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超声波热量表、水表,测距等TDC电路MS1022,参数与替代TDC-GP21

作者:XBW18025311976 | 时间:2022-5-20 23:17:32 | 阅读:547| 显示全部楼层
MS1022描述(尾页有同类产品的比较)
MS1022是一款高精度时间测量电路,是MS1002的升级产品,与MS1002管脚完全兼容,且兼容MS1002的所有功能。
MS1022内部集成了模拟比较器、模拟开关、施密特触发器等器件,从而大大简化了外围电路。同时内部增加了第一波检测功能,使抗干扰能力大大提高。用户可以读取第一个回波脉冲的相对宽度来判断接收信号是强度提示。通过这个提示可以判断超声波换能器异常、管壁覆盖物增多、水中有气泡等异常检测。通过命令可以完成一次超声波时差(顺流和逆流)的测量和数据的读取,从而大大减少软件的操作和电量的消耗。
特点
测量范围1:
双通道单精度模式75ps
单通道双精度模式37ps
测量范围3.5ns(0ns)至2.5μs
20ns最小脉冲间隔,最多可接收4个脉
测量范围2:
单通道单精度模式75ps
双精度模式37ps,四精度模式19ps
测量范围500ns至4ms(
4M高速时钟下)
可测量3个脉冲,并可自动处理3个数据
模拟输入电路:
第一波检测
可测量第一波的脉冲宽度
内部集成用于输入选择的模拟开关
温度测量:
2个或4个温度传感器,PT500/PT1000或更高
内部集成施密特触发器
超低功耗(每30秒测量一次时为0.08uA)
应用
超声波热量表、水表
激光测距
MS1022替代GP21,GP22
MS1022封装图


管脚图


内部框图


超声波热量表的典型应用
MS1022 非常适合低功耗超声波热量表的设计和应用。由于芯片内部的功能,包括第一波自动检测功能,高精度温度测量,脉冲发生器,模拟开关,比较器,STOP 屏蔽窗口功能以及时钟校准等,仅需要外部加一个简单的单片机(无需 AD)就可以进行高精度的测量。
最终的电路可以非常紧凑,尺寸可以做到非常小。下图表显示了一个典型的超声波热量表应用MS1022 设计的整个电路。


·在超声波回波路径当中,仅在压电陶瓷换能器连接到一对电阻和电容。
·在温度测量路径当中,仅需要额外的一个温度稳定电阻以及放电电容。
·作为振荡器我们则选择了一个 32.768Khz 石英晶体以及一个 4M 的陶瓷晶振。FIRE_IN 管脚可以用于32.768KHz 晶振的输出驱动。因此单片机不需要一个低功耗的振荡器。
·对于电源部分则需要应用旁通电容来给 VCC 和 VIO 去藕。分别通过一个小的电阻来进行分离。总共仅需要 11 个低价的元件来进行所有测量工作。




3. 测量流程
上电复位:
发送 SO = ’h50
校准时钟:
发送 SO = ’h03 Start_Cal_Resonator
Check-loop INTN = 0 ?
发送 SO = ’hB0,读取 SI = RES_0
校准系数 = 61.035/RES_0
测量循环:
温度测量每隔 30 秒钟一次:
发送 SO = ’h02 Start_Temp
Check-loop INTN = 0 ?
发送 SO = ’hB4, 读取 SI = STAT
STAT&’h1E00 > 0: -> Error routine
发送 SO = ’hB0, 读取 SI = RES_0
发送 SO = ’hB1, 读取 SI = RES_1
发送 SO = ’hB2, 读取 SI = RES_2
发送 SO = ’hB3, 读取 SI = RES_3
Rhot/Rref = RES_0/RES_1
Rcold/Rref = RES_3/RES_2
到单片机数据库表格中查找相应温度。
每半秒钟测量一次飞行时间间隔:
发送 SO = ’h70 Initialize TDC
发送 SO = ’h05 Start_TOF_Restart
Check-loop INTN = 0? (上游 TOF)
发送 SO = ’hB4, 读取 SI = STAT
STAT&’h0600 > 0: -> Error routine,
timeout = 空管段。
发送 SO = ’hB3, 读取 SI = RES_3
发送 SO = ’h70 初始化 TDC
Check-loop INTN = 0? (下游 TOF)
发送 SO = ’hB4, 读取 SI = STAT
STAT&’h0600 > 0: -> Error routine
发送 SO = ’hB3, 读取 SI = RES_3
单片机现在可以开始进行数据处理然后计算热量和流量的值。
通过脉冲宽度检查信号强度:
发送 SO = ’hB8, 读取 SI = PW1ST
如果 PW1ST < 0.3 信号太弱, 则发出报警信号。
噪声单元
如果用户希望通过取平均值的方法来提高测量结果,则不必同步显示出时差的结果。相反,用户应该提供一些“噪声”以便 TDC 特性曲线的不同量化步骤能够相连。对于常量时差不能进行此操作,否则将会重复地采样同一个最小有效值。
噪声单元使得常量时差也可使用加权平均值。噪声单元在 START 上加一个随机偏移量。这种情况适用于 TDC 接收到一位 START 信号然后测量 STOP1 和 STOP2 之间的时差的应用中(比如激光测距仪)。
通过设置寄存器 5 的 20 位(EN_STARTNOISE )= 1 可以开启噪声单元。
. 推荐使用的电容
为了能够达到精确的测量效果,我们推荐有非常低 dC/dU 的电容。我们推荐使用 C0G 系列类型电
容或者太阳诱电公司的 CfCap 系列。
由于放电时间大概是 150 μs。 因此电容应该选取下列值:
PT500: 220 nF
PT1000: 100 nF
设置 Tcycle = 1, 以避免溢出错误。
在热量表应用当中请不要使用 X7R 或者相似的电容材料。
电流消耗
采用 MS1022 进行温度测量与采用 A/D 转换器进行温度测量相比,其电流消耗极低。
进行一次完整的温度测量(2 个传感器,2 个基准),包括所有的计算在内,其功耗小于
2.5μA/s。如果每 30 秒进行一次温度测量(热量计的典型测量频率),平均电流消耗 0.08µA ,比其他测量方法的功耗的 1/50 还要小。PT500 传感器将使电流加倍。
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