（电路与系统专业论文）超声波热测量芯片tdc核的设计与实现.pdf

_ 原创性声明 7 4 m 9 28 3 4 帆 y 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 皋垫：兰 日期： 少f o 岁70 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叁! ! ：兰导师签名： 叫 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 时间间隔测量的应用及发展现状2 1 3 论文研究内容与安排4 第二章t d c 测量原理与设计流程5 2 1 超声波热量表的测量原理5 2 2 基于环形延时链( r d l ) 的t d c 测量原理7 2 3t d c 设计流程7 2 3 1 在a s i c 设计流程中引入f p g a 原型验证一8 2 4f p g a 的基本结构9 2 5f p g a 开发工具介绍13 2 6f p g a 设计流程。1 4 第三章t d c 核总体设计1 6 3 1t d c 系统架构一1 7 3 1 1 精细计数接口17 3 1 2 精细计数单元的架构1 9 3 1 3 粗计数器2 l 3 1 4 测量控制电路的架构2 2 3 1 5 内部寄存器组2 3 3 1 6 校准单元一2 4 3 1 7 后处理单元2 4 3 2 环形延时链r d l 的设计2 5 3 2 1f p g a 底层编辑器( f p g ae d i t o r ) 2 5 3 2 2 用f p g ae d i t o r 设计r d l 2 7 第四章t d c 的逻辑综合3 2 4 1 综合的基本概念3 2 4 2 综合库3 5 4 3 设定综合约束3 5 4 3 1 设定设计环境3 5 山东大学硕士学位论文 4 3 2 设计约束3 8 4 4 设计划分与优化策略4 3 4 4 1 可综合设计与模块划分策略4 3 4 4 2 综合策略4 5 4 4 3 优化策略4 6 4 4 4t d c 芯片的综合策略4 7 4 5 逻辑综合结果分析4 8 第五章t d c 的可测性设计( d f t ) 5 1 5 1d f t 概j 苤5l 5 2 故障模型51 5 3 可测性结构设计5 2 5 4 可测性设计规则5 5 5 5 扫描测试结构的实现5 8 5 5 1 扫描测试设计的流程5 8 5 5 2 创建测试协议5 9 5 5 3 扫描链的插入5 9 5 5 4 检查测试覆盖率6 0 结束语6 2 参考文献。6 4 致谢6 8 攻读硕士学位期间发表的学位论文6 9 l i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f t h es u b j e c t l 1 2a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t i m ei n t e r v a l 2 1 3a r r a n g e m e n to f t h ep a p e r s 4 c h a p t e r 2m e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g nf l o wo f t d c 5 2 1m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ch e a t - m e t e r 一5 2 2m e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft d cb a s e di nr d l 7 2 3d e s i g nf l o wo ft d c 7 2 3 1f p g av e r i f i c a t i o ni nt h ea s i cd e s i g nf l o w 8 2 4b a s i cs t r u c t u r eo ff p g a 9 2 5i n t r o d u c t i o no f f p g a t o o l s 1 3 2 6d e s i g nf l o wo ff p g a 14 c h a p t e r 3t h ed e s i g no ft d c c o r e 16 3 1s y s t e ma r c h i t e c t u r eo f t d c 1 7 3 1 1f i n e c o u n ti n t e r f a c e 1 7 3 1 2a r c h i t e c t u r eo ff i n e c o u n t 19 3 1 3c o u n t e r 2 1 3 1 4a r c h i t e c t u r eo fc o n t r o lc i r c u i t 2 2 3 1 5i n n e rr e g i s t e r s 2 3 ：；1 6c a l i b r a t i o nc e l l 2 4 3 1 7a l u 2 4 3 2d e s i g no f r d l 2 5 3 2 1f p g ae d i t o r 。