高精度时光数字转换器TDC-GP2在超声波流量计量中的应

　　前言
　　
　　相对使用传统丈量方式的流量计，超声波流量计有着诸多的长处：它不会转变流体的流动状况，错误流体发生附加阻力；它可适应多种管径的流体测量，不会因管径的不同增添仪表本钱；它的换能器可设计成夹装式，可作挪动性测量。tdc-gp2作为高精度的时光测量芯片，岂但集成了时光丈量功效，还针对超声波流量计跟热量表的利用供给超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功效。绝对于应用分破元件或者fpga的超声波流量计计划，应用tdc-gp2的计划大大简化了硬件电路设计，明显下降了整机功耗，成为电路最简练、功耗最低的超声波流量计方案。
　　
　　症结字：tdc-gp2，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗
　　
　　超声波流量计的测量原理
　　
　　以使用较多的时差法超声波流量计为例，通过火别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，应用流体流速与超声波顺流逆传播播时间差的线性关联计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。
　　
　　如

图1所示，超声波在静止流体中的流传速度用c表现，则顺流和逆流的传布时间分离为：
　　
　　其中包括换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。因为顺流和逆流门路的一致性，顺、逆流的是一样的。顺、逆流流传的时间差为：
　　
　　由此得到流体流速v和刹时流量q的计算公式：
　　
　　tdc-gp2的高精度时间测量原理
　　
　　时差法超声波流量测量的要害是对超声波传布时间的测量，德国acam公司的时间数字转换芯片tdc-gp2供给典范值65ps的时间辨别率，测量范畴从0到4ms。
　　
　　如图2所示，tdc中心测量单元对start和stop脉冲之间的时间距离进行测。便携式超声波流量计非接触式测量方式、体积小、重量轻、携带方便。量。每个门电路的传输延时典范值是65ps，tdc中心测量单元通过计数在stop脉冲到来之前start信号通过的门电路个数来取得start与stop信号之间的时间距离。tdc-gp2芯片内部通过特别的设计和布线办法来保障每个门电路的时间延迟严厉一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变更的，因而tdc-gp2设计了一个参考时钟用来对门电路的延时进行校准，同时这个参考时钟也会在被测时间较长时参加时间测量。
　　
　　因为tdc核心测量单元是对电信号通过的门电路个数进行计数，因此受计数器容量的限度它的时间测量规模是有限的，最多可测到1.8us，对于被测时间超过这个范畴的应用，tdc-gp2则采用参考时钟测量和tdc核心测量单元相联合的方法来完成。如图3所示，tdc核心测量单元只测量tfc1和tfc2，而tcc则通过数参考时钟的周期数来完成测量，待测时间tss便可通过如下计算失掉：
　　
　　每次测量实现后tdc-gp2可以主动对门电路的延时做校准测量，如图3中的cal1和cal2，tdc核心测量单元对参考时钟的周期进行测量，而参考时钟的周。固定式超声波流量计利用了低电压、多脉冲时差原理，采用高精度和超稳定的双平衡信号差分发射。期是已知的，因而由测量成果可反推出来准确的门电路延时。以上的盘算、校订都是tdc-gp2主动实现的，终极经由校订的测量成果将以参考时钟的周期为单位给出，以便利用户盘算。
　　
　　tdc-gp2的低功耗特性
　　
　　tdc-gp2翻新的测量机制决议了其低功耗的特征。从图3中可以看出，tdc-gp2在进行时间测量时，其耗电较大的核心测量单元并不老是在工作，它仅仅用于测量start信号上升沿到下一个参考时钟回升沿的时间，以及stop信号回升沿到下一个参考时钟上升沿的时间，而旁边大批的时间测量是由数参考时钟周期数来完成的。tdc核心测量单元工作时的耗电为15ma，非工作时的耗电小于150na。因为tdc核心测量单元的工作时间在一次测量中所占时间比例极小，而且在管道流量测量中每次测量的时间个别为微秒级，因此tdc-gp2的均匀功耗能到达极低的程度，以每秒钟测量两次为例，均匀功耗能做到小于2ua。
　　
　　tdc-gp2的脉冲发生器
　　
　　tdc-gp2岂但具备超低功耗的时间测量单元，还集成了用于驱动超声波换能器的脉冲产生器。通过存放器的设置可对产生脉冲的频率、相位进行把持，一次最多可以发生持续15个脉冲。脉冲产生器有fire1跟fire2两个输出管脚，这两个输出管脚分辨存在48ma的驱动才能，假如将其并联使用能够将驱动才能增长到96ma。对小管径的流量测量来说，无需前端放大电路，能够直接用fire输出脉冲来驱动超声波换能器。
　　
　　tdc-gp2在超声波流量计中的应用
　　
　　tdc-g。超声波流量计采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确。p2拥有高精度的时间测量功能，分辩率到达65ps，为时差法流量计的利用提供了基础的测量保障；tdc-gp2的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增添驱动芯片；tdc-gp2测量的低功耗特征使得流量计的整体功耗大幅下降，为电池供电装备提供了精良的解决方案。
　　
　　使用tdc-gp2的超声波流量计方案绝对于使用分破元件或者fpga的超声波流量计方案，大大简化了硬件电路设计，只要搭配mcu和简略的比拟器、模仿开关元件就可完成节制和时间测量回路的设计。该方案使电路设计得到简化的同时大大缩小了装备的pcb面积，使设备的出产、保护也更加便利轻易。
　　
　　tdc-gp2还带有两路温度测量功能，可直接接pt1000或pt500热电阻进行温度测量，这为热量表的运用提供了集成化的解决方案。
　　
　　结语
　　
　　超声波原理的流量计将是将来流量计的发展方向，tdc-gp2为超声波流量计提供了最高集成度、最高测量精度、最低功耗的解决方案。基于tdc-gp2测流量原理的户用超声波热量表方案已由acam中国区总代办世强电讯进行了大面积推广，tdc-gp2已在超声波热量表中得到了普遍的实际运用。