（电路与系统专业论文）超声波流量计专用芯片的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 超声波流量计是2 0 世纪7 0 年代随着i c 技术迅速发展而得到广泛应用的一种非接触 式仪表。目前超声波流量计设计方案大致可以分为采用大量分立器件与采用专用测量集 成电路两类。采用分立器件方案，元件数量众多，调试复杂，可靠性低。目前市场上专 用测量集成电路很少，基本上依靠国外进口，价格昂贵。因此设计一款专用芯片不仅可 以实现流量计的集成化，还可以降低流量计的成本，具有重要的意义。 论文根据时差法超声波流量计的测量原理，设计了一款超声波流量计专用芯片。该 芯片包括超声波探头驱动电路、测时控制电路、测温控制电路、s t o p 信号转换电路等 模块。测时控制电路利用时间一幅度转换法，采用组合逻辑电路、触发器、锁存器、开 关电路等控制电容充放电，将超声波传播时间转化为电容的充电电压，满足超声波流量 计对时间精确测量的关键要求；测温控制电路利用温度传感器、精密电阻分别与测温电 容组成不同的放电回路，通过测量电容不同的放电时间，来得到温度传感器的电阻值， 从而得到流体的温度；驱动电路与s t o p 信号转换电路是根据换能器的发射接收原理设 计的分频、选择、比较电路。 在系统级和电路级的分析和设计中，论文使用h s p i c e 工具对主要模块和整个系统进 行了仿真，使设计最终满足要求。版图设计完成后，使用d r a c u l a 软件对版图进行设计 规则与电气规则的检查，完成了各项设计验证。 该专用芯片采用无锡上华的0 5 比m ，n 阱d p t m 的标准c m o s 工艺进行了代工制 造。芯片的测试结果表明，设计的测时功能和其它辅助功能都已经实现，具有较好的测 量精度。论文也对芯片性能的差距及其原因进行了分析。 关键词：专用芯片；超声波流量计；时差法 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fa l la s i cf o ru l t r a s o n i cf l o w m e t e r a b s tr a c t s i n c et h e1 9 7 0 s ，t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rh a sb e e nw i d e l yu s e da san o n c o n t a c t e d i n s t r u m e n tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi ct e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w ow a y st o d e s i g nu l t r a s o n i cf l o w r n e t e r , o n eo fw h i c hi sr e a l i z e dw i t hal a r g en u m b e ro fd i s c r e t ed e v i c e s ， a n dt h eo t h e ri sb a s e do nam e a s u r i n ga s i c t h ef l r s tp l a nh a sm a n yc o m p o n e n t s ，c o m p l e x d e b u g g i n ga n dl o wr e l i a b i l i t y t h ek i n d so fa s i cf o rm e a s u r e m e n ta r ef e wa n dm o s t l y d e p e n do ni m p o r t so nah i 【g hp r i c e t h e r e f o r e ，t od e s i g na na s i cf o ru l t r a s o n i cf l o w m e t e rn o t o n l yc o u l dr e a l i z et h ei n t e g r a t i o no ff l o w m e t e r , b u ta l s oc o u l dr e d u c et h ec o s t ，w h i c hi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h et h e s i s ，a l la s i cf o ru l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft i m e d i f f e r e n c e t h ec h i pc o m p r i s e su l t r a s o n i cs e n s o rd r i v e rc i r c u i t ，t i m em e a s u r e m e n tc o n t r o l ， t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc o n t r o l ，s t o ps i g n a l c o n v e r s i o ns u c ha sm o d u l e sd e s i g n a c c o r d i n gt ot h em e t h o do ft i m e - r a n g et r a n s f o r m ，t h el o g i cc k c u i t s ，t r i g g e r s ，f l i p l a t c h e sa n d s w i t c h e sa r eu s e dt oc o n t r o lt h ec a p a c i t o r st oc h a r g ei nt h et i m em e a s u r e m e n tc o n t r o lm o d u l e t h ed e s i g nt r a n s f o r m st h et i m eo fu l t r a s o n i cp r o p a g a t i o ni n t 0t h ec a p a c i t o r s v o l t a g et o a c h i e v eap r e c i s et i m em e a s u r e m e n tf o ru l t r a s o n i cf l o w m e t e r t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t c o n t r o lm o d u l eu s e sat e m p e r a t u r es e n s o ra n dap r e c i s er e s i s t o rt o c o m p o s ed i f f e r e n t d i s c h a r g e dl o o pw i t has a m ec a p a c i t o r t h r o u g hm e a s u r i n gt h ed i f f e r e n tt i m eo fd i s c h a r g e ，i t g e t st h ev a l u eo ft h es e n s o r sr e s i s t o ra n dt h e ng e t st h ef l u i d st e m p e r a t u r e t h ed r i v em o d u l e a n ds t o ps i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l ea r es u b 一仃e q u e n c y ，s e l e c ta n dc o m p a r i s o nc i r c u i tb a s e d o nt h et r a n s d u c e r sl a u n c ha n dr e c e p t i o np r i n c i p l e s a tt h es y s t e ml e v e la n dc i r c u i tl e v e la n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h ee n t i r es y s t e mi ss i m u l a t e dt o m e e tt h er e q u i r e m e n t sb yu s i n gt h eh s p i c et 0 0 1 a f t e rt h ec o m p l e t i o no fl a y o u td e s i g n ， d r a c u l as o f t w a r et o o li su s e dt od ot h ed e s i g nr u l e sa n de l e c t r i c a lr u l e sc h e c k ，d u r i n gw h i c h e v e r yd e s i g nv a l i d a t i o nh a sb e e nf i n i s h e d t h ea s i ci sm a d ei nt h ep r o c e s so fc s m c0 5 p m ，n - w e l ld p t l v is t a n d a r dc m o s f i n a l t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef u n c t i o no ft i m em e a s u r e m e n ta n do t h