2 5 3 2 2d e s i g nr d lu s ef p g ae d i t o r 2 7 c h a p t e r 4l o g i cs y n t h e s i so f t d c 3 2 4 1l o g i cs y n t h e s i s 3 2 4 2l i b r a r yo fs y n t h e s i s 3 5 4 3d e s i g ns y n t h e s i sc o n s t r a i n t 3 5 4 3 1d e s i g ne n v i r o n m e n tc o n s t r a i n t 3 5 4 3 2d e s i g nc o n s t r a i n t 3 8 4 4d e s i g np a r t i t i o na n do p t i m i z a t i o n 4 3 山东大学硕士学位论文 4 4 1d e s i g nf o rs y n t h e s i sa n dm o d u l e sp a r t i t i o n 4 3 4 4 2s t r a t e g yo f s y n t h e s i s 4 5 4 4 3s t r a t e g yo f o p t i m i z a t i o n ：4 6 4 4 4s y n t h e s i ss t r a t e g yo f t d c 4 7 4 5r e s u l t sa n a l y s i so f l o g i c s y n t h e s i s 4 8 c h a p t e r 5d f t o f t d c 51 5 1s u m m a r yo f d f t 5l ! ；2f a u l tm o d u l e s 5l 5 3s t m c t u r eo fd f t 5 2 5 4d e s i g nr e g u l a t i o n so fd f t 。5 5 1 ；5i m p l e m e n t a t i o no fs c a nt e s ts t r u c t u r e 5 8 1 ；5 1d e s i g nf l o wo fs c a nt e s t 5 8 5 5 2s e tu pt e s tp r o t o c o l 5 9 1 ；! ；3i n s e r ts c a nc h a i n 5 9 1 ；! ；4c h e c kt e s tc o v e r a g e 6 0 c o n c l u s i o n s 6 2 r e f e r e n c e s 6 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 8 p u b l i c a t i o n s 6 9 山东大学硕士学位论文 摘要 传统的供热收费体制智能化程度低，不能根据用户要求自行调节供暖时间和 温度，造成能源浪费。供热收费体制将会逐步过渡到热能计量收费，以满足我国 创建节约型社会的要求。 本文针对目前热量表的发展现状，研究并提出了适合我国实际需要的基于超 声波传感技术的热量表。首先阐述了超声波热量表的原理，然后研究了一种新的 时间间隔测量方法来完成对超声波传播时差的测量，这种方法采用时间数字转换 结合计数器来测量时间间隔，在保证了测量的高分辨率和高精度的同时也扩大了 测量范围，大大降低了系统功耗。 在该时间间隔测量方法中，被测时间间隔分为两部分，即与时钟同步部分和 与时钟不同步部分。我们采用基于时钟的粗计数器来量化被测时间间隔中与时钟 同步的部分；采用基于门延时的精细计数来量化被测时间间隔中与时钟不同步的 部分，这样时间量就被转换成了数字量。 本文在对超声波热量测量工作原理进行深入研究的基础上，根据超声波热量 表的应用要求，对t d c 核进行了功能定义与模块划分，给出了关键模块的具体 设计以及仿真结果；针对环形延时链r d l ( r i n g d e l a y l i n e ) 部分，在f p g a 原型实现过程中，使用x i l i n x 公司提供的手工布局布线工具f p g ae d i t o r ：遵照 f p g a 原型实现流程对设计进行了仿真、综合、布局布线和时序仿真，在保证功 能仿真和时序仿真正确的前提下进入a s i c 设计流程，用s y n o p s y s 公司的d e s i g n c o m p i l e r 对t d c 核进行了综合与时序分析，所得的结果完全符合要求；本文还 对t d c 核进行了d f t 设计，插入了扫描链，覆盖率分析表明，d f t 设计也完全 达到了设计的要求，文中同时给出了d f t 设计的步骤。 本文的主要贡献为：给出了超声波热量测量芯片的设计原理；研究了一种新 的时间间隔测量方法来测量超声波传播时差；完成了t d c 核的f p g a 实现；使 用d c 对t d c 核进行了逻辑综合与可测试性设计。 