TDC-GP2高精度低功耗芯片在熱表中的應用—新的超聲波熱表解決方案
TDC-GP2新的超聲波熱表解決方案
1. 概述
超聲波用于氣體和液體的流速測量有許多優點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。近年來，由于電子技術的發展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量/熱量計也開始普及起來。本文著重介紹了由德國ACAM公司設計生產的高精度時間測量芯片TDC-GP2 在超聲波時差法流量/熱量測量系統設計中所具備的重要功能，以及其在超聲波時差測量上非常顯著的優勢。
2. 超聲波熱表測量原理
超聲波熱量表（Ultrasonic Heat meter）是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法，如圖1 所示。
流體速度 V 流體速度 V流體方向流體方向T下游T上游θLD
順流換能器逆流換能器
圖1：超聲波時差法原理示意圖
在圖1 中我們看到有兩個換能器，順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流時間為T 上游,逆流時間為T 下游,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ，流體的流動速度為V。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L 長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表
示：
T 上游＝C V *cosθToffset L++T
下游＝C V *cosθToffset L−+
*其中C 為聲音在水中傳播的速度。
那么順流時間和逆流時間的時間差為：
ΔT = T 上游- T 下游＝*cosθ C V *cosθLC VL−−+＝θθ2 2 cos22 cosC VVL−
為了簡化計算，我們可以假設流體的速度相對于聲波在流體中傳播的速度是非常微小的，那么我們
可以將上式簡化為：
ΔT ≈ 22 cosCVL θ
從而我們得到流體的速度與傳播時間差的一個線性公式為:
2 cosθ2LV C T Δ=
需要特別強調的一點是V 是流體沿著管道中心線的線速度，考慮到液體流速沿管道直徑的不均勻分
布情況，我們還需要加一個流速（分布）修正系數K。那么瞬時流量的公式為：
Q = K *D *V4*π 2
求得瞬時流量后，那么在超聲熱量表中，熱量的積分計算采用歐洲流行的K 系數法:設測得進水管的水溫為T1，出水管水溫為T2，則進出水的溫度差為△T，利用流量傳感器對供水管道的瞬時熱水流量 Q 進行計量，經過一定時間的累計，便得到用戶消耗的熱量值，其數學表達式為：
式中，E 為熱交換系統輸出熱量，單位J;t 為流量累積時間，單位h; K 為熱焙修正系數，單位J/ m3;
Q 為瞬時熱水流量， 單位m3/h; △T 為進出水的溫度差，單位℃。
這樣我們就可以通過超聲波傳播的時間差先求出瞬時流量，進而獲得消耗的熱量了 。
在測量流體流量的過程中，有一些因素對于測量精度有很大影響，因此這些問題需要引起注意：
1． 加工精度及溫度變化對機械尺寸的影響。聲路角 、管道直徑D、聲程L 等機械參數的加工精度、溫度穩定性對流量的測量有直接的影響。在測量過程中，它們會隨著溫度的變化而變化。這種誤差可以通過精密加工，合理選材以及合理的結構設計使影響減到最小。
2． 溫度變化對流速的影響。超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高，因而會給測量帶來誤差。流體溫度變化對精度的影響可以采用溫度補償方法通過測量流體的溫度和溫度補償數學模型的計算實現自動補償。
3． 流體中介質以及添加劑對超聲波傳播速度的影響。因為超聲波在不同介質中的傳播速度是不同的，微量添加劑例如某些溶解鹽的含量都會對聲波速度造成影響，因此在設計超聲波流量計時，要對于流體的成分有比較正確的分析。
4． 電子元器件的性能，精度，穩定情況以及電路板的布線等等對于測量結果也是有重大影響的，因此在設計流量測量時要考慮這些情況的影響。
3. TDC-GP2 在超聲波熱表中的優勢
TDC-GP2 是德國ACAM 公司TDC 系列的新一代產品。它具有超高的精度和小尺寸的封裝，尤其適合于低成本的工業應用領域。TDC-GP2 具有高精度時間測量，高速脈沖發生器，接收信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用。這款芯片利用現代化的純數字化CMOS 技術，將時間間隔的測量量化到65ps 的精度，給超聲波流量計的時差測量提供了完美的解決方案。
3.1 什么是TDC?