e ra s s i s t a n tf u n c t i o na r e r e a l i z e da n dc a nr e a c hac e r t a i np r e c i s i o n t h et h e s i sa n a l y z e st h es h o r t a g eo ft h ec h i pa n di t s r e a s o ni sg i v e ni nt h ee n d k e yw o r d s ：a s i c ；u l t r a s o n i cf l o w m e t e r ；t i m ed i f f e r e n c em e t h o d i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：玺垄i 亟! 堑墨世圭l 翠墨! 刍缅盔型l 作者群：剃辱卜 日期：越年止月互日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1超声波流量计的发展历史 超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息 来测量流体流量的。1 9 2 8 年，德国人吕特根( r u t r g e n ) 就在一篇获得专利的文章中提 出了用两个声信号的时差法测量流速的可能性。但为了使超声波流量计有一定的精度， 时差法超声波流量计要求对时间的测量精度至少有1 0 1 s ，这在当时是很难做到的。5 0 年代初，美国科技工作者首先提出“鸣环 测量法，所谓“鸣环 测量法就是通过多次 循环将时差扩大后再进行测量。这种测量方法使时间测量精度大大提高，弥补了电子技 术的不足，为超声波流量计进入实用走出了关键一步。1 9 5 5 年，世界上第一台超声波流 量计在美国诞生，它使用的技术就是“鸣环 时差法，用于航空燃料油流量的测量【1 1 。 但由于“鸣环 法是多次循环测量，测量周期长，系统的反应时间慢，而且在循环中任 何一个干扰信号或信号中断都有可能使循环中断，造成此次测量无效，因此系统的稳定 可靠性差，再加上此法没有消除声速对测量精度的影响，测量精度得不到保证，因而“鸣 环 时差法超声波流量计并没有进入实用测量领域。 7 0 年代中后期，由于大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件 轻而易举的事，再加上高性能和稳定的p l l ( 锁相环路) 技术的应用，使得超声波流量计 的稳定可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频 差法，其测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响，。因而 这种方法成为测量大管径大流量超声波流量计的主要方案，其缺点是测量小管径小流量 时精度得不到保证。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大 量深入细致的研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流状态和紊流状态，并给出 了层流状态与紊流状态下流速分布规律的论解，提出了流量修正系数及其理想状态下的 理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超 声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来。 8 0 年代初期，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法和频差法，由于电子 技术及其相关理论的飞速发展，超声波流量计的种类越来越多，又出现了射束位移法、 多普勒法、相关法及噪声法等。到了8 0 年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量 计向高性能、智能化方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行 复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能设计出 友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大 超声波流量计专用芯片的研制 大方便了用户的操作和使用。单片机在超声波流量计中的应用，使超声波流量计开始真 正进入工业测量领域。 超声波流量计按照信号的检测原理可以分为传播速度差法、多普勒法、相关法、波 束偏移法和噪声法。