关键词：超声波热量表；专用集成电路设计；f p g a 原型验证；时间f a 隔测量； 时间数字转换；环形延时链 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lh e a t i n gs y s t e mi n d u c e dl a r g ew a s t eo fe n e r g yo w i n gt oi t sl o w i n t e l l i g e n c ea n dn o n b a s e do n u s e r sr e q u i r e m e n t sf o rs e l f - r e g u l a t i o no fh e a t i n gt i m e a n dt e m p e r a t u r e e n e r g ym e t e r i n ga n dc h a r g i n gw i l lg r a d u a l l yr e p l a c et h eh e a t i n g c h a r g es y s t e mt om e e tt h ed e m a n df o rc o n s t r u c t i n ga ne c o n o m i c a ls o c i e t y o fo u r c o u n t r y a nh e a tm e t e rb a s e do nu l t r a s o n i cs e n s i n gt e c h n o l o g yw e r ep r o p o s e da n d d e t a i l e d l yi n v e s t i g a t e da i m i n ga to v e r v o m i n gt h ed i s a d v a n t a g e so fh e a tm e t e r sw h i c h w e r eg e n e r a l l ye m p l o y e dc u r r e n t l y f i r s t l y , t h ep a p e ri l l u s t r a t e dt h ep r i n c i p l eo ft h e u l t r a s o n i ch e a tm e t e r , t h e ni tp r e s e n tan e wt i m e - i n t e r v a lm e a s u r e m e n tm e t h o df o rt h e t i m ed i f f e r e n c ew i t hu l t r a s o n i c s p e c i a l l y t h em e t h o de x p l o i t e dt i m e t o d i g i t a l c o n v e r t e r ( t d c ) t om e a s u r et i m e - i n t e r v a li nc o m b i n a t i o nw i t hc o u n t e r i te n l a r g e dt h e m e a s u r e m e n ts c o p ew h i l ee n s u r i n gh i g hr e s o l u t i o na n dp r e c i s i o nw i t hs y s t e mp o w e r d i s s i p a t i o nd e c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l y t h et i m e - i n t e r v a lc o u l db ed i v i d e di n t ot w op a r t s ，n a m e l yc l o c ks y n c h r o n i z e d p a r ta n dc l o c ku n s y n c h r o n i z e dp a r t b o t hc o a r s ec o u n ta n df i n ec o u n tw h i c hb a s eo n t h ec l o c ka n dg a t ed e l a ys e p a r a t e l yw e r eu s e dt oq u a n t i f yt h e m t h u s ，t i m ev a r i a b l e w e r ec o n v e r t e di n t od i g i t a lv a r i a b l e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ch e a tm e t e ra n dt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ， t