专利名称：带有温度测量和驱动功能的时间数字转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种时间数字转换器的改进，具体地说是一种带有温度测量和驱 动功能的时间数字转换器。主要适用于超声波测量领域。
背景技术：
随着社会的发展和技术的进步，超声波技术获得了广泛的应用。其中在超声波测 距和超声波测流中都需要用高精度时间间隔测量电路对超声波传播时间间隔进行测量。这 种高精度时间间隔测量电路包括高精度时间间隔测量单元、开始信号Start输入电路、结 束信号Stop输入电路、时间测量结果输出电路构成，开始信号Start输入电路和结束信 号Stop输入电路同时与高精度时间间隔测量单元相连接，将采集到的开始信号和结束信 号输入高精度时间间隔测量单元，经高精度时间间隔测量单元处理的数据输入时间测量结 果输出电路；在需要有温度测量时，如超声波热量表，还要有超声波驱动和温度补偿电路， 温度补偿电路包括温度测量单元、标准电阻和感温电阻、测温逻辑控制电路、放电时间测量 电路、超低失真电容器、结果寄存电路；超声波驱动电路包括频率自调整脉冲发生器单元、 高速脉冲、分频器单元、频率自校准频率锁存电路、脉冲驱动电路。时间间隔测量单元负责 对超声波的传播时间进行测量，根据应用场合的不同，测量的精度要求也不同，一般超声波 测距要求达到微秒(10_6秒)级，而超声波测流则要求达到皮秒级(10_12秒)；超声波驱动 电路负责驱动超声波换能器发射超声波信号，要求其能够满足对驱动频率和负载能力的要 求；温度补偿电路负责测量超声波传播介质的温度，并根据温度对超声波的传播速度进行 补偿，这在高精度的测量中是必须的。就目前的技术，时间间隔测量单元、超声波驱动电路 和温度补偿电路是分开安装的，其缺点在于一是由于各部分没有统一在一起，需要分别进 行设计安装，因此，增加了系统的复杂性；二是各部分器件的离散性较大，因此精度上也具 有较大的离散性，不利于产品大批量生产；三是产品调试校准麻烦，生产合格率低。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种可克服以上现有技术的不足，集时间间隔数字转 换、温度测量和脉冲驱动于一体，其结构简化、集成度高、结构完整、各部件及精度离散性 小、测量精度高、便于调试校准、使用方便、主要适用于超声波测量领域的带有温度测量和 驱动功能的时间数字转换器。为达到以上目的，本实用新型所采用的技术方案是该带有温度测量和驱动功能 的时间数字转换器，由高精度时间间隔测量单元、开始信号Start输入电路、结束信号Stop 输入电路和时间测量结果输出电路构成，开始信号Start输入电路和结束信号Stop输入电 路同时与高精度时间间隔测量单元相连接，其特征在于在高精度时间间隔测量单元的一侧 连接上温度测量单元，温度测量单元为测温传感器电路充电，测温传感器电路为温度测量 单元放电，温度测量单元将一个充放电时间参数输入高精度时间间隔测量单元，在高精度 时间间隔测量单元的另一侧连接上高速脉冲，高速脉冲信号在输入高精度时间间隔测量单
3元的同时，输入频率自调整脉冲发生器单元，频率自调整脉冲发生器单元的处理信号再输 入驱动脉冲。本实用新型还通过如下措施实施所述高精度时间间隔测量单元，包括粗计数单 元电路、细计数单元电路和补偿控制电路构成，高速脉冲信号输入粗计数单元电路，补偿控 制电路通过差分延迟电路连接细计数单元电路，开始信号Start输入电路和结束信号Stop 输入电路同时通过时间测量逻辑控制电路同时连接粗计数单元电路和细计数单元电路；高 速脉冲选择范围在2-8MHz，选用石英晶体振荡器或陶瓷谐振器；细计数单元电路为差分延 迟电路计算从Start脉冲的上升沿到第一个高速脉冲的上升沿之间所通过的逻辑门的个 数以及Stop脉冲到下一个高速脉冲的上升沿所经过的逻辑门的个数；差分延迟电路中的 逻辑门经过特殊设计，具有较高的一致性和稳定性，为时间间隔测量提供高精度的基础，测 量精度可达到皮秒级；温度和电压对门电路的传播延时时间有很大的影响，设计中是通过 补偿控制电路来控制电压和校准来补偿由温度和电压引起的误差。