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散 射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量； 波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流 体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大；相关法是利用相关技术测量流量，原理 上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，所以测量 准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂，在微处理器普及应用后，这 个缺点可以克服；噪声法是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原 理，通过检测噪声来表示流速或流量值，其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。目 前应用最多的是传播速度差法和多普勒法。按照测量的具体参数不同，传播速度差法又 分为时差法、相位差法和频率差法，时差法最为普遍。 时差法超声波流量计一般的设计方案分为两类：一种是采用大量分立器件，另一种 是采用专用测量集成电路。采用分立器件方案，元件数量众多，技术难度高，调试复杂， 工艺要求高，可靠性低：采用专用测量集成电路方案，需要外接信号处理电路，才能够 测量超声波信号的飞行时间，外接的信号处理电路设计和数据处理需要很高的技巧性， 而且目前市场上可供选择的产品很少。利用专用集成电路代替分立器件是超声波流量计 提高测量精度的必然趋势，但目前国内没有厂家生产此类集成电路，即使在国际上目前 市场上能够见到的专用测量集成电路也寥寥可数。超声波测量电路单片集成化，是未来 的趋势，能够大大降低超声波流量计的技术难度，提高可靠程度，也会大大降低成本。 1 。2 本文的主要工作和论文结构 时差法流量计最重要的就是精确测量顺流传播和逆流传播的超声波信号的飞行时 间。本论文研制的集成电路能够直接外接超声波换能器精确测量顺流传播和逆流传播的 超声波信号的飞行时间，该集成电路加上微控制器和少量阻容元件，就能构成超声波流 量计的基本电路系统。还可以外接热敏电阻测量流体的温度，对超声波流量计的流速、 流量测量进行修正，也可用于超声波热量表的温度测量。另外还设计了换能器驱动电路、 s t o p 信号转换电路等。 本文主要由以下几个部分构成： 第一章：绪论。介绍超声波流量计的发展历史。 第二章：时差法超声波流量计的原理与分析。介绍时差法的原理和方法。 大连理工大学硕士学位论文 第三章：芯片电路设计。给出各个电路模块的原理，并用电路图加以分析，然后用 e d a 软件完成的仿真结果做进一步分析。 第四章：版图设计与芯片测试分析。首先介绍c m o s 集成电路工艺的一些常识， 然后介绍版图设计的工具以及本文的部分版图设计，最后介绍芯片的测试结果和分析。 第五章：结束语。总结本文所做的工作。 1 3 本文设计的工作环境 ( 1 ) 硬件环境：s u n 工作站。 ( 2 ) 软件环境：s o l a r i s 操作系统，c a d e n c e 软件。 ( 3 ) 开发工具：电路编辑工具c o m p o s e r ，仿真软件h s p i c 宅，版图绘制工具v i r t u o s o ， 验证工具d r a c u l a 。 ( 4 ) 流片工艺：无锡上华半导体( c s m c ) 公司多晶圆项目0 5 比md p t mc m o s 工 艺。 超声波流量计专用芯片的研制 2时差法超声波流量计的原理与分析 最早的超声波流量计就是采用的直接时差法。随着电子技术与集成电路的发展，时 差法也不断改进与发展，依然在超声波流量计测量领域被广泛的应用。 2 1时差法流量计的测量原理 时差法超声波流量计，是利用超声波在横向穿过流动的液体时，在其顺流和逆流介 质中，其超声波的速度有差异而形成传播的时间差【2 1 。根据时间差测得流体的流量，其 原理如图2 1 所示。 图2 1 时差法超声波流量计测量原理图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo ft r a n s i tt i m eu l t r a s o n i cf l o wm e t e r a 、b 为一对超声波传感器( 也称为超声波换能器或超声波探头) ，斜向安装在管 道两侧。顺流和逆流的传播时间和t b a 分别为： 1 仰石而 ，l s i n 0 j 删2 c - v c o s o 式中l 为管道直径，0 为超声波传播方向与流体流向的夹角， 的传播速度，v 为流体流速。顺流与逆流传播的时间差为： 丁= 毛一= 面移2 l j v c o 瓦s o 而 ( 2 1 ) ( 2 2 ) c 为超声波在流体中 ( 2 3 ) 由于流体的流速v 远远小于声速c ，因此v 2 c o s 20 相对于c 2 这一项可略去，故时 差法的流速公式可以改写为： 大连理工大学硕士学位论文 y ；c z t a n o r ( 2 4 ) 2 l 、 测得顺流和逆流的传播时间后，可计算出流体流速v 和流量q ： 。