高精度低功耗芯片TDC-GP2 在热表中的应用

超声波用于气体和液体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量/热量计也开始普及起来。以下着重介绍了由德国ACAM公司设计生产的高精度时间测量芯片TDC-GP2与MSP430单片机搭配使用在超声波时差法流量/热量测量系统设计中所具备的重要功能，以及其在超声波时差测量上非常显著的优势。

TDC-GP2在超声波热表中的优势

TDC-GP2 具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。TDC-GP2 具有高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。这款芯片利用现代化的纯数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65ps的精度，给超声波流量计的时差测量提供了完美的解决方案。

什么是TDC?

在介绍 TDC-GP2的优点之前,首先让我们来看看到底什么是TDC。TDC即时间数字转换器，它是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔。

用另一句话来讲，就是说它计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。上图说明了这种TDC的操作原理。非常智慧的电路设计， 担保器件和在芯片上的特殊的布线方法使精确而相等的逻辑门时间延迟成为了现实。测量结果的精度非常严格的依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。 测量精度从40皮秒到100皮秒可以通过简单的测量内核以及现代化的CMOS技术轻松达到。传播延迟本身是与温度和供电电压有关的。因此测量值必须要校准。校准是通过测量一个和两个参考时钟的周期完成的。

TDC-GP2的时差测量精度

GP2内部集成了非常多的适用于超声波流量/热量测量的功能，那么我们首先从测量精度来了解一下TDC-GP2的优势 。

TDC-GP2的单次时间间隔测量的典型精度为65ps,也就是说内部通过1个逻辑门的时间被确定在大约65ps。那么假设被测管径100mm,流量为70 l/min，以及下面的给出的参数：

v = 0.1485 m/s
L = 0.1414 m
C0 = 1500 m/s
Δt ≈ 13.2 ns

以GP2的65ps精度测量所获得的测量精度将可以优于0.5%。TDC-GP2有非常好的数据统计特性。它的内部集成了一个噪声单元，这个噪声单元的主要目的就是为了在多次采样取平均值的时候可以最大限度的消除噪声。由于我们知道，量化误差通过普通平均的方法是没有办法消除的，因为最小的量化阶越已经固定，平均只能最高达到最小量化阶越的精度。那么通过这个噪声单元的引入，使平均后的精度能够甚至低于量化阶越的精度成为可能。

通过多次平均测量数据可以使在测量很小流量（例如0.5 l/min）的情况同样可以得到非常好的精度。

TDC-GP2测量的节能优势

TDC-GP2的一个非常大的优势就是超低的电流消耗。这个优势要归功于TDC的革新的测量方法，因为GP2将测量以脉冲的形式来进行，而且尤其在超声波测量中，要用到测量范围2的时候，如上图所示TDC的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量start信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和stop信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由数才考时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。在超声波热表的设计中，由于应用TDC-GP2进行设计，大大的降低了系统的功耗，可以使用小号的锂电池来代替通常使用的大号D号电池。让我们下面来具体看一看TDC-GP2测量系统的各部分功耗：

a. 时间测量

32.768kHz:由微处理器提供，小于0.5 μA。
4 MHz: 低电状态为 0 μA，激活状态为 270μA。
TDC:非激活状态为< 150nA，高速单元激活期间为 15ms, 每秒钟进行两次测量（顺/逆流），总的电流消耗< 2 μA。

b.温度测量

进行一次四个端口的完整的测量的电流消耗小于 2.5μAs。 通常是 30 秒测量一次温度，这样的话平均电流大约为0.085 μA。这比其他的流量计方案的电流消耗的 1/50 还要小。

c.静电流

由于目前的(芯片)充分利用了 0.35μm 的制作技术，所以静电流小于 150nA。

&nbs[FS:Page]p; d.整个系统的电流消耗

测量单元（包括TDC、模拟电路部分、传感器）的整个电流主要由模拟电路部分决定，在3-5μA 的范围之内。 如果采用低功耗的微处理器（如TI公司的MSP430系列），则整台设备的平均电流消耗可以降至10-15μA。 一节 AA 型号的锂亚硫酰氯电池，可以使整个系统工作十
年。采用低成本的 3V CR2450 电池组，也可以使用六年。

TDC-GP2的stop通道脉冲窗口使能功能

TDC-GP2在测量范围2的情况下stop通道最多可以接受3个脉冲，芯片内部可以通过设置寄存器2，3，4的DELVALX的相关位来分别给这3个脉冲加上一个使能窗口。这个窗口的作用就是当在预期时间以外的干扰脉冲到达芯片通道的时候，芯片将不会把干扰波作为传感器的回波来进行测量，这样对于回波的零点确定提供了非常大的帮助，在设计接受回波电路部分的时候，大大简化了接收电路的处理过程。寄存器中的DELVALX的格式为14位整数部分，5位小数部分，最小可以设置的延迟时间为：
最小延迟=DELVALX * Tref * ClkHSDiv，其中Tref为参考时钟周期，ClkHSDiv内部设置的分频因数。
这个屏蔽窗口的精度可以达到10ns。

TDC-GP2的脉冲产生器

GP2内部集成了一个可以发送驱动超声波换能器的脉冲发生器。通过寄存器的设置对这个脉冲发生器产生脉冲的频率，以及相位进行设置。最多可以产生15个脉冲。 脉冲发生器有两个输出口，fire1和fire2,这两个输出口分别具有48mA的驱动能力，如果并行使用可以将驱动能力增加到96mA。对于小管径的流量测量来说，无需前端放大电路，可以直接用fire输出脉冲驱动超声波换能器。时钟频率先通过一个分频器，然后输入内部脉冲发生器触发单元。在内部脉冲发生器单元中对分频后的时钟信号先进行倍频，然后调整相位，在对信号进行分频，最终将信号输出到芯片的fire1和fire2管脚。通过这个脉冲产生单元即可直接产生驱动换能器的频率信号。

TDC-GP2的温度测量单元

GP2内部有4个温度测量端口，可以最多测量2对传感器和参考电阻，也就是说在超声波热表的设计时，可以分别测量冷水和热水的温度。这个温度测量单元测量的精度可以达到16位有效精度，相当于0.004°C 。实际上这个温度测量单元的原理是通过测量温度电阻传感器对参考电容的放电时间变化实现的，原理同样为时间测量，测量所需的传感器是PT500以上电阻。在这里还要提一句的是进行一次完整的温度测量（2 个传感器，2 个基准），包括所有的计算在内，其功耗小于 2.5μAs。如果每30秒钟进行一次的温度测量（热量计的典型测量时间），平均电流消耗只有0.08μA。

为了能够尽可能的保持零点流量时的时间延迟统一性，系统的接受和发射电路部分应该尽量保持绝对一致的关系。在换能器附近放置一个选择开关来选择换能器以保持电路相同，将会对测量非常有帮助。

应用TDC-GP2的超声波热表设计方案

整个超声波测量系统通过单片机控制以及一些简单电路，就可以实现对于流量以及热量的测量，其中核心的时差测量以及温度测量都是由TDC-GP2这个仅5mm见方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大优势外，TDC-GP2的高集成度使整个热表的电路设计简单紧密。

采用TDC-GP2设计的超声波热表系统在提高测量精度的同时大大降低了功耗，是超声波流量计和超声波热表的最佳选择。应用此芯片开发的系统具有设计简单，测量精度高，成本低廉，使用方便的优点。已有厂商使用此芯片成功地进行了超声波热表的研发。实际应用结果表明，TDC-GP2为超声波流量计及超声波热表的性能提供了保障。