h ef u n c t i o nd e f i n i t i o na n ds t r u c t u r ec l a s s i f y i n gw e r ec a r r i e do u t ，m o r e o v e rt h e d e t a i l e ds t r u c t u r e ，t h es p e c i f i cd e s i g na n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o no fe a c hm o d u l e w e r eg i v e n d u r i n gt h ef p g ap r o t o t y p ei m p l e m e n t a t i o n ，t h em a n n u a lt o o lf o rt h e l a y o u tn a m e l yf p g ae d i t o rw h i c hw e r ep r o v i d e db yx i n l i n xc o o p e r a t i o nw e r e - g e m p l o y e d f o r t h e r i n g - d e l a y - - l i n ed e s i g n c o n f o r m i n g t ot h ef p g ap r o t o t y p e i m p l e m e n t a t i o nf l o w , i tc a r r i e do u tt h es i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，l i n ed i s p o s i n g ，a n d t i m i n gs i m u l a t i o nw h i l ee n s u r i n gt h ec o r r e c t i o no ft h ef u n c t i o ns i m u l a t i o na n dt i m i n g s i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，i ti n v e s t i g a t e di n t ot h es y n t h e s i sa n dt i m i n gw h i l eu s i n gt h e d e s i g nc o m p i l e ro fs y n o p s y sc o o p e r a t i o n t h er e s u l t sf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s a l s o ，t h i sp a p e rh a dd f td e s i g nf o rt d ct h r o u g hi n s e r t i n gas c a nc h a i n t h e c o v e r a g ea n a l y s i ss h o w st h a t , d f tf u l l ym e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s s t e p sf o r d e s i g n i n gd f r w e r ep u tf o r w a r di na d d i t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：t h ed e s i g np r i n c i p l eo f 山东大学硕士学位论文 u l t r a s o n i ce n e r g ym e a s u r e m e n ti sp r o v i d e da n dan e wm e t h o do ft i m et od i g i t a l c o n v e n e rt om e a s u r et h et i m e - i n t e r v a lo ft h eu l t r a s o n i cs p e c i a l l yi sp r o p o s e d f p g a i m p l e m e n t a t i o no ft d ci sc o m p l e t e d l o g i cs y n t h e s i s a n dd e s i g nf o rt e s ta r e c o m p l e t e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ch e a tm e t e r , a s i c ，f p g ap r o t o t y p e ，t i m ei n t e r v a l ，t d c ， r d l i i i 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 目前，我国城市的供暖系统是按面积收费而不是按用户的能耗收费。