r 2 q = 七等v( 2 5 ) 斗 式中l 、0 、p 均为常数，k 为流量修正系数( 根据流体力学，当雷诺数r e 在某 一范围内时，k 为定值，其大小在标定过程中确定) 。 由上式可知，流体的流速可以通过测量超声波在流体中的逆向传输与顺向传输的时 间差来间接测得，流体的流量的测量就转换为时间的测量。要提高超声波流量计的测量 精度，就需要实现高精度的时间测量。 另外，超声波流量计还涉及到流体温度的测量。这是因为超声波在不同介质中声速 差异很大，即使同一介质，其声速也随温度、压力、粘度、湿度或成分的变化而变化。 其中温度的影响最大。空气中，常温下超声波的传播速度约为3 4 0 m s ，空气温度每升高 i c ，声速变化约为0 6 m s 3 1 。在精确测量中这种因环境的影响而产生的偏差是不容忽 视的，因此要想实现高精度测量，必须消除外界环境的影响所造成的误差。 利用温度补偿法进行声速校正己趋于成熟，在超声波流量计中应用较为广泛。温度 补偿法校正声速是利用温度传感器测得流体温度，再计算出该温度下的超声波声速，达 到声速校正的目的。温度与声速的关系可由式表示： 厂_ r 1 1 + 南 ( 2 石) 其中：v 。表示0 时超声波声速，v o ：3 3 1 4 5 m s ；t 表示温度，单位。 超声波流量计的一个重要应用就是超声波热量表。在热交换系统中安装热量表，当 热水流经系统时，根据热量表测得的流量和供、回水温度，以及热水流经的时间，通过 公式2 7 可以计算该系统所释放的热量。 q = c ，k a t d v( 2 7 ) 式中q 为释放热量，k 为热系数，缸为进出水温度差，v 为热量表测量的流经热交换系 统的水的体积。 超声波流量计的温度补偿与超声波热量表都涉及到流体温度的测量。精确的测量温 度对于提高超声波流量计的精度，也非常重要。 超声波流量计专用芯片的研制 2 2 时差法的时间间隔测量方法 随着半导体行业的迅速发展和i c 技术的成熟，使时差法超声波流量计可以实现高 精度的测量。超声波流量计要达到高精度，就要求对超声波的传播时间间隔进行精确测 量，下面介绍时1 日7 i 0 7 隔测量方法【4 1 。 2 2 1 直接计数法 直接计数法是一种成熟的时间间隔测量方法嘲，测量原理如图2 2 所示。检测到 s t a r t 起始信号，开始记录主时钟c l k 脉冲数，直到检测到截止脉冲s t o p 信号，计 数停止。 c l k 厂 厂 厂 一厂 厂 ；厂 一 s t a r t 亢二二! 二二二 ： ： s 聊 广 图2 2 直接计数法原理图 f i g 2 2 t h ep r i n c i p l eo fd i r e c tc o u n t i n g c l k 的时钟周期为t ，由s t a r t 到s t o p 之间的脉冲个数为n ，得到时间间隔t = n t , 直接计数法的误差为t 。最大误差为t ，所以直接计数法的精度是由计数的频率决定的 由于目前高速电路的计数频率已达数g h z ，对于纳秒量级的分辨率要求，可以采用 极高时钟频率信号进行直接计数。但要实现l o o p s 的分辨率，其计数频率要达到2 0 g h z ， 信号达到微波段，这样的信号不仅难以产生，准确性也难以保证，而且由于分布参数效 应，在普通电路中不易实现。因此，目前该方法只能达到纳秒级的精度。直接计数法作 为粗略测量，是高精度测量的基础。 2 2 2 时间间隔扩展法 时间间隔扩展法历史悠久，早在真空管时代就已经被广泛应用。测量原理如图2 3 所示，它就像一个时间放大器，靠一个电容充放电来工作。通过控制高速开关，用大恒 电流1 1 给电容充电时间间隔t x ，然后通过小的恒电流1 2 给电容放电，由于1 1 远远大于 1 2 ，这样放电时间t 也就远远大于充电时间t x ，起到一个“时间放大一作用。假设电流 大连理工大学硕士学位论文 i l 与h 之间的比例为k ，即：h = k l z ，那么就可以知道t = k t x ，再利用直接计数法可 以得到t 的大小，从而可以获得时间间隔t x 的大小。 时间间隔 r 厂 一t x 叫 电容冲放电波形 待扩展间隔 扩展后的间隔 时钟厂 厂 厂 厂 厂 厂 图2 3 时间间隔扩展法原理图 f i g 2 3 t h ep r i n c i p l eo ft i m e s p a c ee n l a r g i n g 该方法利用对一个电容充放电进行测量，属于模拟过程，在集成芯片中难以采用： 而且理想的恒流源也难以实现，因为实际恒流电路肯定会受电压漂浮、温度变化等因素 的影响，所以模拟过程的非线性不易控制。近年来时间间隔扩展法已经很少被应用。 2 2 3 时间一幅度转化法 时间幅度转换法由时间间隔扩展法改进而来，它克服了时间间隔扩展法转换时间 过长、非线性难以控制等问题。时间一幅度转换法的原理如图2 4 所示。 蝴l 一据 超声波流量计专用芯片的研制 与时间间隔扩展法不同，时间幅度转换法用一个高速a d c ，用a d 过程代替了放 电过程，极大地减少了转换时间1 6 1 。