高精度時光數字轉換器TDC-GP2在超聲波流量計量中的應

　　前言
　　
　　相對使用傳統丈量方式的流量計，超聲波流量計有著諸多的長處：它不會轉變流體的流動狀況，錯誤流體發生附加阻力；它可適應多種管徑的流體測量，不會因管徑的不同增添儀表本錢；它的換能器可設計成夾裝式，可作挪動性測量。tdc-gp2作為高精度的時光測量芯片，豈但集成了時光丈量功效，還針對超聲波流量計跟熱量表的利用供給超聲波換能器驅動脈沖以及溫度測量功效。絕對于應用分破元件或者fpga的超聲波流量計計劃，應用tdc-gp2的計劃大大簡化了硬件電路設計，明顯下降了整機功耗，成為電路最簡練、功耗最低的超聲波流量計方案。
　　
　　癥結字：tdc-gp2，時間數字轉換器，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，通過火別測量超聲波在流體中順流和逆流的傳播時間，應用流體流速與超聲波順流逆傳播播時間差的線性關聯計算出流體的實時流速，進而得到對應的流量值。
　　
　　如

圖1所示，超聲波在靜止流體中的流傳速度用c表現，則順流和逆流的傳布時間分離為：
　　
　　其中包括換能器的響應時間、電路元件造成的延時等。因為順流和逆流門路的一致性，順、逆流的是一樣的。順、逆流流傳的時間差為：
　　
　　由此得到流體流速v和剎時流量q的計算公式：
　　
　　tdc-gp2的高精度時間測量原理
　　
　　時差法超聲波流量測量的要害是對超聲波傳布時間的測量，德國acam公司的時間數字轉換芯片tdc-gp2供給典范值65ps的時間辨別率，測量范疇從0到4ms。
　　
　　如圖2所示，tdc中心測量單元對start和stop脈沖之間的時間距離進行測。便攜式超聲波流量計非接觸式測量方式、體積小、重量輕、攜帶方便。量。每個門電路的傳輸延時典范值是65ps，tdc中心測量單元通過計數在stop脈沖到來之前start信號通過的門電路個數來取得start與stop信號之間的時間距離。tdc-gp2芯片內部通過特別的設計和布線辦法來保障每個門電路的時間延遲嚴厲一致，但這個時間延遲是會隨供電電壓和溫度而變更的，因而tdc-gp2設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加時間測量。
　　
　　因為tdc核心測量單元是對電信號通過的門電路個數進行計數，因此受計數器容量的限度它的時間測量規模是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范疇的應用，tdc-gp2則采用參考時鐘測量和tdc核心測量單元相聯合的方法來完成。如圖3所示，tdc核心測量單元只測量tfc1和tfc2，而tcc則通過數參考時鐘的周期數來完成測量，待測時間tss便可通過如下計算失掉：
　　
　　每次測量實現后tdc-gp2可以主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。固定式超聲波流量計利用了低電壓、多脈沖時差原理，采用高精度和超穩定的雙平衡信號差分發射。期是已知的，因而由測量成果可反推出來準確的門電路延時。以上的盤算、校訂都是tdc-gp2主動實現的，終極經由校訂的測量成果將以參考時鐘的周期為單位給出，以便利用戶盤算。
　　
　　tdc-gp2的低功耗特性
　　
　　tdc-gp2翻新的測量機制決議了其低功耗的特征。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老是在工作，它僅僅用于測量start信號上升沿到下一個參考時鐘回升沿的時間，以及stop信號回升沿到下一個參考時鐘上升沿的時間，而旁邊大批的時間測量是由數參考時鐘周期數來完成的。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。因為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個別為微秒級，因此tdc-gp2的均勻功耗能到達極低的程度，以每秒鐘測量兩次為例，均勻功耗能做到小于2ua。
　　
　　tdc-gp2的脈沖發生器
　　
　　tdc-gp2豈但具備超低功耗的時間測量單元，還集成了用于驅動超聲波換能器的脈沖產生器。通過存放器的設置可對產生脈沖的頻率、相位進行把持，一次最多可以發生持續15個脈沖。脈沖產生器有fire1跟fire2兩個輸出管腳，這兩個輸出管腳分辨存在48ma的驅動才能，假如將其并聯使用能夠將驅動才能增長到96ma。對小管徑的流量測量來說，無需前端放大電路，能夠直接用fire輸出脈沖來驅動超聲波換能器。
　　
　　tdc-gp2在超聲波流量計中的應用
　　
　　tdc-g。超聲波流量計采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術及糾錯技術，使流量儀表更能適應工業現場的環境，計量更方便、經濟、準確。p2擁有高精度的時間測量功能，分辯率到達65ps，為時差法流量計的利用提供了基礎的測量保障；tdc-gp2的脈沖發生器在小管徑的流量測量中可直接驅動超聲波換能器，無需另外增添驅動芯片；tdc-gp2測量的低功耗特征使得流量計的整體功耗大幅下降，為電池供電裝備提供了精良的解決方案。
　　
　　使用tdc-gp2的超聲波流量計方案絕對于使用分破元件或者fpga的超聲波流量計方案，大大簡化了硬件電路設計，只要搭配mcu和簡略的比擬器、模仿開關元件就可完成節制和時間測量回路的設計。該方案使電路設計得到簡化的同時大大縮小了裝備的pcb面積，使設備的出產、保護也更加便利輕易。
　　
　　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，這為熱量表的運用提供了集成化的解決方案。
　　
　　結語
　　
　　超聲波原理的流量計將是將來流量計的發展方向，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。基于tdc-gp2測流量原理的戶用超聲波熱量表方案已由acam中國區總代辦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普遍的實際運用。