在介紹 TDC-GP2 的優點之前,首先讓我們來看看到底什么是TDC。TDC 即時間數字轉換器，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。
coarse
counter
dynamic value m emory
Start
Stop
data post processing
High-speed unit
用另一句話來講，就是說它計算了在一定的時間間隔內有多少個反向器被通過，在被測時間間隔內信號通過了多少個反向器。上圖說明了這種TDC 的操作原理。非常智慧的電路設計， 擔保器件和在芯片上的特殊的布線方法使精確而相等的邏輯門時間延遲成為了現實。測量結果的精度非常嚴格的依賴于芯片內部的基礎邏輯門的延遲時間。 測量精度從40 皮秒到100 皮秒可以通過簡單的測量內核以及現代化的CMOS 技術輕松達到。傳播延遲本身是與溫度和供電電壓有關的。因此測量值必須要校準。校準是通過測量一個和兩個參考時鐘的周期完成的。
3.2 TDC-GP2 的時差測量精度
上面介紹了什么TDC,接下來讓我們來了解一下TDC-GP2 這款芯片。下圖為TDC-GP2 芯片內部原理圖 ：
Fire1
Fire2
Fire-pulse
Generator
Stop2
Stop1
Start
EN_Start
EN_Stop2
EN_Stop1 TDC
ALU
Time_Val1
Time_Val4
Time_Val3
Time_Val2 28
28
28
28
4-Wire SPI-Interface
SCK
SI
SSN
SO
INTN
Config Register
ControlUnit
Clock Control
incl. Clock-Cal.
Temperature
Unit
PT1
PT4
PT3
PT2
SenseT
LoadT
to all units
TStart
TStop
4 MHz Ceramic
Resonator
32.768 kHz
Oszillator
TDC-GP2
RSTN
to all units
Stop Enable
Generator
Fire_In
從上圖可可以看到GP2 內部集成了非常多的適用于超聲波流量/熱量測量的功能，那么我們首先從測量精度來了解一下TDC-GP2 的優勢 。
TDC-GP2 的單次時間間隔測量的典型精度為65ps,也就是說內部通過1 個邏輯門的時間被確定在大約65ps。那么假設被測管徑100mm,流量為70 l/min，以及下面的給出的參數：
v = 0.1485 m/s
L = 0.1414 m
C0 = 1500 m/s
Δt ≈ 13.2 ns
以GP2 的65ps 精度測量所獲得的測量精度將可以優于0.5%。TDC-GP2 有非常好的數據統計特性。
它的內部集成了一個噪聲單元，這個噪聲單元的主要目的就是為了在多次采樣取平均值的時候可以最大限度的消除噪聲。由于我們知道，量化誤差通過普通平均的方法是沒有辦法消除的，因為最小的量化階越已經固定，平均只能最高達到最小量化階越的精度。那么通過這個噪聲單元的引入，使平均后的精度能夠甚至低于量化階越的精度成為可能。
通過多次平均測量數據可以使在測量很小流量（例如0.5 l/min）的情況同樣可以得到非常好的精度。
下面的圖給出了TDC-GP2 在不同溫度范圍情況下所測量的精度落點。
這個圖為應用TDC-GP2 開發的實際超聲波流量測量系統所測得，從圖中我們看出，在大流量的情況下，在任何溫度范圍情況下測量的精度都可以保證在1%之內，那么在小流量的情況下，測量精度在2.5%以內。
3.2 TDC-GP2 測量的節能優勢
Fine Count 1 Fine Count 2
Cal1
Cal2
Start
Stop
Ref.