因为a d 转换过程所需时间t c 与充电时间t 本来 就是在同一个数量级上，而不像放电时间远远大于实际输入间隔t 。而且这样的电路少 了一个放电过程，能够减少它的非线性。由于现代高速的a d c ，可以得到很高的分辨 率，配合该法可以得到1 2 0 p s 的分辨率【7 d 们。传统上该法都是用离散器件实现，本设计 就是基于该方法设计的一款高精度的时间间隔测量芯片。 2 2 4 游标法 游标法因其工作原理类似于游标卡尺而得名，它本质上是一种数字扩展法。原理如 图2 5 所示。假设时间间隔t 用s t a r t 作起始信号，用s t o p 作停止信号，然后用s t a r t 启动一个周期为t 1 的振荡器，用s t o p 启动一个周期为t 2 的振荡器，其中t 1 t 2 ，然 后对两个时钟分别计数。假设t 1 计数到n 1 ，t 2 计数到1 1 2 时两者重合，则有： t = ，1 1 五一刀2 瓦= 0 1 一厅2 ) 互+ 1 2 ( 互一互)( 2 8 ) s t a r t 厂 厂 厂 厂一厂 厂 厂 卜t l k-一rotl- s t o p nnn nnnn 几几n 阿i 驯i p 卜一眈 图2 5 游标法原理图 f i g 2 5 t h ep r i n c i p l eo fc u r s o r 一种采用游标法来实现的芯片，能在3 1 2 5 m h z 下达到5 0 p s 的分辨率；另一种用游 标法芯片，在7 0 0 m h z 的外接频率下达到2 3 p s 的分辨率。进一步改进有望将分辨率提 高到l p s ，而如此高的分辨率，关键是保证两个可启动振荡器的高精度与高可靠性，这 具有挑战性，尤其是在比较长的时间间隔测量中。所以虽然用游标法理论上可以同时取 得高精度和大量程，但由于设计上的困难，其高精度往往只能在短时间内保持。通常将 游标法结合插值法来测量。另外，高精度的重合检测电路也是实现精确测量不可或缺的 部分。商用的h p 5 3 7 0 b 是采用游标法测量的典型例子，其测量精度可达2 0 p s ，是迄今 为止最好的商用时间间隔计数器，但由于价格和市场问题，现已停产。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 5 延迟线法 延迟线法分为抽头延迟线法与差分延迟线法，是随着近年来大规模集成电路的应用 而发展起来的。抽头延迟线法，也叫时延法。从概念上说，它比较简单。在早期，也用 同轴线来实现延迟线，但是为了实现高精度测量，需要数目众多的抽头，因而电路庞大， 使得这个技术在当时无法推广。随着半导体技术的发展，特别是大规模集成电路的发展， 这种方法被移植到集成电路上，而且得到迅速推广。 所谓抽头延迟线，是由一组延迟单元组成，理论上这组延迟单元传播时延相等，都 为t ，而时间间隔的测量就是通过关门信号s t o p 对开门信号s t a r t 在延迟线中的传播 进行采样实现的。原理如图2 6 所示： s t a r tttt s t q lq 2q 3q 4 图2 6 抽头延迟线法原理图 f i g 2 6 t h ep r i n c i p l eo ft a pd e l a yl i n e 一个延迟时间为t 的单元，总是配合一个触发器，触发器是上升沿触发而非电平触 发。时间间隔t 开始时s t a r t 的上升沿在延迟线中传播，结束用s t o p 的上升沿对触 发器进行采样。触发器为高的最高位位置就决定了测量结果。通过译码实现从时间到数 字的转换。但要实现精确测量，输入触发器时钟端的s t o p 信号的时滞必须 l d , 。 差分延迟线法可以说是由抽头延迟线法演变而来的，它由两组时延有细微差别的延 迟线构成。由于工作原理类似于游标法，所以这种方法也叫游标延迟线法。它由一组时 延为t 1 的延迟线与另一组时延为t 2 的触发器构成，是结合了游标法的抽头延迟线法。 一9 一 超声波流量计专用芯片的研制 3 芯片电路设计 前一章主要对超声波流量计的原理以及时间间隔测量方法进行了分析，本章结合第 二章的理论完成了一款超声波流量计专用芯片的设计，根据设计目标采用时间幅度转 化法，实现高精度时间间隔测量，温度测量，并为换能器提供驱动信号，将换能器接收 到的信号转换为可以识别的传播停止信号。本章从系统的工作原理开始介绍，然后对电 路中主要电路功能模块进行分析。 3 1系统原理及工作过程 3 1 1 系统原理 图3 1 为典型的时差法流量计的工作框图。包括超声波接收发射处理电路时间测量 测量电路，温度测量电路，m c u 及外围电路，显示电路等【1 1 l 。 图3 1 时差法流量计系统框图 h g 3 1 t h es y s t e ms t r u c t u r eo ft r a n s i tt i m eu l t r a s o n i cf l o wm e t e r 本设计将超声波收发处理电路，时间间隔测量电路，温度测量电路集成在一块芯片 上，通过与外部m c u 及外围电路的配合完成各个功能。