TDC_GP2高精度时间测量芯片在时差法超声波流量计中的应用

　　1　高精度测时芯片TDC-GP2

　　1.1　芯片简介

　　TDC-GP2是ACAM公司推出的新款时间数字转化器件。它具有高精度小封装低功耗的特点,尤其适合于低成本的工业应用领域。GP2具有高速脉冲发生器,停止信号使能,温度测量和时钟控制等功能,这些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。它有两个测量范围,可以使时间的测量精度达到ps级。TDC-GP2是32脚封装,它的核心电压为1.8~3.6V,输入输出电压为1.8~5.5V。通过4线的SPI可以和单片机相连,把TDC-GP2当作单片机的外围设备使用。此外,它还具有最大1MHz的连续数据输出率;时钟校准单元;精确停止脉冲使能窗口;上升沿/下降沿单独触发或者上升沿和下降沿同时触发等。

　　1.2　功能描述

　　(1)测量范围1

　　测量范围1的特点是:两个stop通道共用一个start通道,每个通道的典型分辨率50ps,最低有效位为65ps,间隔脉冲对的分辨能力15ns,每个stop通道都可以进行4次采样,测量范围是2ns~1.8ns,每个通道都可以选择上升沿或者下降沿触发, ENABLE引脚提供强大的stop信号使能功能可测量任意两个信号之间的时差。

　　(2)测量范围2

　　测量范围2的特点是:只有一个stop通道对应start通道,典型的分辨率为50ps,间隔脉冲对的分辨率为2×Tref,有3次采样能力,测量范围: 2×Tref~4ms,可选上升/下降沿触发。

　　(3)脉冲发生器

　　触发脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可调的脉冲序列。高速振荡器频率用作基本频率,这个频率在内部被倍频,它还可以自由地除以因子2~15进行分频。可以产生1~15个脉冲序列,每个脉冲序列都可通过设置寄存器来调节其相位。通过发送代码Start_Cycle来激活触发脉冲发生器,触发脉冲发生器提供两个输出结果, Fire1和Fire2,每个输出在5V时的驱动能力是48mA。这两个输出的驱动能力可以同时增加到96mA。此外,每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍。输出管脚能被单独地设置为高阻态。

　　2　TDC-GP2外围的硬件设计

　　图1为TDC-GP2外围电路图,在整个TDC-GP2外围系统中,需要用到2个晶振。TDC-GP2首先需要一个2~8MHz的高速时钟进行校准用。在测量范围2中TDC-GP2还需要高速时钟信号作为时间测量单元的一部分。此外TDC-GP2需要一个32.768kHz的基准时钟来控制高速时钟和进行时钟校准用。

　　微控制器采用新华龙电子有限公司的C8051F410单片机,有32个引脚,是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU芯片。它的主要特性有:高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核(可达50MIPS);全速、非侵入式的在系统调试接口(片内);真12位200ksps的24通道ADC,带模拟多路器;两个12位电流输出DAC;高精度可编程的24.5MHz内部振荡器;32KB的片内FLASH存储器; 2304字节片内RAM;硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口等。