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

前言
相對于使用傳統(tǒng)測量方法的流量計，超聲波流量計有著諸多的優(yōu)點：它不會改變流體的流動狀態(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)計成夾裝式，可作移動性測量。TDC-GP2作為高精度的時間測量芯片，不但集成了時間測量功能，還針對超聲波流量計和熱量表的應(yīng)用提供超聲波換能器驅(qū)動脈沖以及溫度測量功能。相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，使用TDC-GP2的方案大大簡化了硬件電路設(shè)計，顯著降低了整機功耗，成為電路最簡潔、功耗最低的超聲波流量計方案。
關(guān)鍵字：TDC-GP2，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，超聲波流量計，熱量表，時間測量，低功耗
超聲波流量計的測量原理
以使用較多的時差法超聲波流量計為例，通過分別測量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時間，利用流體流速與超聲波順流逆流傳播時間差的線性關(guān)系計算出流體的實時流速，進而得到對應(yīng)的流量值。

圖1 時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間分別為：

其中 包含換能器的響應(yīng)時間、電路元件造成的延時等。由于順流和逆流路徑的一致性，順、逆流的 是一樣的。順、逆流傳播的時間差為：

由此得到流體流速V和瞬時流量Q的計算公式（K為流速分布修正系數(shù)）：

TDC-GP2的高精度時間測量原理
時差法超聲波流量測量的關(guān)鍵是對超聲波傳播時間的測量，德國ACAM公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2提供典型值65ps的時間分辨率，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脈沖之間的時間間隔進行測量。每個門電路的傳輸延時典型值是65ps，TDC核心測量單元通過計數(shù)在STOP脈沖到來之前START信號通過的門電路個數(shù)來獲得START與STOP信號之間的時間間隔。TDC-GP2芯片內(nèi)部通過特殊的設(shè)計和布線方法來保證每個門電路的時間延遲嚴格一致，但這個時間延遲是會隨供電電壓和溫度而變化的，因此TDC-GP2設(shè)計了一個參考時鐘用來對門電路的延時進行校準，同時這個參考時鐘也會在被測時間較長時參與時間測量。
由于TDC核心測量單元是對電信號通過的門電路個數(shù)進行計數(shù)，因此受計數(shù)器容量的限制它的時間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范圍的應(yīng)用，TDC-GP2則采取參考時鐘測量和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)參考時鐘的周期數(shù)來完成測量，待測時間TSS便可通過如下計算獲得：

每次測量完成后TDC-GP2可以自動對門電路的延時做校準測量，如圖3中的Cal1和Cal2，TDC核心測量單元對參考時鐘的周期進行測量，而參考時鐘的周期是已知的，因此由測量結(jié)果可反推出來精確的門電路延時。以上的計算、校正都是TDC-GP2自動完成的，最終經(jīng)過校正的測量結(jié)果將以參考時鐘的周期為單位給出，以方便用戶計算。

TDC-GP2的低功耗特性
TDC-GP2創(chuàng)新的測量機制決定了其低功耗的特性。從圖3中可以看出，TDC-GP2在進行時間測量時，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參考時鐘上升沿的時間（TFC1），以及STOP信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿的時間（TFC2），而中間大量的時間測量是由數(shù)參考時鐘周期數(shù)來完成的。TDC核心測量單元工作時的耗電為15mA，非工作時的耗電小于150nA。由于TDC核心測量單元的工作時間在一次測量中所占時間比例極小，而且在管道流量測量中每次測量的時間一般為微秒級，因此TDC-GP2的平均功耗能達到極低的水平，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間測量單元，還集成了用于驅(qū)動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、相位進行控制，一次最多可以產(chǎn)生連續(xù)15個脈沖。 脈沖發(fā)生器有FIRE1和FIRE2兩個輸出管腳，這兩個輸出管腳分別具有48mA的驅(qū)動能力，如果將其并聯(lián)使用可以將驅(qū)動能力增加到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)動超聲波換能器。
TDC-GP2在超聲波流量計中的應(yīng)用
TDC-GP2具有高精度的時間測量功能，分辨率達到65ps，為時差法流量計的應(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)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片；TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計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的超聲波流量計方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，大大簡化了硬件電路設(shè)計，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間測量回路的設(shè)計。該方案使電路設(shè)計得到簡化的同時大大縮小了設(shè)備的PCB面積，使設(shè)備的生產(chǎn)、維護也更加方便容易。
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將是未來流量計的發(fā)展方向，TDC-GP2為超聲波流量計提供了最高集成度、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)總代理世強電訊進行了大面積推廣，TDC-GP2已在超聲波熱量表中得到了廣泛的實際應(yīng)用，世強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電訊。