高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2在超聲波流量計(jì)量中的應(yīng)用

　　如圖2所示，TDC核心測(cè)量單元對(duì)START和STOP脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)門電路的傳輸延時(shí)典型值是65ps，TDC核心測(cè)量單元通過(guò)計(jì)數(shù)在STOP脈沖到來(lái)之前START信號(hào)通過(guò)的門電路個(gè)數(shù)來(lái)獲得START與STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。TDC-GP2芯片內(nèi)部通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和布線方法來(lái)保證每個(gè)門電路的時(shí)間延遲嚴(yán)格一致，但這個(gè)時(shí)間延遲是會(huì)隨供電電壓和溫度而變化的，因此TDC-GP2設(shè)計(jì)了一個(gè)參考時(shí)鐘用來(lái)對(duì)門電路的延時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)這個(gè)參考時(shí)鐘也會(huì)在被測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)參與時(shí)間測(cè)量。

　　由于TDC核心測(cè)量單元是對(duì)電信號(hào)通過(guò)的門電路個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此受計(jì)數(shù)器容量的限制它的時(shí)間測(cè)量范圍是有限的，最多可測(cè)到1.8us，對(duì)于被測(cè)時(shí)間超過(guò)這個(gè)范圍的應(yīng)用，TDC-GP2則采取參考時(shí)鐘測(cè)量和TDC核心測(cè)量單元相結(jié)合的方式來(lái)完成。如圖3所示，TDC核心測(cè)量單元只測(cè)量TFC1和TFC2，而TCC則通過(guò)數(shù)參考時(shí)鐘的周期數(shù)來(lái)完成測(cè)量，待測(cè)時(shí)間TSS便可通過(guò)如下計(jì)算獲得：

　　每次測(cè)量完成后TDC-GP2可以自動(dòng)對(duì)門電路的延時(shí)做校準(zhǔn)測(cè)量，如圖3中的Cal1和Cal2，TDC核心測(cè)量單元對(duì)參考時(shí)鐘的周期進(jìn)行測(cè)量，而參考時(shí)鐘的周期是已知的，因此由測(cè)量結(jié)果可反推出來(lái)精確的門電路延時(shí)。以上的計(jì)算、校正都是TDC-GP2自動(dòng)完成的，最終經(jīng)過(guò)校正的測(cè)量結(jié)果將以參考時(shí)鐘的周期為單位給出，以方便用戶計(jì)算。

　　TDC-GP2的低功耗特性

　　TDC-GP2創(chuàng)新的測(cè)量機(jī)制決定了其低功耗的特性。從圖3中可以看出，TDC-GP2在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量時(shí)，其耗電較大的核心測(cè)量單元并不總是在工作，它僅僅用于測(cè)量START信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間(TFC1)，以及STOP信號(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿的時(shí)間(TFC2)，而中間大量的時(shí)間測(cè)量是由數(shù)參考時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)完成的。TDC核心測(cè)量單元工作時(shí)的耗電為15mA，非工作時(shí)的耗電小于150nA。由于TDC核心測(cè)量單元的工作時(shí)間在一次測(cè)量中所占時(shí)間比例極小，而且在管道流量測(cè)量中每次測(cè)量的時(shí)間一般為微秒級(jí)，因此TDC-GP2的平均功耗能達(dá)到極低的水平，以每秒鐘測(cè)量?jī)纱螢槔?，平均功耗能做到小?uA。

　　TDC-GP2的脈沖發(fā)生器

　　TDC-GP2不但具有超低功耗的時(shí)間測(cè)量單元，還集成了用于驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的脈沖發(fā)生器。通過(guò)寄存器的設(shè)置可對(duì)產(chǎn)生脈沖的頻率、相位進(jìn)行控制，一次最多可以產(chǎn)生連續(xù)15個(gè)脈沖。 脈沖發(fā)生器有FIRE1和FIRE2兩個(gè)輸出管腳，這兩個(gè)輸出管腳分別具有48mA的驅(qū)動(dòng)能力，如果將其并聯(lián)使用可以將驅(qū)動(dòng)能力增加到96mA。對(duì)于小管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō)，無(wú)需前端放大電路，可以直接用FIRE輸出脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。

　　TDC-GP2在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用

　　TDC-GP2具有高精度的時(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到65ps，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用提供了基本的測(cè)量保障;TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測(cè)量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片;TDC-GP2測(cè)量的低功耗特性使得流量計(jì)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。