超聲波熱量表、水表，測距等TDC電路MS1022,參數與替代TDC-GP21

鑫邦旺電子科技

MS1022描述（尾頁有同類產品的比較）

MS1022是一款高精度時間測量電路，是MS1002的升級產品，與MS1002管腳完全兼容，且兼容MS1002的所有功能。

MS1022內部集成了模擬比較器、模擬開關、施密特觸發(fā)器等器件，從而大大簡化了外圍電路。同時內部增加了第一波檢測功能，使抗干擾能力大大提高。用戶可以讀取第一個回波脈沖的相對寬度來判斷接收信號是強度提示。通過這個提示可以判斷超聲波換能器異常、管壁覆蓋物增多、水中有氣泡等異常檢測。通過命令可以完成一次超聲波時差（順流和逆流）的測量和數據的讀取，從而大大減少軟件的操作和電量的消耗。

特點

測量范圍1：

雙通道單精度模式75ps

單通道雙精度模式37ps

測量范圍3.5ns(0ns)至2.5μs

20ns最小脈沖間隔，最多可接收4個脈

測量范圍2：

單通道單精度模式75ps

雙精度模式37ps，四精度模式19ps

測量范圍500ns至4ms（

4M高速時鐘下）

可測量3個脈沖，并可自動處理3個數據

模擬輸入電路：

第一波檢測

可測量第一波的脈沖寬度

內部集成用于輸入選擇的模擬開關

溫度測量：

2個或4個溫度傳感器，PT500/PT1000或更高

內部集成施密特觸發(fā)器

超低功耗（每30秒測量一次時為0.08uA）

應用

超聲波熱量表、水表

激光測距

MS1022替代GP21,GP22

MS1022封裝圖

$ N5 r  U$ R: P8 W& N, z2 T4 o' w

管腳圖

( X- R" v8 t7 f$ s# ^! y; z- m/ B8 E

內部框圖

超聲波熱量表的典型應用

MS1022 非常適合低功耗超聲波熱量表的設計和應用。由于芯片內部的功能,包括第一波自動檢測功能,高精度溫度測量,脈沖發(fā)生器,模擬開關,比較器,STOP 屏蔽窗口功能以及時鐘校準等,僅需要外部加一個簡單的單片機（無需 AD）就可以進行高精度的測量。

最終的電路可以非常緊湊,尺寸可以做到非常小。下圖表顯示了一個典型的超聲波熱量表應用MS1022 設計的整個電路。

·在超聲波回波路徑當中,僅在壓電陶瓷換能器連接到一對電阻和電容。

·在溫度測量路徑當中,僅需要額外的一個溫度穩(wěn)定電阻以及放電電容。

·作為振蕩器我們則選擇了一個 32.768Khz 石英晶體以及一個 4M 的陶瓷晶振。FIRE_IN 管腳可以用于32.768KHz 晶振的輸出驅動。因此單片機不需要一個低功耗的振蕩器。

·對于電源部分則需要應用旁通電容來給 VCC 和 VIO 去藕。分別通過一個小的電阻來進行分離�？偣矁H需要 11 個低價的元件來進行所有測量工作。

  i  R! D( L' |/ H7 x4 o8 @- z

3. 測量流程

上電復位：

發(fā)送 SO = ’h50

校準時鐘:

發(fā)送 SO = ’h03 Start_Cal_Resonator

Check-loop INTN = 0 ?

發(fā)送 SO = ’hB0,讀取 SI = RES_0

校準系數 = 61.035/RES_0

測量循環(huán)：

溫度測量每隔 30 秒鐘一次:

發(fā)送 SO = ’h02 Start_Temp

Check-loop INTN = 0 ?

發(fā)送 SO = ’hB4, 讀取 SI = STAT

STAT&’h1E00 > 0: -> Error routine

發(fā)送 SO = ’hB0, 讀取 SI = RES_0

發(fā)送 SO = ’hB1, 讀取 SI = RES_1

發(fā)送 SO = ’hB2, 讀取 SI = RES_2

發(fā)送 SO = ’hB3, 讀取 SI = RES_3

Rhot/Rref = RES_0/RES_1

Rcold/Rref = RES_3/RES_2

到單片機數據庫表格中查找相應溫度。

每半秒鐘測量一次飛行時間間隔:

發(fā)送 SO = ’h70 Initialize TDC

發(fā)送 SO = ’h05 Start_TOF_Restart

Check-loop INTN = 0? (上游 TOF)

發(fā)送 SO = ’hB4, 讀取 SI = STAT

STAT&’h0600 > 0: -> Error routine,

timeout = 空管段。

發(fā)送 SO = ’hB3, 讀取 SI = RES_3

發(fā)送 SO = ’h70 初始化 TDC

Check-loop INTN = 0? (下游 TOF)

發(fā)送 SO = ’hB4, 讀取 SI = STAT

STAT&’h0600 > 0: -> Error routine

發(fā)送 SO = ’hB3, 讀取 SI = RES_3

單片機現在可以開始進行數據處理然后計算熱量和流量的值。

通過脈沖寬度檢查信號強度:

發(fā)送 SO = ’hB8, 讀取 SI = PW1ST

如果 PW1ST < 0.3 信號太弱, 則發(fā)出報警信號。

噪聲單元

如果用戶希望通過取平均值的方法來提高測量結果，則不必同步顯示出時差的結果。相反，用戶應該提供一些“噪聲”以便 TDC 特性曲線的不同量化步驟能夠相連。對于常量時差不能進行此操作，否則將會重復地采樣同一個最小有效值。

噪聲單元使得常量時差也可使用加權平均值。噪聲單元在 START 上加一個隨機偏移量。這種情況適用于 TDC 接收到一位 START 信號然后測量 STOP1 和 STOP2 之間的時差的應用中（比如激光測距儀）。

通過設置寄存器 5 的 20 位(EN_STARTNOISE )= 1 可以開啟噪聲單元。

. 推薦使用的電容

為了能夠達到精確的測量效果，我們推薦有非常低 dC/dU 的電容。我們推薦使用 C0G 系列類型電

容或者太陽誘電公司的 CfCap 系列。

由于放電時間大概是 150 μs。 因此電容應該選取下列值:

PT500: 220 nF

PT1000: 100 nF

設置 Tcycle = 1， 以避免溢出錯誤。

在熱量表應用當中請不要使用 X7R 或者相似的電容材料。

電流消耗

采用 MS1022 進行溫度測量與采用 A/D 轉換器進行溫度測量相比，其電流消耗極低。

進行一次完整的溫度測量（2 個傳感器，2 個基準），包括所有的計算在內，其功耗小于

2.5μA/s。如果每 30 秒進行一次溫度測量（熱量計的典型測量頻率），平均電流消耗 0.08μA ，比其他測量方法的功耗的 1/50 還要小。PT500 傳感器將使電流加倍。

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