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

鑫邦旺電子科技

MS1022描述（尾頁有同類產(chǎn)品的比較）

MS1022是一款高精度時(shí)間測量電路，是MS1002的升級(jí)產(chǎn)品，與MS1002管腳完全兼容，且兼容MS1002的所有功能。

MS1022內(nèi)部集成了模擬比較器、模擬開關(guān)、施密特觸發(fā)器等器件，從而大大簡化了外圍電路。同時(shí)內(nèi)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(gè)回波脈沖的相對(duì)寬度來判斷接收信號(hào)是強(qiáng)度提示。通過這個(gè)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(shí)差（順流和逆流）的測量和數(shù)據(jù)的讀取，從而大大減少軟件的操作和電量的消耗。

特點(diǎn)

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(gè)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(shí)鐘下）

可測量3個(gè)脈沖，并可自動(dòng)處理3個(gè)數(shù)據(jù)

模擬輸入電路：

第一波檢測

可測量第一波的脈沖寬度

內(nèi)部集成用于輸入選擇的模擬開關(guān)

溫度測量：

2個(gè)或4個(gè)溫度傳感器，PT500/PT1000或更高

內(nèi)部集成施密特觸發(fā)器

超低功耗（每30秒測量一次時(shí)為0.08uA）

應(yīng)用

超聲波熱量表、水表

激光測距

MS1022替代GP21,GP22

MS1022封裝圖

. o8 G2 u2 t9 i, `3 g% f/ y9 b
* b$ y: S1 h( \- K: u* r+ {* U

管腳圖

4 l5 c, o; E. {- V+ n; Z7 S9 H, ^6 U

內(nèi)部框圖

6 z) E, V: _' v6 k# l

超聲波熱量表的典型應(yīng)用

MS1022 非常適合低功耗超聲波熱量表的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。由于芯片內(nèi)部的功能,包括第一波自動(dòng)檢測功能,高精度溫度測量,脈沖發(fā)生器,模擬開關(guān),比較器,STOP 屏蔽窗口功能以及時(shí)鐘校準(zhǔn)等,僅需要外部加一個(gè)簡單的單片機(jī)（無需 AD）就可以進(jìn)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(gè)典型的超聲波熱量表應(yīng)用MS1022 設(shè)計(jì)的整個(gè)電路。

·在超聲波回波路徑當(dāng)中,僅在壓電陶瓷換能器連接到一對(duì)電阻和電容。

·在溫度測量路徑當(dāng)中,僅需要額外的一個(gè)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(gè) 32.768Khz 石英晶體以及一個(gè) 4M 的陶瓷晶振。FIRE_IN 管腳可以用于32.768KHz 晶振的輸出驅(qū)動(dòng)。因此單片機(jī)不需要一個(gè)低功耗的振蕩器。

·對(duì)于電源部分則需要應(yīng)用旁通電容來給 VCC 和 VIO 去藕。分別通過一個(gè)小的電阻來進(jìn)行分離�？偣矁H需要 11 個(gè)低價(jià)的元件來進(jìn)行所有測量工作。

! n( w6 C" `, B7 l, {

9 g7 J) ^' X* q

3. 測量流程

上電復(fù)位：

發(fā)送 SO = ’h50

校準(zhǔn)時(shí)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(zhǔn)系數(shù) = 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(jī)數(shù)據(jù)庫表格中查找相應(yīng)溫度。

每半秒鐘測量一次飛行時(shí)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(jī)現(xiàn)在可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理然后計(jì)算熱量和流量的值。

通過脈沖寬度檢查信號(hào)強(qiáng)度:

發(fā)送 SO = ’hB8, 讀取 SI = PW1ST

如果 PW1ST < 0.3 信號(hào)太弱, 則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

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(jié)果，則不必同步顯示出時(shí)差的結(jié)果。相反，用戶應(yīng)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(duì)于常量時(shí)差不能進(jìn)行此操作，否則將會(huì)重復(fù)地采樣同一個(gè)最小有效值。

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

通過設(shè)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(dá)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(shí)間大概是 150 μs。 因此電容應(yīng)該選取下列值:

PT500: 220 nF

PT1000: 100 nF

設(shè)置 Tcycle = 1， 以避免溢出錯(cuò)誤。

在熱量表應(yīng)用當(dāng)中請(qǐng)不要使用 X7R 或者相似的電容材料。

電流消耗

采用 MS1022 進(jìn)行溫度測量與采用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度測量相比，其電流消耗極低。

進(jìn)行一次完整的溫度測量（2 個(gè)傳感器，2 個(gè)基準(zhǔn)），包括所有的計(jì)算在內(nèi)，其功耗小于

2.5μA/s。如果每 30 秒進(jìn)行一次溫度測量（熱量計(jì)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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