高精度时间数字转换器TDC-GP2在超声波流量计量中的应用

前言
相对于使用传统测量方法的流量计，超声波流量计有着诸多的优点：它不会改变流体的流动状态，不对流体产生附加阻力；它可适应多种管径的流体测量，不会因管径的不同增加仪表成本；它的换能器可设计成夹装式，可作移动性测量。TDC-GP2作为高精度的时间测量芯片，不但集成了时间测量功能，还针对超声波流量计和热量表的应用提供超声波换能器驱动脉冲以及温度测量功能。相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，使用TDC-GP2的方案大大简化了硬件电路设计，显著降低了整机功耗，成为电路最简洁、功耗最低的超声波流量计方案。
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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。

图1 时差法超声波流量测量原理图

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）：

TDC-GP2的高精度时间测量原理
时差法超声波流量测量的关键是对超声波传播时间的测量，德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP2提供典型值65ps的时间分辨率，测量范围从0到4ms。

图2  TDC核心测量单元
如图2所示，TDC核心测量单元对START和STOP脉冲之间的时间间隔进行测量。每个门电路的传输延时典型值是65ps，TDC核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获得START与STOP信号之间的时间间隔。TDC-GP2芯片内部通过特殊的设计和布线方法来保证每个门电路的时间延迟严格一致，但这个时间延迟是会随供电电压和温度而变化的，因此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与时间测量。
由于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制它的时间测量范围是有限的，最多可测到1.8us，对于被测时间超过这个范围的应用，TDC-GP2则采取参考时钟测量和TDC核心测量单元相结合的方式来完成。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便可通过如下计算获得：

每次测量完成后TDC-GP2可以自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，而参考时钟的周期是已知的，因此由测量结果可反推出来精确的门电路延时。以上的计算、校正都是TDC-GP2自动完成的，最终经过校正的测量结果将以参考时钟的周期为单位给出，以方便用户计算。

TDC-GP2的低功耗特性
TDC-GP2创新的测量机制决定了其低功耗的特性。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总是在工作，它仅仅用于测量START信号上升沿到下一个参考时钟上升沿的时间（TFC1），以及STOP信号上升沿到下一个参考时钟上升沿的时间（TFC2），而中间大量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。由于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一般为微秒级，因此TDC-GP2的平均功耗能达到极低的水平，以每秒钟测量两次为例，平均功耗能做到小于2uA。
TDC-GP2的脉冲发生器
TDC-GP2不但具有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发生器。通过寄存器的设置可对产生脉冲的频率、相位进行控制，一次最多可以产生连续15个脉冲。 脉冲发生器有FIRE1和FIRE2两个输出管脚，这两个输出管脚分别具有48mA的驱动能力，如果将其并联使用可以将驱动能力增加到96mA。对于小管径的流量测量来说，无需前端放大电路，可以直接用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-GP2具有高精度的时间测量功能，分辨率达到65ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障；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，无需另外增加驱动芯片；TDC-GP2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-GP2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MCU和简单的比较器、模拟开关元件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-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，这为热量表的应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未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中国区总代理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广泛的实际应用，世强电讯可为您提供易于使用的评估套件，更多详情可致电世强电讯。