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(duì)于使用傳統(tǒng)機(jī)械式的測(cè)量方法，超聲波測(cè)量技術(shù)提供了一種無阻礙式的測(cè)量方法。在這種技術(shù)的支持下，我們?cè)O(shè)計(jì)出的新一代超聲波熱量表沒有了活動(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(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計(jì)，熱量表，時(shí)間測(cè)量，低功耗
超聲波熱量表的測(cè)量原理
以使用較多的時(shí)差法超聲波熱能量表為例，通過分別測(cè)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)間差的線性關(guān)系計(jì)算出流體的實(shí)時(shí)流速，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的流量值。再分別測(cè)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(shí)間分別為：

其中 包含換能器的響應(yīng)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(jì)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(guó)ACAM公司針對(duì)超聲波熱量表市場(chǎng)新推出的TDC-GP21
TDC-GP21 是德國(guó) 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(shí)間測(cè)量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號(hào)使能，溫度測(cè)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(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(cè)量和熱量測(cè)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(shí)間間隔的測(cè)量量化到 22ps的精度，給超聲波熱量表的時(shí)差測(cè)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(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）
TDC—即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信號(hào)通過邏輯門的絕對(duì)時(shí)間延遲來精確量化時(shí)間間隔。

圖2 TDC時(shí)間測(cè)量單元
圖2顯示了這種測(cè)量絕對(duì)時(shí)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(hào)通過門電路的個(gè)數(shù)。芯片能獲得的最高測(cè)量精度基本上由信號(hào)通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時(shí)間決定。
測(cè)量單元由 START 信號(hào)觸發(fā)，接收到 STOP 信號(hào)停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出 START 信號(hào)和 STOP 信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá) 20 位。 在3.3V和25℃時(shí),GP21的最小分辨率是 22ps。溫度和電壓對(duì)門電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響。通常是通過校準(zhǔn)來補(bǔ)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(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(cè)量單元
內(nèi)部集成溫度測(cè)量施密特觸發(fā)器
超低靜態(tài)功耗: 0.005 µA (typ.)
整個(gè)測(cè)量流程由GP21控制，無須復(fù)雜單片機(jī)控制
可選擇部分: 對(duì)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(shí)間測(cè)量功能，分辨率達(dá)到22ps，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-GP21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，無需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP21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。
使用TDC-GP21的超聲波流量計(jì)方案相對(duì)于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，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(cè)量回路的設(shè)計(jì)。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化的同時(shí)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(cè)量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)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(jì)將是未來流量計(jì)的發(fā)展方向，TDC-GP21為超聲波流量計(jì)提供了最高集成度、最高測(cè)量精度、最低功耗的解決方案。基于測(cè)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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