Clock
Runtime
High-speed Unit
Coarse Count
Time = Tref x ClkHSDivx (Cc + (Fc1 - Fc2)/(Cal2 - Cal1)
TDC-GP2 的一個非常大的優勢就是超低的電流消耗。這個優勢要歸功于TDC 的革新的測量方法，因為GP2 將測量以脈沖的形式來進行，而且尤其在超聲波測量中，要用到測量范圍2 的時候，如上圖所示TDC 的核心測量單元并不是時時刻刻都在工作的。它只測量start 信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿和stop 信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿，而中間的時間則由數才考時鐘的周期數來完成，這樣的測量原理使測量時間的功耗降到非常低的水平。在超聲波熱表的設計中，由于應用TDC-GP2 進行設計，大大的降低了系統的功耗，可以使用小號的鋰電池來代替通常使用的大號D 號電池。讓我們下面來具體看一看TDC-GP2 測量系統的各部分功耗：
a. 時間測量
32.768kHz:由微處理器提供，小于0.5 μA。
4 MHz: 低電狀態為 0 μA，激活狀態為 270μA。
TDC:非激活狀態為< 150nA，高速單元激活期間為 15ms, 每秒鐘進行兩次測量（順/逆流），總的電流消耗< 2 μA。
b.溫度測量
進行一次四個端口的完整的測量的電流消耗小于 2.5μAs。 通常是 30 秒測量一次溫度，這樣的話平均電流大約為0.085 μA。這比其他的流量計方案的電流消耗的 1/50 還要小。
c.靜電流
由于目前的(芯片)充分利用了 0.35μm 的制作技術，所以靜電流小于 150nA。
d.整個系統的電流消耗測量單元（包括TDC、模擬電路部分、傳感器）的整個電流主要由模擬電路部分決定，在3-5μA 的范圍之內。 如果采用低功耗的微處理器（如TI 公司的MSP430 系列），則整臺設備的平均電流消耗可以降至10-15μA。 一節 AA 型號的鋰亞硫酰氯電池，可以使整個系統工作十年。采用低成本的 3V CR2450 電池組，也可以使用六年。
3.3 TDC-GP2 的stop 通道脈沖窗口使能功能
TDC-GP2 內部有一個非常適合超聲波流量測量的stop 通道窗口使能功能，如下圖所示：
TDC-GP2 在測量范圍2 的情況下stop 通道最多可以接受3 個脈沖，芯片內部可以通過設置寄存器
2，3，4 的DELVALX 的相關位來分別給這3 個脈沖加上一個使能窗口。這個窗口的作用就是當在預期時間以外的干擾脈沖到達芯片通道的時候，芯片將不會把干擾波作為傳感器的回波來進行測量，這樣對于回波的零點確定提供了非常大的幫助，在設計接受回波電路部分的時候，大大簡化了接收電路的處理過程。寄存器中的DELVALX 的格式為14 位整數部分，5 位小數部分，最小可以設置的延遲時間為：
最小延遲=DELVALX * Tref * ClkHSDiv，其中Tref 為參考時鐘周期，ClkHSDiv 內部設置的分頻因數。這個屏蔽窗口的精度可以達到10ns。
3.4 TDC-GP2 的脈沖產生器
GP2 內部集成了一個可以發送驅動超聲波換能器的脈沖發生器。通過寄存器的設置對這個脈沖發生器產生脈沖的頻率，以及相位進行設置。最多可以產生15 個脈沖。 脈沖發生器有兩個輸出口，fire1和fire2,這兩個輸出口分別具有48mA 的驅動能力，如果并行使用可以將驅動能力增加到96mA。對于小管徑的流量測量來說，無需前端放大電路，可以直接用fire 輸出脈沖驅動超聲波換能器。這個脈沖發生器的內部結構圖如下所示:
1
n
CLKHS
Pulse-Generator
CLKHS_DIV
1
0.5
frequency
doubling
1
m
FIRE#
ffireclk2 ffireclk1 Phaseshift
Fire-
Generator
DIS_PHASESHIFT
Fire1
Fire2
PHASE_FIRE
CONF_FIRE
3
16
時鐘頻率先通過一個分頻器，然后輸入內部脈沖發生器觸發單元。在內部脈沖發生器單元中對分頻后的時鐘信號先進行倍頻，然后調整相位，在對信號進行分頻，最終將信號輸出到芯片的fire1 和fire2 管腳。通過這個脈沖產生單元即可直接產生驅動換能器的頻率信號。
3.5 TDC-GP2 的溫度測量單元