用户不 能根据居室条件自行调节供暖时间和温度，智能化程度低，造成能源的浪费。因 此，对供暖系统以及供暖收费体制进行彻底改革，实现按表分户计量收费已是势 在必行。供暖实现分户计量，按实际所用热量收费，这就要求对用户使用的热能 进行准确的计量。因此开发一种既能准确计量热能的使用情况，又具有价格优势 的热量表将有着重要的意义。 热量表起源于欧洲，德国从1 9 6 4 年开始热量表的首次研制工作。热量表是 用来测量一个热流回路中流体吸收或释放热量多少的仪器，是热量计量的基础。 最初的热量表为机械式，其中的流量测量采用孔板、文丘里管等，7 0 年代后出 现了电子热量表，它经历了从模拟积分式、电子数字积分式到以微处理器为基础 的智能式的发展过程。1 9 9 7 年4 月，欧共体正式通过的统一热量表的标准代号 为e n l 4 3 4 1 1 。 流量传感器是热量表最主要的部件，也是最敏感的组件，热量表的分类实际 上是指流量传感器的分类。流量传感器按其测量原理，可以分为机械式、超声波 式和电磁式三类【2 1 。 机械式流量传感器是通过测定叶轮的转速来测量热介质的流量。按照其计数 器是否与热水接触，可分为干式和湿式两种。干式传感器的叶轮转速通常是通过 磁耦合的方式传递给计数器的。先进的热量表已采用感应传导方式，即无磁的方 式，可大大降低热介质中铁锈水对热量表的影响。湿式传感器则是通过机械连接 的方式进行传动，即整个计数器浸在水中( 如冷水表) 。由于采用运动元件，并且 结构设计较为复杂，在使用中，机械式流量传感器不可避免的会遇到磨损和防堵塞 能力差的问题。 电磁式流量传感器是按法拉第定律，即水流过电磁场产生感应电动势的原理 来测量热介质的流量。与超声波式一样其内部无可动部件，不同之处是它对热介 质的电导率有要求( 1 0 i z s c m ) ，且通常要求2 2 0 v 交流供电，同时由于其结构 复杂、成本比较高、功耗较大，在户用表中用量较少。另外，由于这些都属于有 磁热能表，而热水往往带有很多的金属杂质，这些杂质会吸附在磁头上，导致采 山东大学硕士学位论文 集的数据不够准确，一般半年左右时间，整个表就处于瘫痪状态。 超声波流量传感器是通过波在热介质中传输，其速度在顺水流和逆水流方向 存在差异，从而可求出热介质的流速，进而求得流量。按传感器水流通道方式， 超声波流量传感器分单通道式和u 形管式。 基于超声波传感技术而发展起来的超声波热量表成为未来几年热量表开发 的技术前沿。它的测量过程不需要对管道进行改装，对管道内的流体场无任何扰 乱，测量结果不受流体的压力、粘度、电导率等参数的影响。和传统的电磁式流 量仪表、机械式流量仪表相比，超声波流量测量的计量精度高、对管径的适应性 强、使用方便、易于数字化管理等等。随着电子技术的发展，电子元气件的成本 大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计的应用前 景越来越广泛【3 j 。 超声波传播时差测量是超声波热量表当中一个很重要的环节，因为超声波顺 流和逆流的时差十分微小，对测量时间的精度要求会很高，而测量时间的精度又 直接影响到了流量计的精度，因此高精度的时间间隔测量在整个超声波热量计系 统中占有非常重要的地位。 1 2 时间间隔测量的应用及发展现状 时间数字转换t d c ( t i m et od i g i t a lc o n v e r t e r ) 是时间间隔测量的基本手段， 它将携带时间信息的模拟信号转换为数字信号，从而实现时间信息的测量。绝对 的时间信息常常没有太多的意义，而相对的时间信息才有意义，所以实际中很多 场合都是有关时间间隔信息的测量。 时间间隔测量是超声波热测量芯片的核心模块，它关系到整个芯片的精度和 性能。与此同时，时间问隔测量技术广泛用于时间同步技术、通信网的同步、超 声波密度仪、超声波厚度仪、激光雷达、激光扫描仪、c d m a 无线蜂窝系统无 线定位、各种手持机载或固定式的高精度激光测距仪、涡轮增压器的传速测试 仪、张力计、磁致伸缩传感器、天文的时间间隔观测、频率和相位信号分析等高 精度测试领域1 4 j 。 在科学实验方面的应用主要体现在高能物理实验中的应用，如高能物理实验 中的飞行时间( t o f ) 测量。其中计数器的主要作用是测量带电粒子的飞行时间， 与主漂移室的测量信息配合，推算粒子的质量，从而实现带电粒子的鉴别。其中， 2 山东大学硕士学位论文 用t o f 鉴别带电粒子的精度与时间间隔测量的分辨率直接相关。 在电子测量领域中很多高精度的测试仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发 生器和半导体器件测试，其核心部分之一就是其中的时间间隔测试装置。例如半 导体器件测试仪，其主要测试功能之一就是半导体的延时特性测试，就是要使时 间间隔测量装置达到要求。我国很多种高端精密仪器依赖进口就是因为时间测量 精度上不去。时间间隔测量技术的研究对于提升我国科技原创性、促进对关键技 术的掌握和仪器工业的发展也是很有意义的【5 1 。 