应用指南
Time-to-Digital-Converter
时间数字转换器TDC-GP21的
超声波热量表应用
2011年10月19日
版本-No.: AN029_cn V1.1
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
时间数字转换器
2
TDC-GP21
概述
在2010年9月，acam公司发布了时间数字转换器最新一代产品TDC-GP21。这颗芯片集成了非常强
大的时用于超声波流量热量计量所需的功能，使设计者可以非常方便实现对于ps级别的时间测量
开发。
尤其芯片内部所集成的斩波稳定比较器和模拟开关，大大的简化了超声波热量表的硬件设计，使
整个设计的外部元器件降到最低。
这个应用指南作为TDC-GP21的一个额外的功能描述文档，主要介绍了TDC-GP21在超声波热量表应
用中的一些特殊设计和功能。它提供了额外的一些参考信息帮助降低开发的时间，而且可以避免
一些错误的电路设计，错误的元器件使用，以及错误的寄存器配置。另外，它还包含了PCB的布
线指导，以及完整的演示版电路，避免了电路故障以及其它一些设计问题。最终，应用指南包含
了一个样例代码，实现典型的芯片超声波测量功能。
请注意，这些所提供的信息是准确和可靠的。尽管如此，acam公司并不承担所提供信息准确性的
责任，也不回承担由于任何第三方或者其它专利所引起的责任。acam公司将不会对这里所提供的
信息做任何担保。
Author: Klaus Weser
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 3
目录
TDC-GP21
1 介绍 ............................................... 4
1.1 流量测量 ......................................................................5
1.2 温度差测量 ....................................................................7
2 电路描述 ........................................... 8
2.1 电源设计考虑 ..................................................................8
2.2 外部时钟源 ....................................................................9
2.2.1 32,768 Hz石英晶振 ......................................................9
2.2.2 4 MHz 高速振荡 ..........................................................9
2.2.3 外部单片机的时钟选项 ...................................................10
2.3 发送/ 接收电路 ...............................................................10
2.3.1 Stop 通道的时间窗口设置 ...............................................12
3 GP21演示板的Layout & 原理图 ....................... 14
3.1 原理图 .......................................................................14
3.2 Layout布线 ..................................................................15
3.2.1 顶层 ...................................................................15
3.2.2 底层 ...................................................................16
3.2.3 元件放置 ...............................................................16
4 样例配置 .......................................... 17
5 编写样例 ......................................... 19
6 例程代码 .......................................... 23
7 文献指导 .......................................... 34
8 修订历史 .......................................... 34
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
4
TDC-GP21
时间数字转换器
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
4
1 介绍
这个应用指南描述了基于acam公司的时间数字转换器TDC-GP21测量前端的超声波热量表时间测量
方面的应用。GP21作为一个前端测量电路提供了对于流量以及温度的完全自动测量。而热量的计
算则依靠在上游和下游温差以及流体流量通过单片机计算而出。
图 1.1: GP21 热量表前端测量电路
设计的目标:
最少外部元件，非常紧凑和节省成本的硬件设计
功耗非常低 (一次测量循环包括模拟部分，换能器以及温度传感器在内最低功耗仅为 2 µA)
高精度的飞行时间测量能力可以允许测量管径以及基表的设计设计非常紧凑
高精度的温度测量
开源的系统结构允许了非常灵活的设计，通过外部单片机进行控制而且允许紧凑的模块化设计
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 5
TDC-GP21
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 5
1.1 流量测量
超声波流量测量是基于超声波上下游非常时间的。两个超声波换能器将会连接到GP21的两个端
口。这个两个换能器可以作为接受或者发射端.
图 1.2 基于时间间隔测量的超声波流量测量原理
GP21 可以交替发射出两路驱动换能器的1Mhz脉冲(例如20 个脉冲)，然后测量这个脉冲经由液体
的媒介从换能器a到b的飞行时间，然后反向测量从b到a。 在顺流当中超声波的飞行时间要比在逆
流当中超声波的飞行时间短.
那么如下公式所示，流体的流动速度为v, 而测量管段的路径为 L，在液体当中的声速为C0, 那
么超声波将会有上有传播时间tup， 以及下游传播时间tdown:
[1]
[2]
- 1
- 2
前往页