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

前言
相對于使用傳統(tǒng)測量方法的流量計(jì)，超聲波流量計(jì)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)：它不會改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不對流體產(chǎn)生附加阻力；它可適應(yīng)多種管徑的流體測量，不會因管徑的不同增加儀表成本；它的換能器可設(shè)計(jì)成夾裝式，可作移動(dòng)性測量。TDC-GP2作為高精度的時(shí)間測量芯片，不但集成了時(shí)間測量功能，還針對超聲波流量計(jì)和熱量表的應(yīng)用提供超聲波換能器驅(qū)動(dòng)脈沖以及溫度測量功能。相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，使用TDC-GP2的方案大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，顯著降低了整機(jī)功耗，成為電路最簡潔、功耗最低的超聲波流量計(jì)方案。
關(guān)鍵字：TDC-GP2，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計(jì)，熱量表，時(shí)間測量，低功耗
超聲波流量計(jì)的測量原理
以使用較多的時(shí)差法超聲波流量計(jì)為例，通過分別測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)而得到對應(yīng)的流量值。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測量原理圖

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)）：

TDC-GP2的高精度時(shí)間測量原理
時(shí)差法超聲波流量測量的關(guān)鍵是對超聲波傳播時(shí)間的測量，德國ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2提供典型值65ps的時(shí)間分辨率，測量范圍從0到4ms。

圖2  TDC核心測量單元
如圖2所示，TDC核心測量單元對START和STOP脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測量。每個(gè)門電路的傳輸延時(shí)典型值是65ps，TDC核心測量單元通過計(jì)數(shù)在STOP脈沖到來之前START信號通過的門電路個(gè)數(shù)來獲得START與STOP信號之間的時(shí)間間隔。TDC-GP2芯片內(nèi)部通過特殊的設(shè)計(jì)和布線方法來保證每個(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)鐘用來對門電路的延時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)這個(gè)參考時(shí)鐘也會在被測時(shí)間較長時(shí)參與時(shí)間測量。
由于TDC核心測量單元是對電信號通過的門電路個(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)間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時(shí)間超過這個(gè)范圍的應(yīng)用，TDC-GP2則采取參考時(shí)鐘測量和TDC核心測量單元相結(jié)合的方式來完成。如圖3所示，TDC核心測量單元只測量TFC1和TFC2，而TCC則通過數(shù)參考時(shí)鐘的周期數(shù)來完成測量，待測時(shí)間TSS便可通過如下計(jì)算獲得：

每次測量完成后TDC-GP2可以自動(dòng)對門電路的延時(shí)做校準(zhǔn)測量，如圖3中的Cal1和Cal2，TDC核心測量單元對參考時(shí)鐘的周期進(jìn)行測量，而參考時(shí)鐘的周期是已知的，因此由測量結(jié)果可反推出來精確的門電路延時(shí)。以上的計(jì)算、校正都是TDC-GP2自動(dòng)完成的，最終經(jīng)過校正的測量結(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)間測量時(shí)，其耗電較大的核心測量單元并不總是在工作，它僅僅用于測量START信號上升沿到下一個(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)間測量是由數(shù)參考時(shí)鐘周期數(shù)來完成的。TDC核心測量單元工作時(shí)的耗電為15mA，非工作時(shí)的耗電小于150nA。由于TDC核心測量單元的工作時(shí)間在一次測量中所占時(shí)間比例極小，而且在管道流量測量中每次測量的時(shí)間一般為微秒級，因此TDC-GP2的平均功耗能達(dá)到極低的水平，以每秒鐘測量兩次為例，平均功耗能做到小于2uA。
TDC-GP2的脈沖發(fā)生器
TDC-GP2不但具有超低功耗的時(shí)間測量單元，還集成了用于驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的脈沖發(fā)生器。通過寄存器的設(shè)置可對產(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。對于小管徑的流量測量來說，無需前端放大電路，可以直接用FIRE輸出脈沖來驅(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)用提供了基本的測量保障；TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片；TDC-GP2測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-GP2的超聲波流量計(jì)方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，只需搭配MCU和簡單的比較器、模擬開關(guān)元件就可完成控制和時(shí)間測量回路的設(shè)計(jì)。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡化的同時(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-GP2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。

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-GP2為超聲波流量計(jì)提供了最高集成度、最高測量精度、最低功耗的解決方案?；赥DC-GP2測流量原理的戶用超聲波熱量表方案已由ACAM中國區(qū)總代理世強(qiáng)電訊進(jìn)行了大面積推廣，TDC-GP2已在超聲波熱量表中得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用，世強(qiáng)電訊可為您提供易于使用的評估套件，更多詳情可致電世強(qiáng)電訊。