许多世纪以来，人类通过天文观测和计算的方法获得准确的秒。随着科学技 术等生产力的发展和进步，人类对时间准确度要求越来越高，时间单位的确定也 经过了世界时、历书时和原子时的过程。 随着电子技术的发展，人们开始采用电子计数器来进行时间间隔的测量。计 数器技术的分辨率主要取决于主时钟的频率。这样，要求的分辨率越高，相对应 的主时钟频率也要求越高，它的优点是测量范围广，容易实现。但是该方法依赖 于电路的时钟频率，要达到高的分辨率就必须采用相应的高频率时钟。若频率很 高，使信号之间的干扰非常严重，寄存器的亚稳态现象非常敏感，电路难以实现。 时间放大技术是通过控制一个电容充放电时间来实现对所要测量的时间间 隔进行放大。这一过程属于模拟过程，该方法原理简单，容易实现，但是，因为 在集成电路中难以实现精确电容，而且恒流电路会受到电压漂移、温度变化等因 素的影响，难以实现理想的电流源，因此影响了该方法的使用推广。 游标卡尺技术的基本原理是系统中有两个周期相差很小的时钟，利用这两个 时钟周期的差作为时间测量的基本单位1 6 1 。该技术也可以被看作是一种时间放大 技术。在具体实现时将被测量时间间隔的开始信号和停止信号分别通过两路延时 链，其中开始信号通过的延时链中的每一个延时单元的量化延迟时间略大于停止 信号通过的延时链中的每一个延时单元的量化延迟时间。两路信号经过各自的量 化延时电路，会在某一个时刻重合，根据发生重合时经过的延迟级数可以计算出 被测时间间隔的长度。该方法可以实现很高的时间分辨率，但其动态测量范围受 到了限制，而且测量所需时间较长。 于是，人们提出了时间插值的方法，并开发了很多插值器来进一步提高时间 间隔测量的分辨率。根据工作方式，插值器主要分为模拟插值器和数字插值器1 7 j 。 模拟插值器主要有时问展宽插值器、时问电压转换带高速a d 转换的插值器， 山东大学硕士学位论文 数字插值器主要有时间游标插值器和数字延时线插值器。模拟插值器的特点是采 用模拟的方法对时间间隔进行测量，分辨率高，但非线性大。现在常用的时间电 压转换带高速a d 转换的插值器，转换速度较快，精度高，主要缺点是它的非 线性很大【引。国外基于模拟内插法的商用s r 6 2 0 分辨率达到2 0 皮秒。数字插值 器的特点是实现了数字化，时间游标的方法精度高，但存在抖动的影响，转换时 间长，制作工艺复杂，特别是其核心器件冲击振荡器的制作难度很大，造价高。 随着a s i c 技术的发展，利用有源器件延时的方法进行时间间隔测量被有关 学者提出。1 9 9 3 年，提出的基于c m o s 工艺的各种延时电路，采用延时可调的 缓冲器制成延时单元。后来发展的延时锁相环技术被应用到时间间隔测量中，大 大提高了有源器件延时的精度，改善了它的非线性【9 l 。 在高精度时间间隔测量方面，由于高精度、数字化等特点，时间间隔计数器 一直占据着主导地位。随着应用要求的不断提高，当今关于时间间隔测量的研究 正朝着高分辨率、高集成度、低功耗、小型化方向发展。 1 3 论文研究内容与安排 本文主要介绍了用于超声波热测量芯片的核心模块时间数字转换的设计。为 达到高精度、大量程的目的，采用基于门延时的精细计数与基于时钟的粗计数相 结合的技术来实现时间数字转换，给出了时间数字转换电路的设计思路，实现了 系统的功能定义和模块划分，完成了时间数字转换电路的f p g a 原型验证、a s i c 综合及可测性设计。具体内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了热量表的产生背景，总结了时间间隔测量在诸多 领域的广泛应用以及它的发展历程。 第二章介绍了超声波热量表的测量原理以及用于测量超声波传播时差的时 间数字转换测量原理。简单介绍了f p g a 原型验证的设计流程，对x i l i n x 公司的 s p a r t e n 3 e 系列芯片的基本原理和功能结构做了具体介绍。 第三章首先给出系统的整体设计方案，然后按照系统划分给出了各个模块的 设计、实现以及仿真波形。 第四章为逻辑综合的策略与实现。主要介绍了基于台积电0 2 5 u m 工艺库的 t d c 芯片的综合过程，介绍了时序约束、综合策略、设计优化等内容。 第五章为可测性设计的实现。本章主要介绍了芯片的测试结构、测试协议、 测试规则以及测试向量的生成，实现了较高的测试覆盖率。 最后部分是结束语、参考文献以及致谢。 4 ， 山东大学硕士学位论文 第二章t d c 测量原理与设计流程 2 1 超声波热量表的测量原理 超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，通过流体的瞬时流 量以及供、回水温差来计算出向用户提供的热量，相比传统的机械式热表，克服 了精度低、易损坏等缺点，是今后热量表发展的趋势。图2 1 给出了超声波热量 表的简单原理【1 0 1 。 t t w t 2 怎 一。