所述温度测量单元，由标准电阻和感温电阻、测温逻辑控制电路、放电时间测量电 路、超低失真电容器和结果寄存电路构成，恒流源连接超低失真电容器，超低失真电容器同 时连接标准电阻和感温电阻以及施密特非门，测温逻辑控制电路同时连接标准电阻和感温 电阻、放电时间测量电路、恒流源，施密特非门连接放电时间测量电路，放电时间测量电路 连接结果寄存电路。所述频率自调整脉冲发生器单元，包括高速脉冲、分频器单元、频率自校准频率 锁存电路和脉冲驱动电路构成，脉冲驱动电路输出Firel和Fire2两路脉冲驱动信号，每 路Fire信号具有48mA的驱动能力；驱动脉冲的频率由高速振荡器经分频获得，作为基 本频率，频率自校准频率锁存电路可以对Frie脉冲在基本频率上下0. 1MHz的范围内以 0. 001MHz的步长进行微调，使之达到陶瓷振荡器的最佳共振频率，逻辑控制单元控制驱动 脉冲发生器和频率调整单元的工作时序。本实用新型的有益效果在于与目前使用的时间数字转换器相比，由于在高精度 时间间隔测量单元上增加了温度测量单元和频率自调整脉冲发生器单元，集温度测量、脉 冲驱动、时间测量于一体，所以，使系统简化、集成度高、结构完整、各器件和精度离散性小、 测量精度高、利于大批量生产、生产合格率高、使用方便，特别适用于超声波测量领域。
图1、为本实用新型结构主视示意图。图2、为本实用新型的高精度时间间隔测量单元结构示意图。图3、为本实用新型的温度测量单元结构示意图。图4、本实用新型的频率自调整脉冲发生器单元结构示意图。
具体实施方式
参照图1、2、3、4制作本实用新型。该带有温度测量和驱动功能的时间数字转换 器，由高精度时间间隔测量单元1、开始信号Start输入电路2、结束信号Stop输入电路3 和时间测量结果输出电路4构成，开始信号Start输入电路2和结束信号Stop输入电路3 同时与高精度时间间隔测量单元1相连接，将采集到的开始信号和结束信号输入高精度时间间隔测量单元1，经高精度时间间隔测量单元1处理的数据输入时间测量结果输出电路 4，其特征在于在高精度时间间隔测量单元1的一侧连接上温度测量单元5，温度测量单元5 为测温传感器电路6充电，测温传感器电路6为温度测量单元5放电，温度测量单元5将一 个充放电时间参数输入高精度时间间隔测量单元1，在高精度时间间隔测量单元1的另一 侧连接上高速脉冲7，高速脉冲7信号在输入高精度时间间隔测量单元1的同时，输入频率 自调整脉冲发生器单元8，频率自调整脉冲发生器单元8的处理信号再输入驱动脉冲9。所述高精度时间间隔测量单元1，包括粗计数单元电路10、细计数单元电路11和 补偿控制电路12构成，高速脉冲7信号输入粗计数单元电路10，补偿控制电路12通过差 分延迟电路13连接细计数单元电路11，开始信号Start输入电路2和结束信号Stop输入 电路3同时通过时间测量逻辑控制电路14同时连接粗计数单元电路10和细计数单元电 路11，从而计算从开始信号Start到结束信号Stop之间的高速脉冲个数；高速脉冲选择范 围在2-8MHz，选用石英晶体振荡器或陶瓷谐振器；细计数单元电路11为差分延迟电路13 计算从Start脉冲的上升沿到第一个高速脉冲的上升沿之间所通过的逻辑门的个数以及 Stop脉冲到下一个高速脉冲的上升沿所经过的逻辑门的个数；差分延迟电路13中的逻辑 门经过特殊设计，具有较高的一致性和稳定性，为时间间隔测量提供高精度的基础，测量精 度可达到皮秒级；温度和电压对门电路的传播延时时间有很大的影响，设计中是通过补偿 控制电路12来控制电压和校准来补偿由温度和电压引起的误差。所述温度测量单元5，由标准电阻和感温电阻15、测温逻辑控制电路16、放电时间 测量电路17、超低失真电容器18、结果寄存电路19构成，恒流源20连接超低失真电容器 18，超低失真电容器18同时连接标准电阻和感温电阻15以及施密特非门21，测温逻辑控制 电路16同时连接标准电阻和感温电阻15、放电时间测量电路17、恒流源20，施密特非门21 连接放电时间测量电路17，放电时间测量电路17连接结果寄存电路19，温度测量单元5的 工作原理是PIC0STRAIN比较测量，即首先对RC测温电路中的电容充电，然后通过高精度时 间间隔测量单元1记录电容通过精密参考电阻或感温电阻(如PT1000)的放电时间，根据 放电时间与阻值的比例关系，则感温电阻的阻值可由精密电阻的阻值和精密电阻与感温电 阻上的充放电时间获得，再根据感温电阻的阻值与温度的对应关系得到温度值。