高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2在超聲波流量計量中的應(yīng)用

　　如圖2所示，TDC核心測量單元對START和STOP脈沖之間的時間間隔進行測量。每個門電路的傳輸延時典型值是65ps，TDC核心測量單元通過計數(shù)在STOP脈沖到來之前START信號通過的門電路個數(shù)來獲得START與STOP信號之間的時間間隔。TDC-GP2芯片內(nèi)部通過特殊的設(shè)計和布線方法來保證每個門電路的時間延遲嚴(yán)格一致，但這個時間延遲是會隨供電電壓和溫度而變化的，因此TDC-GP2設(shè)計了一個參考時鐘用來對門電路的延時進行校準(zhǔn)，同時這個參考時鐘也會在被測時間較長時參與時間測量。

　　由于TDC核心測量單元是對電信號通過的門電路個數(shù)進行計數(shù)，因此受計數(shù)器容量的限制它的時間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范圍的應(yīng)用，TDC-GP2則采取參考時鐘測量和TDC核心測量單元相結(jié)合的方式來完成。如圖3所示，TDC核心測量單元只測量TFC1和TFC2，而TCC則通過數(shù)參考時鐘的周期數(shù)來完成測量，待測時間TSS便可通過如下計算獲得：

　　每次測量完成后TDC-GP2可以自動對門電路的延時做校準(zhǔn)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，而參考時鐘的周期是已知的，因此由測量結(jié)果可反推出來精確的門電路延時。以上的計算、校正都是TDC-GP2自動完成的，最終經(jīng)過校正的測量結(jié)果將以參考時鐘的周期為單位給出，以方便用戶計算。

　　TDC-GP2的低功耗特性

　　TDC-GP2創(chuàng)新的測量機制決定了其低功耗的特性。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總是在工作，它僅僅用于測量START信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿的時間(TFC1)，以及STOP信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿的時間(TFC2)，而中間大量的時間測量是由數(shù)參考時鐘周期數(shù)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。由于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一般為微秒級，因此TDC-GP2的平均功耗能達到極低的水平，以每秒鐘測量兩次為例，平均功耗能做到小于2uA。

　　TDC-GP2的脈沖發(fā)生器

　　TDC-GP2不但具有超低功耗的時間測量單元，還集成了用于驅(qū)動超聲波換能器的脈沖發(fā)生器。通過寄存器的設(shè)置可對產(chǎn)生脈沖的頻率、相位進行控制，一次最多可以產(chǎn)生連續(xù)15個脈沖。 脈沖發(fā)生器有FIRE1和FIRE2兩個輸出管腳，這兩個輸出管腳分別具有48mA的驅(qū)動能力，如果將其并聯(lián)使用可以將驅(qū)動能力增加到96mA。對于小管徑的流量測量來說，無需前端放大電路，可以直接用FIRE輸出脈沖來驅(qū)動超聲波換能器。

　　TDC-GP2在超聲波流量計中的應(yīng)用

　　TDC-GP2具有高精度的時間測量功能，分辨率達到65ps，為時差法流量計的應(yīng)用提供了基本的測量保障;TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅(qū)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片;TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計的整體功耗大幅降低，為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案。