一， - 一、 卜 喇 ：广一1 温度 ；t l 界兹：”l 扫t 埘l 0 0 0 测量 时间数字转换 一一j l 一匠 i 总线接口l 模 ii 拟 il 电 路 输 微处理器 出 模 l 供电 块 i 电源 = ) 一 l c d 显示器 图2 - i 超声波热量表的简单原理图 其中，流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替( 或同时) 收发超声 波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速， 再通过流速来计算瞬时流量。 逆流搀能器 顺谢l 抉能器 图2 - 2 超声波时差法原理示意图 图2 2 中包含两个换能器：顺流换能器和逆流换能器，分别安装在管径的两 侧，交替作为超声波的发射和接收器，管道的直径为d ，超声波的传播方向与液 5 山东大学硕士学位论文 体的流向所成的夹角为a ，液体的流速为v ，超声波在液体中的传播速度为c 。 设超声波在顺、逆流中传播的时间分别为t l 和t 2 ，如图2 2 坐标图中所示，液体 在沿超声波传播方向的分速度为c o s a ，超声波的传播路径为d s i n a ，t l 和t 2 的 表达式如下1 1 ，1 2 所示。 ，：，+ 皇型翌竺 ( 1 1 ) f = f + 一 1 17 ：f + 里型旦堡(1-2t ) ，= f + 一 、7 上述两式中，t 为延迟时间。顺、逆流时间差，为： a t = t 2 一 = 五瓦2 f d v 了c o s ：a 5 而( 1 - 3 )s l n a i c 。一，c o s 。a ) 超声波在水中传播速度c 约为1 5 0 0 m s ，c 2 ，2c o s 2 口，式1 3 可简化为 a t 2 v d c o s a ( 1 - - 4 ) - - 4 = _ 一 l c s i n a 对应液体的流速v 为： ，：= a t c 2 一s i n a ( 1 5 ) ，= 一 【l 一5 ) 2 dc o s a 需要强调的是v 是流体沿着管道中心线的线速度，考虑到液体流速沿管道直 径的不均匀分布情况，加入一个流速( 分布) 修正系数心此时瞬时流量的表达 式如下： d ：k 生 坐堑旦竺 ( 1 - 6 ) 求得瞬时流量后，在超声波热量表中，热量的积分计算采用欧洲流行的k 系数法：设测得进水管的水温为乃，出水管水温为乃，则进出水的温度差为r ， 利用流量传感器对供水管道的瞬时热水流量q 进行计量，经过一定时间的累计， 便得到用户消耗的热量值，其数学表达式为1 7 所示： e = f k o a t d t ( 1 - 7 ) 其中，e 为热交换系统输出热量，为流量累积时间，k 为热焙修正系数，q 为瞬时热水流量，功进出水的温度差。超声波热量计就是先利用超声波传播 的时间差求出瞬时流量，进而获得所消耗的热量。 由以上分析可以看出，对超声波在介质中传播时间的测量精度将直接影响流 量测量和热量的精度。所以为了提高计量的可靠性和准确性，在方案实现中采用 了高精度测量技术。 6 一 山东大学硕士学位论文 2 2 基于环形延时链( r d l ) 的t d c 测量原理 t d c 即时间数字转换器，它利用信号通过逻辑门的绝对传输时间延迟来精 确量化时间间隔的。通过计算一定时间间隔内通过延时确定的逻辑门的数量，进 而求得时间间隔【1 l 】【1 舶。测量原理如下图2 3 所示。 s t a r t s t o p 图2 3 基于环形延时链的t d c 测量原理不意图 图2 3 中，s t a r t 信号和s t o p 信号之间的时间间隔由非门的个数来决定。一般 情况下，当s t a r t 信号有效时，非门的输出和输入是反相的，但是，由于每个非 门固有延时( 传输延时t p d ) 的影响，当s t a r t 信号在r d l 中传输时，信号所到 达的电路节点与将要到达的下一节点状态将是同相的( 同是高电平或低电平) ， 通过异或电路的输出( 即低电平出现的位置) 即可判断s t a r t 信号所到达的r d l 中电路节点的位置【1 3 】【1 4 l 。因为非门单元的基本传输延迟时间是相对固定的，故 可判断s t a r t 信号到达该节点所需要的时间，从而实现信号s t a r t 与s t o p 之间时间 差的测量。 环形延时链的采用是为了减少门电路的数量，进而减小门延时带来的时间离 散性，达到节约资源、节省芯片面积的目的。 2 3t d c 设计流程 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ) 即专用集成电路，是指应特定用 户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。a s i c 的特点是面向特 定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术 与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，具有体积 更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等 优点。a s i c 设计主要有全定制设计方法和半定制设计方法【1 5 】。全定制方法是完 全由设计师根据工艺，以