TDC-GP21在超声波传播时间测量中的应用.pdf

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1、2013钽仪表技术与传感器2013第6期InstrumentTechniqueandSensorNo．6TDC—GP21在超声波传播时间测量中的应用金松日，唐祯安，陈毅(大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连116023)摘要：在超声波应用中，超声波传播时间的测量精度非常关键。提出了基于STM32F103单片机和TDC—GP21芯片的超声波传播时间测量方案和一种提高过零点检测精度的测量原理及高信噪比过零点选择比较电路。系统实现的时间检测精度为10US量级。关键词：超声波；传播时间；测量精度；STM32F103；TDC—GP21中图分类号：TH81文献标识码：

2、A文章编号：1002—1841(2013)06—0098—04ApplicationofTDC-·GP21inMeasurementofUltrasonicTransmissionTimeJINSong—ri，TANGZhen-all，CHENYi(ElectronicScienceandTechnologyInstitute，DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China)Abstract：Themeasurementaccuracyoftransmissiontimeofultrasonicwaveisver

3、yseriousforultrasonicapplications．BasedontheSTM32F103single—chipmicrocomputerandTDC—GP21ultrasonictransmissiontimesurveyscheme，thispaperpresentedazerodetectionprinciplethatisusedtoenhancethetestaccuracy，andazerocomparatorwithhighsignal—to·noiseratio．Therealizedaccuracyofthesystemisa

4、round10as．Keywords：ultrasonic；transmissiontime；measurementaccuracy；STM32F103；TDC—GP210引言nnn通过超声波传播时间测量厚度、距离、流量等应用越来越激励信号广泛，对超声波传播时间测量的精度要求也达到了ns级甚至阙值电压ps级。目前高精度时间测量方法有电子计数法、模拟内插法，接收信号时间线延迟法(TDC)、游标法、幅度一时间转换法(rVc)等⋯。其中，延迟线内插法的时间测量分辨率取决于延迟单元的门延迟，在集成电路中常采用反相器，在现有的工艺条件下门延迟⋯道——厂可以达到l0—10

5、0ps，在工程中应用最广泛J。TDC—GP21芯图1超声波传播时间测量逻辑图片采用延迟线内插法，时间测量分辨率为22ps，同时芯片对超值时的过零点。到首次过零点之间的时间间隔在系统校准声波的激励和接收提供了丰富的附加功能，非常适合于高精度时确定。超声波传播时间测量中的应用。文中将其与单片机结合起来，2超声波传播时间测量方案设计研究了一种高精度的超声波传播时间测量系统。方案采用STM32F103单片机为主控制芯片，TDC—GP211超声波传播时间测量原理高精度计时芯片作为超声波传播时间测量芯片。系统总框图由于超声波换能器与气体之间声阻抗不匹配，且超声波测如图2所

6、示。量常工作在各种噪声环境中，因此接收的超声波信号可能非常微弱，甚至消失。为了减小因噪声引起的误差，以信噪比高的接收信号首次达到峰值时的过零点作为超声波信号到达时刻。图1为超声波传播时间测量逻辑图。图中激励信号的第一个下降沿时刻TDC芯片开始计时，当接收信号达到阈值电压前TDC芯片停止通道电压为高电平，接收信号达到阈值电压后TDC芯片停止通道电压在过零点处发生翻转。当超声波信号大于零时TDC芯片停止通道的电压跳变为低电平，当超声波信号小于零时TDC芯片停止通道的电压跳变为高电平。TDC芯片将记下停止通道的前三个下降图2系统总框图系统通过STM32F103单片机

7、产生超声波激励脉冲，控制模沿到达时刻T1，，。其中时刻即为接收信号首次达到峰拟开关进行收发切换，完成DAC转换和控制TDC—GP21进行基金项目：国家自然科学基金重点项目(61131004)时间测量。比较电路能够从超声波信号中触发单片机中断和收稿日期：2012—07—17收修改稿日期：2013—01—2l100InstrumentTechniqueandSensorJun．2013成，无需发送校准命令。之间插入了大于5．14ms的时间间隔。校准后的高速时钟频率2—8MHz晶振具有0．3％一0．5％的较大误差，并具有温和实际测量时的时钟频率时间上不具有连续性。为

8、了得到接漂，应通过精确的32．768k