高精度、低功耗芯片TDC-GP21在超声波热量表中的应用

前言
相对于使用传统机械式的测量方法，超声波测量技术提供了一种无阻碍式的测量方法。在这种技术的支持下，我们设计出的新一代超声波热量表没有了活动部件、电路更加的紧凑简单、功耗更低、精度更高。而为超声波热量表市场量身定做的TDC-GP21必将为你提供一个完美的解决方案。
关键字：TDC-GP21，时间数字转换器，超声波流量计，热量表，时间测量，低功耗
超声波热量表的测量原理
以使用较多的时差法超声波热能量表为例，通过分别测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间，利用流体流速与超声波顺流逆流传播时间差的线性关系计算出流体的实时流速，进而得到对应的流量值。再分别测出进出水的温度，通过求得差值获得温度系数。将流量值和温度系数带入公式即可获得单位热量。

如图1所示，超声波在静止流体中的传播速度用C表示，则顺流和逆流的传播时间分别为：

其中 包含换能器的响应时间、电路元件造成的延时等。由于顺流和逆流路径的一致性，顺、逆流的 是一样的。顺、逆流传播的时间差为：

由此得到流体流速V和瞬时流量Q的计算公式（K为流速分布修正系数）：

再通过K系数法，我们就可以得出热量E：

德国ACAM公司针对超声波热量表市场新推出的TDC-GP21
TDC-GP21 是德国 ACAM 公司在TDC-GP2的基础上发展的新一代产品。除了具有TDC-GP2 所具有的高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能外，它还集成了施密特触发器，斩波稳定的内部比较器和模拟开关等特殊功能模块，使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。这款芯片利用现代化的纯数字化 CMOS技术，将时间间隔的测量量化到 22ps的精度，给超声波热量表的时差测量提供了一个完美的解决方案。
1、TDC-GP21的技术核心——时间数字转换器（TDC）
TDC—即时间数字转换器(Time-to-Digital Converter)，它是利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔。

图2 TDC时间测量单元
图2显示了这种测量绝对时间TDC 的主要构架。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数。芯片能获得的最高测量精度基本上由信号通过芯片内部门电路的最短传播延迟时间决定。
测量单元由 START 信号触发，接收到 STOP 信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。 在3.3V和25℃时,GP21的最小分辨率是 22ps。温度和电压对门电路的传播延迟时间有很大的影响。通常是通过校准来补偿由温度和电压变化而引起的误差。
2、TDC-GP21的特性
100% 功能 管脚 寄存器 与 TDC-GP2兼容 (可1:1进行替换)
对于 TDC-GP2 的bug进行了纠正
增加了一些新的数字部分的功能 (最多可发128个驱动脉冲)
可选择精度最高可达 22ps
低功耗 32 kHz 晶振 (600nA)
更加高质量的温度测量单元
内部集成温度测量施密特触发器
超低静态功耗: 0.005 µA (typ.)
整个测量流程由GP21控制，无须复杂单片机控制
可选择部分: 对于超声波热量表所需要的完整的模拟部分
内部集成斩波稳定的内部低噪声比较器(1mV 漂移)
内部集成低串扰的模拟开关
TDC-GP21在超声波热量表中的应用方案
TDC-GP21具有高精度的时间测量功能，分辨率达到22ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障；TDC-GP21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，无需另外增加驱动芯片；TDC-GP21测量的低功耗特性使得流量计的整体功耗大幅降低，为电池供电设备提供了优良的解决方案。
使用TDC-GP21的超声波流量计方案相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，大大简化了硬件电路设计，只需搭配一颗低功耗MCU，外加几个电阻电容就可完成控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设备的PCB面积，使设备的生产、维护也更加方便容易。
TDC-GP21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，这为热量表的应用提供了集成化的解决方案。

图3：超声波热量表应用框图

结语
超声波原理的流量计将是未来流量计的发展方向，TDC-GP21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。基于测流量原理的户用超声波热量表在北方城市开始大面积推广，TDC-GP21已在其中得到了广泛应用。

世强电讯为以上方案提供：完整可行的软件、原理图、PCB示例，技术支持。