在TDC-GP2 的內部集成了一個專門用來測量溫度的模塊，如下圖所示：
TDC-GP2
PT1
PT2
PT3
PT4
33nF 74HC1G14
Rrefup
Rrefdown
2 x PT500 / PT1000
LoadT SenseT
θdown θup
GP2 內部有4 個溫度測量端口，可以最多測量2 對傳感器和參考電阻，也就是說在超聲波熱表的設計時，可以分別測量冷水和熱水的溫度。這個溫度測量單元測量的精度可以達到16 位有效精度，相當于0.004°C 。實際上這個溫度測量單元的原理是通過測量溫度電阻傳感器對參考電容的放電時間變化實現的，原理同樣為時間測量，測量所需的傳感器是PT500 以上電阻。在這里還要提一句的是進行一次完整的溫度測量（2 個傳感器，2 個基準），包括所有的計算在內，其功耗小于 2.5μAs。
如果每30 秒鐘進行一次的溫度測量（熱量計的典型測量時間），平均電流消耗只有0.08μA。
3.6 測量超聲波流量的典型原理圖
邏輯單元
發射
順流
逆流
接收
監測器
STOP STOP
上游時間
下游時間
相減
數據處理流量
換能器2 換能器1
上圖顯示了一個典型的信號處理的概念原理圖。為了能夠盡可能的保持零點流量時的時間延遲統一性，系統的接受和發射電路部分應該盡量保持絕對一致的關系。在換能器附近放置一個選擇開關來選擇換能器以保持電路相同，將會對測量非常有幫助。
4. 應用TDC-GP2 的超聲波熱表設計方案
下圖為應用TDC-GP2 設計的超聲波熱表的簡單原理圖。
整個超聲波測量系統通過單片機控制以及一些簡單電路，就可以實現對于流量以及熱量的測量，其中核心的時差測量以及溫度測量都是由TDC-GP2 這個僅5mm見方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大優勢外，TDC-GP2 的高集成度使整個熱表的電路設計簡單緊密。
5. 結束語
采用TDC-GP2 設計的超聲波熱表系統在提高測量精度的同時大大降低了功耗，是超聲波流量計和超聲波熱表的最佳選擇。應用此芯片開發的系統具有設計簡單，測量精度高，成本低廉，使用方便的優點。已有廠商使用此芯片成功地進行了超聲波熱表的研發。實際應用結果表明，TDC-GP2 為超聲波流量計及超聲波熱表的性能提供了保障。
TDC-GP2新的超聲波熱表解決方案
1. 概述
超聲波用于氣體和液體的流速測量有許多優點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。近年來，由于電子技術的發展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量/熱量計也開始普及起來。本文著重介紹了由德國ACAM公司設計生產的高精度時間測量芯片TDC-GP2 在超聲波時差法流量/熱量測量系統設計中所具備的重要功能，以及其在超聲波時差測量上非常顯著的優勢。
2. 超聲波熱表測量原理
超聲波熱量表（Ultrasonic Heat meter）是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法，如圖1 所示。
流體速度 V 流體速度 V流體方向流體方向T下游T上游θLD
順流換能器逆流換能器
圖1：超聲波時差法原理示意圖
在圖1 中我們看到有兩個換能器，順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流時間為T 上游,逆流時間為T 下游,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ，流體的流動速度為V。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L 長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表
示：
T 上游＝C V *cosθToffset L++T
下游＝C V *cosθToffset L−+
*其中C 為聲音在水中傳播的速度。
那么順流時間和逆流時間的時間差為：
ΔT = T 上游- T 下游＝*cosθ C V *cosθLC VL−−+＝θθ2 2 cos22 cosC VVL−
為了簡化計算，我們可以假設流體的速度相對于聲波在流體中傳播的速度是非常微小的，那么我們
可以將上式簡化為：