利用脉冲直接计数法与时间 幅度转换法，测量超声波在流体中的传播时间；根据超声波探头的原理，将信号进行频 率、脉宽变换，驱动换能器发射超声波；设计比较器电路，将超声波探头接收到的信号 进行阈值检测，形成可以识别的传播停止信号；根据温度传感器p t l 0 0 0 的测温原理， 设计了测温电路。 3 1 2 功能模块描述 芯片的整个系统原理框图如图3 2 所示，其中测时电容、测温电容、m c u 、主时钟 a d 为芯片外部分立器件。模块包括：标定校验电路、测时控制电路、测温控制电路、 驱动电路、s t o p 信号转换电路等。 大连理工大学硕士学位论文 h 融h 删计敦i i 测时电容 一 鬯她卜 1 j 校验输出脉冲换能器 1 - 接收到的超 比较器l 一声波信号i 霖 $ l 一一s t o p f 言号 比较信号 鲻 亿 厂 入 蹰 l j ，tv 咏冲 1 分频 l o 选择驱动信号换能器 一l 霸砬 一丁 e ! 扑 图3 2 系统框图 f i g 3 2s y s t e ms t r u c t u r e 系统功能模块描述如下： ( 1 ) 校验标定电路 包括复位电路、校验标定电路。复位信号将所有触发器复位，使电路工作不受之前 工作状态干扰。校验电路检查系统是否工作正常，标定电路是确定主时钟脉冲大小，确 定外接测时电容充电一个主时钟周期的电压，为测试工作准备。 ( 2 ) 测时控制电路 测时控制电路通过控制时序电路，开关电路，利用时间幅度转换法原理，测量超 声波正向与逆向的传播时间。 ( 3 ) 测温控制电路 测温控制电路是通过控制外接测温电容通过精密电阻与温度传感器两个不同的回 路放电的时间的不同来确定流体的温度的。 ( 4 ) 换能器驱动电路 超声波流量计专用芯片的研制 换能器驱动电路是利用振荡器的输出信号经过分频、选择电路，生成与超声波换能 器谐振频率一致，使换能器最高效率谐振的信号。 ( 5 ) s t o p 信号转换电路 超声波信号经过流体传播到接收换能器的过程中，信号的强度会减小，信号也不稳 定，为了实现高精度测量，换能器接收到的信号到达测时电路前必须经过放大电路、自 动增益控制电路、比较电路，转换成稳定的适合测量的s t o p 信号。 3 1 3 系统的工作过程 系统启动和正常工作过程如下t ( 1 ) 整个系统开始工作时，由外接m c u 发出r e s t 复位信号，复位所有触发器、 锁存器，外接测时电容完全放电，整个系统准备工作。 ( 2 ) 外接m c u 发出t e s t 信号，振荡电路开始工作。系统检测到t e s t 信号的上升 沿，标定电路启动，系统同步输出主时钟脉冲供m c u 检测时钟的周期大小。系统检测 到t e s t 信号的下降沿到来，停止输出主时钟脉冲。系统同时开始给外一个测时电容依 次充电一个时钟周期。 ( 3 ) 由一个时钟周期测时电容充电量的大小，可以得到电容电压值与充电时间的比 值。 ( 4 ) 再次复位电路，外接m c u 发出s t a r t 测时开始信号。系统检测到s t a r t 信 号的上升沿，经过同步电路，使信号与时钟同步。同时，主时钟经过振荡电路、分频电 路、选择电路生成驱动信号驱动发射换能器发射超声波信号，测时开始。系统同步输出 时钟脉冲供m c u 记录脉冲个数，由脉冲个数就可以得到超声波传播的粗略时间。 ( 5 ) 当接收换能器接收到超声波信号，将接收到的信号传给系统的s t o p 信号生成 电路，信号经过变换形成s t o p 信号。系统检测到s t o p 信号的第一个上升沿，给测时 电容充电，到主时钟脉冲的下一个上升沿到来，充电结束，同时停止输出主时钟脉冲。 这里由测时电容的电压值就可以得到电容的充电时间，由此得到超声波传播时间的精确 值。 ( 6 ) 温度测量开始前，给外接测温电容充电到一定的电压值。由m c u 发出测温开 始信号d i s s t a r t ，系统检测到d i s s t a r t 信号上升沿，控制测温电容通过精密电阻 回路放电，同步输出主时钟脉冲供m c u 记录脉冲个数，可以得到测温电容放电时间的 粗略值。系统检测到测温电容电压值为0 时，给测温电容充电，到主时钟的下一个上升 沿到来，充电结束，同时停止输出主时钟脉冲，得到测温电容经过精密电阻回路的放电 时间的精确值。重复上述过程，给测温电容充电到相同的电压值，经过温度传感器回路 大连理工大学硕士学位论文 放电，得到这个回路的放电时间的精确值。对于相同的电容放电回路，电容的放电时间 只与电阻的大小有关，根据两个回路的放电时间比值，可以得到温度传感器与精密电阻 的比值，从而得到温度传感器的电阻值，来达到准确测量温度的目的。 3 2 超声波换能器驱动电路设计 超声波的发射和接收，需要一种电声间的能量转换装置，这就是换能器。超声波 换能器，就是超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。