基于TDC-GP21的完美超声波热量表设计

引言

我国北方的供热改革自2009年迈出了第一步以来，现在已经真正走上了正轨，预计在未来的几年当中，北方各地也将会加快对于供热计量方面的改革力度，按热量计价收费将会成为今后北方供热供暖方面的一个重点工作。超声波热量表由于其测量方式无接触部件，低压降和低能量消耗而且测量高精度，正在逐渐取代机械式的热量表，成为北方供热供暖热计量方案的首选。德国acam公司的第一代产品TDC-GP2，已经得到市场的充分认可，因为其集成度高，测量性能好功耗低的优势。而今，acam公司进一步推出了针对超声波热量表的高集成度TDC-GP21，在性能质量，功耗及其他各个方面将全面超越TDC-GP2，将会取代第一代而成为超声波热量表的首选。

1 TDC-GP21的简介

在2010年的11月底，德国acam公司在原有的基础上，又专门针对超声波热量表的一些特性，进行了更深入的研究和改进，最终推出了新一代针对超声波热量表所设计的的芯片TDC-GP21。这颗芯片采用QFN32管脚的封装形式，除了具备了TDC-GP2的功能以外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，比如模拟开关
开关

开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。

以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器
比较器
　　比较器是一种得到广泛使用的电路元件。实际上也是增益非常高的运算放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。以至于无法稳定在中间放大区，再不跳到低电平，再不跳到高电平。 [全文]

，以及内部集成了温度测量所需施密特触发器，使超声波热量表的设计开发非常简单，大大降低材料和人工成本，并且将测量质量和功耗提升到了一个前所未有的等级，实现了更高集成度，更低功耗，更高精度的超声波热量表方案。TDC-GP21所能够实现的性能，是TDC-GP2所无法达到的。

1.1 TDC-GP21内部结构图

　　上图中绿色部分，为专门针对热量表所集成的单元。

模拟控制部分将信号的发射接收的处理变得前所未有的简单，模拟信号和整个流程控制直接由这个部分来处理和自动操作，而且斩波稳定比较器可以保证测量的质量；

温度部分集成了施密特触发器，直接接上温度传感器
传感器

凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

和参考电阻
电阻
　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

就可以进行高精度的测量，测量的性能远远超过热量表所需的要求；

7x32的eeprom单元可以让客户存储整表的一些ID信息以及配置寄存器的信息。

1.2 管脚信号输出功能

除了上图中的额外增加的模块外，acam公司还针对超声波热量表的特性在GP21内部进行了一些超声波必要信号在其管脚Fire_in和En_start的输出，这些输出信号，可以帮助客户深入分析了解超声波信号以及GP21的一些特性。下面是一些示波器
示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 示波器

的截图。

　　除了以上输出的信号外，还可以在EN_start管脚输出4k的晶振
晶振

晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。 [全文]

时钟，在Fire_In管脚上输出32k的低功耗晶振时钟，那么所输出的具体信号是由寄存器配置所决定，详细设置请参考TDC-GP21的用户手册。通过这些信号的输出，可以帮助客户详细的分析了解TDC-GP21的超声波测量特性，帮助客户在超声波热量