ΔT ≈ 22 cosCVL θ
從而我們得到流體的速度與傳播時間差的一個線性公式為:
2 cosθ2LV C T Δ=
需要特別強調的一點是V 是流體沿著管道中心線的線速度，考慮到液體流速沿管道直徑的不均勻分
布情況，我們還需要加一個流速（分布）修正系數K。那么瞬時流量的公式為：
Q = K *D *V4*π 2
求得瞬時流量后，那么在超聲熱量表中，熱量的積分計算采用歐洲流行的K 系數法:設測得進水管的水溫為T1，出水管水溫為T2，則進出水的溫度差為△T，利用流量傳感器對供水管道的瞬時熱水流量 Q 進行計量，經過一定時間的累計，便得到用戶消耗的熱量值，其數學表達式為：
式中，E 為熱交換系統輸出熱量，單位J;t 為流量累積時間，單位h; K 為熱焙修正系數，單位J/ m3;
Q 為瞬時熱水流量， 單位m3/h; △T 為進出水的溫度差，單位℃。
這樣我們就可以通過超聲波傳播的時間差先求出瞬時流量，進而獲得消耗的熱量了 。
在測量流體流量的過程中，有一些因素對于測量精度有很大影響，因此這些問題需要引起注意：
1． 加工精度及溫度變化對機械尺寸的影響。聲路角 、管道直徑D、聲程L 等機械參數的加工精度、溫度穩定性對流量的測量有直接的影響。在測量過程中，它們會隨著溫度的變化而變化。這種誤差可以通過精密加工，合理選材以及合理的結構設計使影響減到最小。
2． 溫度變化對流速的影響。超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高，因而會給測量帶來誤差。流體溫度變化對精度的影響可以采用溫度補償方法通過測量流體的溫度和溫度補償數學模型的計算實現自動補償。
3． 流體中介質以及添加劑對超聲波傳播速度的影響。因為超聲波在不同介質中的傳播速度是不同的，微量添加劑例如某些溶解鹽的含量都會對聲波速度造成影響，因此在設計超聲波流量計時，要對于流體的成分有比較正確的分析。
4． 電子元器件的性能，精度，穩定情況以及電路板的布線等等對于測量結果也是有重大影響的，因此在設計流量測量時要考慮這些情況的影響。
3. TDC-GP2 在超聲波熱表中的優勢
TDC-GP2 是德國ACAM 公司TDC 系列的新一代產品。它具有超高的精度和小尺寸的封裝，尤其適合于低成本的工業應用領域。TDC-GP2 具有高精度時間測量，高速脈沖發生器，接收信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用。這款芯片利用現代化的純數字化CMOS 技術，將時間間隔的測量量化到65ps 的精度，給超聲波流量計的時差測量提供了完美的解決方案。
3.1 什么是TDC?
在介紹 TDC-GP2 的優點之前,首先讓我們來看看到底什么是TDC。TDC 即時間數字轉換器，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔。
coarse
counter
dynamic value m emory
Start
Stop
data post processing
High-speed unit
用另一句話來講，就是說它計算了在一定的時間間隔內有多少個反向器被通過，在被測時間間隔內信號通過了多少個反向器。上圖說明了這種TDC 的操作原理。非常智慧的電路設計， 擔保器件和在芯片上的特殊的布線方法使精確而相等的邏輯門時間延遲成為了現實。測量結果的精度非常嚴格的依賴于芯片內部的基礎邏輯門的延遲時間。 測量精度從40 皮秒到100 皮秒可以通過簡單的測量內核以及現代化的CMOS 技術輕松達到。傳播延遲本身是與溫度和供電電壓有關的。因此測量值必須要校準。校準是通過測量一個和兩個參考時鐘的周期完成的。
3.2 TDC-GP2 的時差測量精度
上面介紹了什么TDC,接下來讓我們來了解一下TDC-GP2 這款芯片。下圖為TDC-GP2 芯片內部原理圖 ：
Fire1
Fire2
Fire-pulse
Generator
Stop2
Stop1
Start
EN_Start
EN_Stop2
EN_Stop1 TDC
ALU
Time_Val1
Time_Val4
Time_Val3
Time_Val2 28
28
28
28
4-Wire SPI-Interface
SCK
SI
SSN
SO
INTN
Config Register
ControlUnit
Clock Control
incl. Clock-Cal.