通常所说的超声波换能 器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能 的器件或装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能； 反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再将机械能转换为电能。超声 波换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。人们为研究和应用超声波， 已经发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生 器。 3 2 1 压电型超声波换能器工作原理 压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电 效应。超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声 换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用上产生纵运动。压电组件振荡时， 仿佛一个小活塞，其振幅很小，约( 1 1 0 ) um ，但这种振动的加速度很大，丝j ( 1 0 1 0 3 ) g ， 这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿一定方向传播出去，就 形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带 动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当 共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换 为电信号，此时的换能器就成了超声波接收器。在一般工业领域，通常接收和发射的换 能器使用完全相同的材料，做成完全一样的结构，只需外电路加一个转换开关就可以互 换使用或进行双向收剔1 2 l 。 目前的超声波流量计探头的设计中，大部分采用的是压电陶瓷。在压电陶瓷晶体的 两极施加脉冲信号，使其谐振，产生超声波。任何一个换能器都有其中心频率，要使换 能器工作在最佳状态，其驱动信号频率应与换能器的中心频率一致。 驱动信号的主要性能参数是脉冲频率、脉冲宽度与脉冲幅度，这三个参数对于缩小 盲区，提高探测精度有重要意义【1 3 】。将时钟脉冲经过振荡回路，分频、选择、脉宽调节 等变换电路，就得到可以根据换能器中心频率的不同选择不同频率和个数的脉冲信号， 达到最佳的驱动效果。 超声波流量计专用芯片的研制 3 2 2 振荡电路 振荡电路是设计中的一个重要模块，为系统提供稳定、可靠的时钟信号，也为驱动 换能器信号产生提供基础。利用门电路的多谐振荡原理构成【1 4 l 。 图3 3 为振荡电路模块，给整个系统提供稳定的时钟信号。其中，c o s i 、c o s o 分 别与外接晶振的两端连接，是晶振时钟的输入引脚；e n 为时钟使能引脚；c o s i n 为稳 定时钟信号输入引脚。振荡电路的输入由使能信号e n 控制，有两种选择：一种是由外 接晶振输入，一种是直接外部稳定时钟，外接稳定时钟是一个保护电路，是在晶振的时 钟达不到要求的情况下的选择。当使能信号e n 为低电平时，经过施密特触发器反相输 出高电平，外接晶振输入电路有效。晶振时钟信号经过反相器回路，增强了驱动能力， 再经过施密特触发器整形，输出稳定、准确的时钟信号，信号的频率大小与外接晶振的 频率一致。当晶振信号达不到要求时，为了保证芯片内部工作正常，e n 信号为高电平， 外接晶振电路部分关闭，由外接稳定时钟信号经过施密特触发器给电路内部提供时钟。 两条支路经过或门输出稳定的c l k 时钟信号。 图3 3 振荡电路 f i g 3 3o s c i u a t i o nc i r c u i t 冲 3 2 3 分频、选择电路 超声波流量计采用的时钟一般为几兆赫兹，而换能器信号的频率一般比时钟信号的 频率要低的多，一般为几百千赫兹，所以要对时钟信号进行分频，得到与换能器中心频 率一致的脉冲。所谓分频，就是将已有的输入波形的重复频率降为原有的1 m ，m 即为 分频系数。换句话说就是将输入波形的重复周期，增长m 倍【1 5 1 。 大连理工大学硕士学位论文 这部分的设计主要是用j k 触发器来完成的。设计中用到的j k 触发器是由d 触发 器构成的上升沿触发电路，电路如图3 4 所示，其输入输出的逻辑表达式为： q ”1 - j q “+ 倒( 3 1 ) 由表达式看出，不同的j 、k 组合，依次产生保持、置0 、置1 及转换，边沿触发 的j k 触发器有很强的抗干扰能力。 图3 4j k 触发器电路图 f i g 3 4 t h ec i r c u i to fj k t r i g g e r 根据常用的换能器及晶振的频率大小，本文设计了四种选择。考虑到后面驱动脉冲 的宽度需要调节，因此在分频电路中对时钟信号进行二分频