MS1022——高精度時間測量(TDC)電路

產(chǎn)品簡述

MS1022是一款高精度時間測量電路，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。同時內(nèi)部增加了第一波檢測功能，使抗干擾能力大

大提高。通過讀取第一個回波脈沖的相對寬度，用戶可以獲

得接收信號的強度提示。通過這個提示，可以判斷超聲波換

能器異常、管壁覆蓋物增多、水中有氣泡等異常情況。通過

命令，可以完成一次超聲波時差（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。

主要特點

測量范圍1：

?雙通道單精度模式90ps

?單通道雙精度模式45ps

?測量范圍3.5ns(0ns)至2.4μs

?20ns最小脈沖間隔，最多可接收4個脈沖

測量范圍2：

?單通道單精度模式90ps

?雙精度模式45ps，四精度模式22ps

?測量范圍500ns至4ms（4M高速時鐘下）

?可測量3個脈沖，并可自動處理3個數(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個或4個溫度傳感器，PT500/PT1000或更高

?內(nèi)部集成施密特觸發(fā)器

?超低功耗（每30秒測量一次時為0.08μA）

應(yīng)用

? 超聲波熱量表、水表

? 激光測距

產(chǎn)品規(guī)格分類

管腳圖

管腳說明

如有需求請聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

內(nèi)部框圖

極限參數(shù)

芯片使用中，任何超過極限參數(shù)的應(yīng)用方式會對器件造成永久的損壞，芯片長時間處于極限工作

狀態(tài)可能會影響器件的可靠性。極限參數(shù)只是由一系列極端測試得出，并不代表芯片可以正常工作在

此極限條件下。

推薦工作條件

超聲波熱量表的典型應(yīng)用

1. 概述

MS1022 非常適合低功耗超聲波熱量表的設(shè)計和應(yīng)用。由于芯片內(nèi)部的功能，包括第一波自動檢

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鐘校準等，僅

需要外部加一個簡單的單片機（無需 AD），就可以進行高精度的測量。

最終的電路可以非常緊湊，尺寸可以做到非常小。下圖表顯示了一個典型的超聲波熱量表應(yīng)用

MS1022 而設(shè)計的整個電路。

紅色方框內(nèi)的部分為所需要的外部元件，整體元件的個數(shù)降到最低:

·在超聲波回波路徑當中，僅在壓電陶瓷換能器連接到一對電阻和電容。

·在溫度測量路徑當中，僅需要額外的 1 個溫度穩(wěn)定電阻以及放電電容。

·振蕩器選擇了 1 個 32.768KHz 石英晶體以及 1 個 4M 的陶瓷晶振。FIRE_IN 管腳可以用于 32.768KHz

晶振的輸出驅(qū)動。因此，單片機不需要一個低功耗的振蕩器。

·對于電源部分，則需要應(yīng)用旁路電容來給 VCC 和 VIO 去耦。分別通過一個小的電阻來進行分離。

總共僅需要 11 個低價的元件來進行所有測量工作。

2. 寄存器的典型配置

如有需求請聯(lián)系——三亞微科技 王子文（16620966594）

3. 測量流程

上電復位：

發(fā)送 SO = ’h50

校準時鐘:

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

現(xiàn)在單片機可以開始進行數(shù)據(jù)處理，然后計算熱量和流量的值。

通過脈沖寬度檢查信號強度:

發(fā)送 SO = ’hB8，讀取 SI = PW1ST

如果 PW1ST < 0.3， 信號太弱， 則發(fā)出報警信號。

錯誤報告

1. TDC-CAL 數(shù)據(jù)讀出錯誤

當 MS1022 沒有開啟到 4 精度模式的時候，讀出的 TDC-CAL 數(shù)值是錯誤的。這個錯誤主要的問題

是輸出到結(jié)果寄存器的值有問題，而內(nèi)部所保存的值是正確的。因此，對于最終的測量結(jié)果沒有影

響。僅在讀取 CAL 校準值的時候存在問題。

在測量范圍 2 中的影響：

對于所有應(yīng)用測量范圍 2 的用戶來說，這個 CAL 僅是一個中間值，并不讀出此中間值。并且強烈

推薦使用 4 精度模式。

在測量范圍 1 中的影響：

對于所有用戶，當應(yīng)用自動校準 TDC 時，對最終測量結(jié)果也沒有任何影響。

僅當用戶在測量范圍 1 的情況下，應(yīng)用非校準的測量結(jié)果，而且通過外部讀出這個 CAL 數(shù)值。而

進行手動的 TDC 校準的情況下，這個 CAL 數(shù)值是不可用的。（超聲波熱量表，水表等應(yīng)用是涉及不到

的）。

解決方法：

針對這個錯誤有不同的的解決方法，其中比較好的方法為：

用戶可以在進行手動校準后，不要直接讀這個校準結(jié)果，只需讓此校準結(jié)果存儲在 TDC 內(nèi)部。當

以后進行測量時，ALU 會自動地使用之前的校準結(jié)果進行計算。這樣的話，對最終的結(jié)果并無影響。

2. 溫度測量中時間溢出的錯誤

為了避免此錯誤，當溫度測量的循環(huán)時間為 512μs 時（寄存器 0 的 16 位 TCYCLE），需要將寄存

器 3 的 27 和 28 位 SEL_TIMO_MB2 設(shè)置為 2ms，否則從 INTN 管腳出來的中斷可能會有錯誤。

同類產(chǎn)品比較

——愛研究芯片的小王

審核編輯 黃宇