Temperature
Unit
PT1
PT4
PT3
PT2
SenseT
LoadT
to all units
TStart
TStop
4 MHz Ceramic
Resonator
32.768 kHz
Oszillator
TDC-GP2
RSTN
to all units
Stop Enable
Generator
Fire_In
從上圖可可以看到GP2 內部集成了非常多的適用于超聲波流量/熱量測量的功能，那么我們首先從測量精度來了解一下TDC-GP2 的優勢 。
TDC-GP2 的單次時間間隔測量的典型精度為65ps,也就是說內部通過1 個邏輯門的時間被確定在大約65ps。那么假設被測管徑100mm,流量為70 l/min，以及下面的給出的參數：
v = 0.1485 m/s
L = 0.1414 m
C0 = 1500 m/s
Δt ≈ 13.2 ns
以GP2 的65ps 精度測量所獲得的測量精度將可以優于0.5%。TDC-GP2 有非常好的數據統計特性。
它的內部集成了一個噪聲單元，這個噪聲單元的主要目的就是為了在多次采樣取平均值的時候可以最大限度的消除噪聲。由于我們知道，量化誤差通過普通平均的方法是沒有辦法消除的，因為最小的量化階越已經固定，平均只能最高達到最小量化階越的精度。那么通過這個噪聲單元的引入，使平均后的精度能夠甚至低于量化階越的精度成為可能。
通過多次平均測量數據可以使在測量很小流量（例如0.5 l/min）的情況同樣可以得到非常好的精度。
下面的圖給出了TDC-GP2 在不同溫度范圍情況下所測量的精度落點。
這個圖為應用TDC-GP2 開發的實際超聲波流量測量系統所測得，從圖中我們看出，在大流量的情況下，在任何溫度范圍情況下測量的精度都可以保證在1%之內，那么在小流量的情況下，測量精度在2.5%以內。
3.2 TDC-GP2 測量的節能優勢
Fine Count 1 Fine Count 2
Cal1
Cal2
Start
Stop
Ref.
Clock
Runtime
High-speed Unit
Coarse Count
Time = Tref x ClkHSDivx (Cc + (Fc1 - Fc2)/(Cal2 - Cal1)
TDC-GP2 的一個非常大的優勢就是超低的電流消耗。這個優勢要歸功于TDC 的革新的測量方法，因為GP2 將測量以脈沖的形式來進行，而且尤其在超聲波測量中，要用到測量范圍2 的時候，如上圖所示TDC 的核心測量單元并不是時時刻刻都在工作的。它只測量start 信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿和stop 信號上升沿到下一個參考時鐘上升沿，而中間的時間則由數才考時鐘的周期數來完成，這樣的測量原理使測量時間的功耗降到非常低的水平。在超聲波熱表的設計中，由于應用TDC-GP2 進行設計，大大的降低了系統的功耗，可以使用小號的鋰電池來代替通常使用的大號D 號電池。讓我們下面來具體看一看TDC-GP2 測量系統的各部分功耗：
a. 時間測量
32.768kHz:由微處理器提供，小于0.5 μA。
4 MHz: 低電狀態為 0 μA，激活狀態為 270μA。
TDC:非激活狀態為< 150nA，高速單元激活期間為 15ms, 每秒鐘進行兩次測量（順/逆流），總的電流消耗< 2 μA。
b.溫度測量
進行一次四個端口的完整的測量的電流消耗小于 2.5μAs。 通常是 30 秒測量一次溫度，這樣的話平均電流大約為0.085 μA。這比其他的流量計方案的電流消耗的 1/50 還要小。
c.靜電流
由于目前的(芯片)充分利用了 0.35μm 的制作技術，所以靜電流小于 150nA。
d.整個系統的電流消耗測量單元（包括TDC、模擬電路部分、傳感器）的整個電流主要由模擬電路部分決定，在3-5μA 的范圍之內。 如果采用低功耗的微處理器（如TI 公司的MSP430 系列），則整臺設備的平均電流消耗可以降至10-15μA。 一節 AA 型號的鋰亞硫酰氯電池，可以使整個系統工作十年。采用低成本的 3V CR2450 電池組，也可以使用六年。
3.3 TDC-GP2 的stop 通道脈沖窗口使能功能
TDC-GP2 內部有一個非常適合超聲波流量測量的stop 通道窗口使能功能，如下圖所示：