所述频率自调整脉冲发生器单元8，包括高速脉冲22、分频器单元23、频率自校准 频率锁存电路24、脉冲驱动电路25构成，脉冲驱动电路25输出Firel和Fire2两路脉冲驱 动信号，每路Fire信号具有48mA的驱动能力。驱动脉冲的频率由高速振荡器经分频获得， 作为基本频率，频率自校准频率锁存电路24可以对Frie脉冲在基本频率上下0. 1MHz的范 围内以0. 001MHz的步长进行微调，使之达到陶瓷振荡器的最佳共振频率，逻辑控制单元控 制驱动脉冲发生器和频率调整单元的工作时序。
权利要求一种带有温度测量和驱动功能的时间数字转换器，由高精度时间间隔测量单元(1)、开始信号Start输入电路(2)、结束信号Stop输入电路(3)和时间测量结果输出电路(4)构成，开始信号Start输入电路(2)和结束信号Stop输入电路(3)同时与高精度时间间隔测量单元(1)相连接，高精度时间间隔测量单元(1)处理的数据输入时间测量结果输出电路(4)，其特征在于在高精度时间间隔测量单元(1)的一侧连接上温度测量单元(5)，温度测量单元(5)为测温传感器电路(6)充电，测温传感器电路(6)为温度测量单元(5)放电，温度测量单元(5)将一个充放电时间参数输入高精度时间间隔测量单元(1)，在高精度时间间隔测量单元(1)的另一侧连接上高速脉冲(7)，高速脉冲(7)信号在输入高精度时间间隔测量单元(1)的同时，输入频率自调整脉冲发生器单元(8)，频率自调整脉冲发生器单元(8)的处理信号再输入驱动脉冲(9)。
2.根据权利要求1所述的带有温度测量和驱动功能的时间数字转换器，其特征在于所 述的高精度时间间隔测量单元(1)，包括粗计数单元电路(10)、细计数单元电路(11)和补 偿控制电路(12)构成，高速脉冲(7)信号输入粗计数单元电路(10)，补偿控制电路(12)通 过差分延迟电路(13)连接细计数单元电路(11)，开始信号Start输入电路(2)和结束信号 Stop输入电路(3)同时通过时间测量逻辑控制电路(14)同时连接粗计数单元电路(10)和 细计数单元电路(11)。
3.根据权利要求1所述的带有温度测量和驱动功能的时间数字转换器，其特征在于 所述的温度测量单元(5)，由标准电阻和感温电阻(15)、测温逻辑控制电路(16)、放电时 间测量电路(17)、超低失真电容器(18)和结果寄存电路(19)构成，恒流源(20)连接超低 失真电容器(18)，超低失真电容器(18)同时连接标准电阻和感温电阻(15)以及施密特非 门(21)，测温逻辑控制电路(16)同时连接标准电阻和感温电阻(15)、放电时间测量电路 (17)、恒流源(20)，施密特非门(21)连接放电时间测量电路(17)，放电时间测量电路(17) 连接结果寄存电路(19)。
专利摘要本实用新型公开了一种带有温度测量和驱动功能的时间数字转换器，由高精度时间间隔测量单元(1)、开始信号Start输入电路(2)、结束信号Stop输入电路(3)和时间测量结果输出电路(4)构成，其特征在于在高精度时间间隔测量单元(1)的一侧连接上温度测量单元(5)，在高精度时间间隔测量单元(1)的另一侧连接上高速脉冲(7)，高速脉冲信号在输入高精度时间间隔测量单元(1)的同时，输入频率自调整脉冲发生器单元(8)，频率自调整脉冲发生器单元(8)的处理信号再输入驱动脉冲(9)。该转换器，系统简化、集成度高、结构完整、测量精度高、利于大批量生产、生产合格率高、使用方便，特别适用于超声波测量领域。
文档编号G01K7/16GK201583811SQ200920239578
公开日2010年9月15日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者吴明花, 王士莹 申请人:山东力创赢芯集成电路有限公司