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(shè)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，大大簡化了硬件電路設(shè)計，只需搭配一顆低功耗MCU，外加幾個電阻電容就可完成控制和時間測量回路的設(shè)計。該方案使電路設(shè)計得到簡化的同時大大縮小了設(shè)備的PCB面積，使設(shè)備的生產(chǎn)、維護(hù)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(yīng)用提供了集成化的解決方案。

圖3：超聲波熱量表應(yīng)用框圖

結(jié)語
    超聲波原理的流量計將是未來流量計的發(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流量原理的戶用超聲波熱量表在北方城市開始大面積推廣，TDC-GP21已在其中得到了廣泛應(yīng)用。
              
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