TDC-GP2 在測量范圍2 的情況下stop 通道最多可以接受3 個脈沖，芯片內部可以通過設置寄存器
2，3，4 的DELVALX 的相關位來分別給這3 個脈沖加上一個使能窗口。這個窗口的作用就是當在預期時間以外的干擾脈沖到達芯片通道的時候，芯片將不會把干擾波作為傳感器的回波來進行測量，這樣對于回波的零點確定提供了非常大的幫助，在設計接受回波電路部分的時候，大大簡化了接收電路的處理過程。寄存器中的DELVALX 的格式為14 位整數部分，5 位小數部分，最小可以設置的延遲時間為：
最小延遲=DELVALX * Tref * ClkHSDiv，其中Tref 為參考時鐘周期，ClkHSDiv 內部設置的分頻因數。這個屏蔽窗口的精度可以達到10ns。
3.4 TDC-GP2 的脈沖產生器
GP2 內部集成了一個可以發送驅動超聲波換能器的脈沖發生器。通過寄存器的設置對這個脈沖發生器產生脈沖的頻率，以及相位進行設置。最多可以產生15 個脈沖。 脈沖發生器有兩個輸出口，fire1和fire2,這兩個輸出口分別具有48mA 的驅動能力，如果并行使用可以將驅動能力增加到96mA。對于小管徑的流量測量來說，無需前端放大電路，可以直接用fire 輸出脈沖驅動超聲波換能器。這個脈沖發生器的內部結構圖如下所示:
1
n
CLKHS
Pulse-Generator
CLKHS_DIV
1
0.5
frequency
doubling
1
m
FIRE#
ffireclk2 ffireclk1 Phaseshift
Fire-
Generator
DIS_PHASESHIFT
Fire1
Fire2
PHASE_FIRE
CONF_FIRE
3
16
時鐘頻率先通過一個分頻器，然后輸入內部脈沖發生器觸發單元。在內部脈沖發生器單元中對分頻后的時鐘信號先進行倍頻，然后調整相位，在對信號進行分頻，最終將信號輸出到芯片的fire1 和fire2 管腳。通過這個脈沖產生單元即可直接產生驅動換能器的頻率信號。
3.5 TDC-GP2 的溫度測量單元
在TDC-GP2 的內部集成了一個專門用來測量溫度的模塊，如下圖所示：
TDC-GP2
PT1
PT2
PT3
PT4
33nF 74HC1G14
Rrefup
Rrefdown
2 x PT500 / PT1000
LoadT SenseT
θdown θup
GP2 內部有4 個溫度測量端口，可以最多測量2 對傳感器和參考電阻，也就是說在超聲波熱表的設計時，可以分別測量冷水和熱水的溫度。這個溫度測量單元測量的精度可以達到16 位有效精度，相當于0.004°C 。實際上這個溫度測量單元的原理是通過測量溫度電阻傳感器對參考電容的放電時間變化實現的，原理同樣為時間測量，測量所需的傳感器是PT500 以上電阻。在這里還要提一句的是進行一次完整的溫度測量（2 個傳感器，2 個基準），包括所有的計算在內，其功耗小于 2.5μAs。
如果每30 秒鐘進行一次的溫度測量（熱量計的典型測量時間），平均電流消耗只有0.08μA。
3.6 測量超聲波流量的典型原理圖
邏輯單元
發射
順流
逆流
接收
監測器
STOP STOP
上游時間
下游時間
相減
數據處理流量
換能器2 換能器1
上圖顯示了一個典型的信號處理的概念原理圖。為了能夠盡可能的保持零點流量時的時間延遲統一性，系統的接受和發射電路部分應該盡量保持絕對一致的關系。在換能器附近放置一個選擇開關來選擇換能器以保持電路相同，將會對測量非常有幫助。
4. 應用TDC-GP2 的超聲波熱表設計方案
下圖為應用TDC-GP2 設計的超聲波熱表的簡單原理圖。
整個超聲波測量系統通過單片機控制以及一些簡單電路，就可以實現對于流量以及熱量的測量，其中核心的時差測量以及溫度測量都是由TDC-GP2 這個僅5mm見方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大優勢外，TDC-GP2 的高集成度使整個熱表的電路設計簡單緊密。
5. 結束語
采用TDC-GP2 設計的超聲波熱表系統在提高測量精度的同時大大降低了功耗，是超聲波流量計和超聲波熱表的最佳選擇。應用此芯片開發的系統具有設計簡單，測量精度高，成本低廉，使用方便的優點。已有廠商使用此芯片成功地進行了超聲波熱表的研發。實際應用結果表明，TDC-GP2 為超聲波流量計及超聲波熱表的性能提供了保障。
